0 引言

土石围堰具有施工便利、结构稳定性强、经济效益高等特点，常作为近海人工岛工程永久性岛壁结构^[1]。土石围堰占地面积广，修筑过程易引起地层及邻近结构产生侧向附加位移和不均匀沉降等力学响应^[2-3]。此外，海域人工岛常下伏淤泥等软弱土层，筑岛施工扰动不可忽略。极端情况下，堆载作用产生的扰动可能妨碍邻近构筑物正常运营，需采取严格的施工控制措施^[4-6]。

在施工堆载扰动控制方面，严新江^[7]研究发现非对称堆载是桩基础产生偏移的主要原因，提出钻孔卸压、开挖卸载、桥梁横向加强、桥墩纵向复位和加桩加固等综合纠偏方案；吴江斌、冯忠居^[8-9]提出采用主动降低填土荷载及基础加固等方法，减轻土石围堰修筑对地层的扰动；董子龙^[10]、彭焱森^[11]提出隔离钢板桩及先内后外，横桥向分层交替回填砂的桥下筑岛技术；张万鹏^[12]研究发现非接触筒状防护可大大减小桥梁下部结构的偏移及沉降。上述研究限于陆域环境，尚未考虑渗流效应对既有构筑物的影响。针对海域人工岛工程，邓会元^[13]分析了桥桩周围填土对既有桥梁的影响，认为不同的岛壁修筑施工阶段的扰动机理存在差异。江洎洧^[14]通过CAD+CAE动态设计，分析工程加固措施后，大面积填筑对桥梁桩基的影响程度及机理。此外，海域人工岛修筑时的块石抛填，会给临近既有桥梁桩基带来不利的侧向挤压和弯曲等影响，需要对此开展深入研究。

本研究依托深中通道东人工岛工程，考虑场区内存在深厚淤泥地层等不利条件，开展海域环境土石围堰岛壁下穿既有桥梁施工技术研究，提出钢管桩围护+地基加固等主动保护与防护相结合的位移控制措施，探讨海域环境岛壁抛填施工过程对既有桥梁的变形影响，结合数值模拟与现场监测，评估加固控制措施的有效性，为现场施工顺利推进提供指导。

1 工程背景 1.1 工程概况

深圳至中山跨江通道项目(深中通道)是连接粤港澳大湾区，沟通珠三角的重要交通枢纽。其中位于深圳宝安机场西南侧的东人工岛为通道项目的起点，该岛东西向长930 m，南北向长1 136 m，形成陆域面积34.38万m²。东人工岛场区内为桥岛隧集群工程，深中通道于东北至西南向穿岛而过，同时有正交广深沿江高速架立于岛上，如图 1所示。

东人工岛岛壁采用土石围堰抛填施工，围堰总长3 178.5 m，其中抛石斜坡结构2 731.24 m，扶壁结构199.05 m，挡浪墙83.21 m，救援码头101 m。依据护岸结构型式和护面型式不同分为：抛石斜坡式+扭王字块护面、扶壁式、抛石斜坡式+浆砌块石3种形式。

工程场区位于珠江入海口，与外海联通，海底标高-4.5~0.2 m，东人工岛水深0~5 m。地勘资料显示，场区地层自上而下依次为淤泥层、中粗砂、粉质黏土层及花岗岩。其中，淤泥层厚10 m，属于欠固结软土，稳定性极差，含水量高，在荷载作用下易产生侧向滑移、挤出及不均匀沉降。

1.2 岛壁下穿既有桥梁施工风险

深中通道东人工岛南侧岛壁下穿既有广深沿江高速高架桥。沿江高速为已通车双向8车道高速公路，设计时速100 km/h，与多个港口码头互通，货车载重大。桥墩尺寸2 m(横桥向)×2.6 m(顺桥向)，单个承台底部4/6根嵌固桩、顶部2/3个桥墩，桥桩桩径1.6 m，桩长32 m。

岛壁块石抛填区域紧邻沿江高速主线桥墩，距其桥桩最近处2 m，且下伏分布有淤泥等软弱土层，存在不良地质条件。施工将引起桥墩桩基两侧土压力失衡、产生附加弯矩，导致桥梁下部结构产生水平位移，如图 2所示。

1.3 岛壁施工位移控制措施

如前所述，为保证既有广深高速正常运营，提高地基土体抗变形的能力，需采取有效的位移控制措施^[15-17]，降低岛壁抛填对土体的扰动，如表 1所示。

桥下岛壁修筑抛填前，需加固其下软弱土层，然而地基加固措施均会产生扰动地层，故先以围护结构将桥墩合围，有效隔离桥墩与软弱土体，发挥类似套筒的效果。因施工场区位于海域，水流湍急，选用刚度高、承载力强的钢管桩围护结构作为桥墩第一道保护。

选择合理的加固措施对降低施工扰动同样重要。因水泥搅拌桩成桩机械较大，受桥下净空高度限制无法施作，故对该区域地基进行高压旋喷桩加固作为桥墩第2道保护。

2 岛壁下穿既有高速公路数值模型 2.1 数值模型建立

为评估岛壁施工位移控制措施的有效性，采用PLAXIS 3D建立三维数值仿真模型，模拟岛壁下穿既有桥梁段施工全过程。如前所述，受岛壁施工影响的桥墩有70^#~76^#墩，选取扰动最为明显的72^#~73^#桥墩作为主要分析对象。

如图 3所示，以竖直向上为z轴正向，顺桥向北侧方向为y轴负向建立三维数值模型，模型尺寸为120 m×120 m×50 m；地层向下依次为淤泥、中粗砂、粉质黏土等软弱土层，下伏地层为全风化、强风化花岗岩。

2.2 计算参数选取

根据东人工岛地勘报告，高速桥梁73^#墩位置处软土层较厚，为最不利地层，故选取73^#墩邻近的地层钻孔资料作为土体参数，地层及围护参数取值详见表 2。

地层土体单元采用摩尔库伦本构(MC)模拟；混凝土结构采用线弹性模型模拟；钢管桩围护受到围堰外侧的水土压力，主要考察其抗弯强度是否满足要求，钢管桩按等效刚度简化为弹性板单元模型；桥梁承台、桥面选取实体单元模拟。桩基采用梁单元模拟(Embedded Beam)，桩与土之间的相互作用通过界面单元模拟，界面行为用弹-塑性模型描述。桩基模型参数见表 3^[18]。

桩侧竖向摩阻力采用线性方法，通过桩顶侧摩阻力T_{top, max}和桩底侧摩阻力T_{bot, max}定义。桩总承载力N_pile由式(1)求得:

(1)

式中，L_pile为桩长; F_max为桩端承载力。

沿江高速高架桥为混凝土简支连续梁桥，采用理想约束模型，通过释放桥面和桥墩间的约束来模拟支座，将一端简化为固定铰接，另一端为可动铰接^[19-20]。

2.3 施工步序设置

工程场区位于海域环境，水位位于回填后岛面以上3.5 m，施工中水压力作用不可忽略，因此计算模型中设置3.5 m整体水位来模拟海域对岛壁抛填的影响。参照设计流程，数值模拟步骤如下。

(1) 对模型四周约束法向位移，底部约束法向+切向位移，考虑岩土体、结构自重。

(2) 既有桥梁成桥：激活桥梁结构，计算初始应力场，并将位移清零，作为工程初始状态。

(3) 钢管桩围护体系施作：激活钢管桩围护单元，薄层逐步回填中粗砂至桩顶，并计算结构单元施加后的地基及桥梁结构应力变形。

(4) 地基处理：复合地基材料参数替换。

(5) 海堤填筑：逐级薄层对称均匀填筑，计算土体和桥梁结构的应力及变形增量。包括堤心石抛填、外护面施工、挡浪墙浇注这3部分。

因模拟分析主要探讨岛壁抛填阶段对桥梁桩基的附加影响，暂不考虑钢管桩和地基处理等施工所引起的位移影响，故第4步进行位移清零。

3 数值模拟结果分析 3.1 下穿施工安全控制标准

现行规范对桥梁所能承受的最大变形控制要求见表 4，统计发现国内尚未指定公路高架桥梁结构堆载作用下发生的不利变形控制标准。

由于深中通道东人工岛邻近的广深沿江高速桥梁为Ⅰ级公路桥梁，为保证该桥在人工岛岛壁填筑施工中满足桥梁安全性要求且能正常运营。以人工岛岛壁填筑过程中墩台位移和桩基水平位移等为主控指标^[8]。参考现行规范，建议桩基安全容许水平位移控制在6 mm以内，相邻墩台沉降差值控制在5 mm以内，墩台顶面水平位移控制在 (mm)以内。

3.2 岛壁抛填对桥梁下部结构影响分析

墩台顶面平整度是桥墩正常运营的重要指标之一，为分析岛壁抛填对桥墩的影响，提取岛壁抛填施工完成时墩台顶面y方向(顺桥向)位移曲线如图 4所示。由图可知，土石围堰岛壁抛填导致72^#~73^#墩顺桥向位移有一定增长，水平位移曲线呈现聚拢状，越靠近中心水平位移越大。其中72^#1~2墩墩台水平位移最大，最大水平位移为0.76 mm，小于墩台顶面水平位移控制值( =26 mm)。

桥面与桥墩直接相连，承台差异变形易造成桥墩倾斜，使上部结构形变，影响公路高架桥正常运营。选取岛壁抛填施工完成时桥墩y方向和z方向位移云图如图 5所示。

由图 5(a)可知，岛壁抛填会使承台沿背离岛壁侧发生位移，与墩台顶部位移趋势相反，桥墩有向内倾斜迹象。72^#墩比73^#墩y向位移绝对值大，约为73^#墩的128.5%，说明岛壁抛填对72^#桥墩影响更大，由于岛壁为非对称结构，72^#墩受到附近土体的挤压作用更为明显。选取水平位移最大处72^#2墩，计算桥墩最大倾斜度为0.29‰，处于安全范围之内，对桥梁的正常运营影响较小。

由图 5(b)可知，承台横桥向两侧沉降值更大，桥梁有向外倾斜的趋势。相邻墩台沉降差值为1.9 mm，满足上节相邻墩台沉降差值控制在5 mm以内的要求。

3.3 岛壁抛填对桥梁桩基影响分析

工程案例表明^[21]，软土地区岛壁抛填过程中的堆载作用会挤压周围土体，引起桩基变形，造成桥面水平位移和不均匀沉降。

因3.2节中72^#和73^#2号桥墩墩台位置水平位移最为剧烈，重点分析岛壁抛填施工对既有桥梁桩基AB号桩的影响(桩基位置见图 6)。

由图 6看出，随着岛壁抛填进行，桩基逐步向外扩展，水平位移主要发生于地基土的淤泥层和中粗砂部分，由于淤泥和中粗砂的抗剪能力较弱，会产生较大水平变形而挤压桩产生形变。

因72^#桥墩附近土体承受更大堆积荷载，72^#桥墩桩基的水平位移变化更大。筑岛施工过程引起的既有沿江高速桥梁桩基水平位移为2.5 mm＜6.00 mm，满足桩基安全容许值。

在软土地基中，邻近堆载不仅将引发桥梁桩基发生侧向偏位，还将导致桩身产生附加弯矩，对桥梁正常运营将产生不利影响。

图 7给出了不同工况下桩基水平弯矩(M_y)变化曲线。其中正、负弯矩分别代表岛壁侧桩身受压和受拉。可看出，桩身最大弯矩随岛壁抛填施工进行而线性增长。最大值1 152 kN·m，位于埋深约20.0 m处。

3.4 围护结构受力模式分析

作为加固方案的主体构成部分，需探讨钢管桩围护结构体系受力模式。钢管桩能很好地抵挡填筑引起的顺桥向水平推力，在此方向钢管桩所受最大弯矩值M_y为580.0 kN·m，产生了约15.0 mm的沉降和最大27.6 mm的水平变形。

钢管桩围护结构发挥了抵抗和承接堆积荷载作用，弱化了岛壁抛填施工对于桥梁结构的影响，于岛壁结构和桥墩之间形成隔离效果。

4 岛壁下穿施工现场实施与监测反馈 4.1 岛壁施工工艺

东人工岛填筑前对影响范围内的沿江高速桥墩采用钢管桩+导梁+内支撑的施工控制措施。插打钢管桩的桥墩范围为70^#~76^#，如图 8所示。锁扣钢管桩直径1.5 m，壁厚20 mm，长度26~42.5 m不等，以插入地基持力层为准。钢管桩沿桥墩打设一圈，架设双拼[24c导梁，内侧每1.4 m设置HW200×200 mm型钢横撑，形成围护结构体系，如图 9所示。

桥下岛壁地基加固随相应桥墩围堰保护结构完成后实施。旋喷桩直径0.8 m，桩中心距0.75 m，正方形布置，置换率89%，搭接宽度取0.5 m。旋喷桩采用高压双泵工艺，水灰比1.0，水泥用量400 kg/m，喷浆压力25 MPa，提速10~14 cm/min，加固至全风化花岗岩层顶部，如图 10所示。

为减少打桩振动对桥墩的不利影响，钢管桩采用静压沉桩工艺。由于桥底限高，分节插打钢管桩，施工如图 11(a)所示。

如图 11(b)所示，旋喷桩加固施工需搭设平台开展水上作业，在两个桥墩之间搭设轨道移动平台，放置旋喷桩机根据孔位间距进行移动加固施工。

桥下岛壁采用抛石斜坡式+扭王字块护面结构，深水区需海上抛填。其中碎石垫层由抛石船+反铲挖机由中轴线向两侧抛填，水上挖机进行整平；堤心石分层抛填，抛石施工分粗抛、补抛和成型等3步作业，采用自卸车运块石岛壁面纵向推进，长臂挖机配合理坡，如图 11(c)所示。

4.2 监测方案

岛壁抛填施工过程监测沿江高速桥墩沉降、水平位移和倾斜，测点布置如图 12所示，以72^#桥墩为例。重点分析东人工岛岛壁施工广深沿江公路高架桥梁墩台和桩基的位移响应规律。

利用两台徕卡TM50全站仪在沿江高速东侧的东人工岛南北两侧架设水上观测平台跟踪监测。监测频率4次/d，监测精度1.0 mm，桥墩水平位移和竖向位移控制值为±5 mm，桥梁倾斜为0.6%。监测点安装选用徕卡圆棱镜，在每个墩柱朝向测站方向布置一个测点作为水平位移和沉降观测点。

4.3 监测结果及效果评价

因模拟分析中72^#和73^#2号桥墩墩台位置水平位移最为剧烈，选取70^#~76^#2号墩间土石围堰岛壁抛填前后(2020-05-20—2020-07-22)既有桥梁桥墩水平向位移监测曲线见图 13，为便于分析，对抛填岛壁结构前桥墩既有位移作清零处理。

如图 13所示，岛壁土石抛填导致邻近桥墩位移有一定的增长，70^#~72^#桥墩有沿桥向北侧的位移，与73^#~76^#桥墩位移方向相反，说明抛填过程对于桥墩有一定挤压作用，由于岛壁主体结构在72^#与73^#桥墩间抛填，故其受抛填施工影响最大。

整体而言，由于桥墩采用了钢管桩围护+桥墩间地层高压旋喷桩加固措施，岛壁抛填对桥墩水平位移产生的影响不大，最大水平位移小于3.0 mm。后续数据表明桥墩位移趋于稳定，且远小于水平位移5 mm的控制标准，说明前述施工控制措施有效，能够保障既有桥梁的安全。

5 结论

以深中通道人工岛岛壁抛填为工程背景，开展岛壁下穿既有桥梁施工过程数值分析，论证综合施工控制措施的可行性，结论如下：

(1) 数值模拟结果表明，海域深厚淤泥地层岛壁抛填会使桥墩周围土体产生竖向沉降和侧向挤压变形，导致桥墩出现背离填土侧的位移，桩基发生挠曲，并产生附加应力。

(2) 钢管桩围护+高压旋喷加固防护体系可有效抵挡岛壁填筑引起的顺桥向水平推力，桥梁水平位移和沉降满足控制要求，能保证岛壁下穿施工中既有桥梁的正常运营。

(3) 经监测数据验证，采用钢管桩围护+地基旋喷加固等位移控制措施，辅以块石分层对称抛填，可大幅降低岛壁抛填对桥梁的影响。桥墩水平位移被控制在3.0 mm以内，符合桥梁正常运营要求。