大直徑鋼圓筒技術(shù)在港珠澳大橋人工島工程中的應(yīng)用課件

大直徑鋼圓筒技術(shù)在港珠澳大橋人工島工程中的應(yīng)用大直徑鋼圓筒技術(shù)在港珠澳大橋人工島工程中的應(yīng)用大直徑鋼圓筒技術(shù)在港珠澳大橋人工島工程中的應(yīng)用目錄目錄推廣及應(yīng)用前景插入式大直徑圓筒技術(shù)應(yīng)用歷史概述插入式大直徑圓筒結(jié)構(gòu)在港珠澳大橋隧道人工島工程中的成功應(yīng)用插入式大直徑圓筒技術(shù)應(yīng)用歷史概述大圓筒結(jié)構(gòu)通常是指直徑在6～7米以上的無底、無內(nèi)隔墻的薄壁圓柱殼結(jié)構(gòu)，多由鋼筋混凝土材料或鋼質(zhì)材料制成。（最大直徑32米）對(duì)深厚軟土地基、水深浪大的惡劣環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。該結(jié)構(gòu)始建于二十世紀(jì)四十年代法國。前蘇聯(lián)及烏克蘭在六十年代開始研究和推廣。在日本護(hù)岸、防波堤工程中有較為廣泛的應(yīng)用，典型案例是1994年投入使用的關(guān)西海上機(jī)場圍海造陸工程，該工程岸壁主體結(jié)構(gòu)就是建在復(fù)合地基上的插入式大圓筒結(jié)構(gòu)。插入式大直徑圓筒技術(shù)應(yīng)用歷史概述國內(nèi)從上世紀(jì)80年代初開始引進(jìn)該技術(shù)。我院多年來聯(lián)合有關(guān)院校、科研機(jī)構(gòu)和施工單位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝方面不斷探索，使圓筒結(jié)構(gòu)在多個(gè)項(xiàng)目中獲得應(yīng)用。工程名稱時(shí)間圓筒結(jié)構(gòu)下沉技術(shù)工程評(píng)價(jià)或經(jīng)驗(yàn)廣州番禺南沙聯(lián)合碼頭工程1995年鋼筋混凝土圓筒，直徑15m，壁厚28抽真空聯(lián)合壓載法建成至今結(jié)構(gòu)使用情況良好長江口深水航道治理二期堤頭段試驗(yàn)工程2002年鋼筋混凝土圓筒，直徑12m，壁厚21~254臺(tái)400液壓錘聯(lián)動(dòng)振動(dòng)圓筒在施工期臺(tái)風(fēng)作用下傾倒。行業(yè)內(nèi)對(duì)穩(wěn)定計(jì)算方法存在不同意見。但充分驗(yàn)證振沉工藝是成功的廣州南沙蒲洲海堤護(hù)岸工程2003年鋼圓筒，直徑13.5m，壁厚12（采用類似鋼管樁防腐的技術(shù)）4臺(tái)400液壓錘聯(lián)動(dòng)振動(dòng)只要有良好持力層，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、位移都非常理想，插入式大直徑圓筒技術(shù)應(yīng)用歷史概述蒲洲海堤護(hù)岸全貌圖海堤護(hù)岸工程斷面圖4臺(tái)液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)下沉目錄插入式大直徑圓筒技術(shù)應(yīng)用歷史概述插入式大直徑圓筒結(jié)構(gòu)在港珠澳大橋隧道人工島工程中的應(yīng)用（1）人工島的項(xiàng)目概況（2）總體設(shè)計(jì)方案介紹（3）人工島筑島關(guān)鍵技術(shù)東人工島沉管隧道西人工島澳門珠海香港香港機(jī)場澳門機(jī)場跨海大橋港珠澳大橋工程地理位置圖港珠澳大橋是世界上迄今為止規(guī)模最大的跨海大橋，6長隧道和兩個(gè)隧道人工島是當(dāng)今世界同類工程中綜合技術(shù)難度最大的工程。1、項(xiàng)目概況人工島呈橢圓蠔貝形，長625m，橫向最寬處約183m（東島218m）1、項(xiàng)目概況隧道人工島的功能要求隧道人工島的基本功能是實(shí)現(xiàn)海上橋梁和隧道的順利銜接，滿足島上建筑物布置需要，并提供基本掩護(hù)功能，保障主體建筑物（島上隧道）的順利建設(shè)和正常運(yùn)營，其中：施工期間人工島需至少滿足以下功能要求：（1）為島上隧道提供高保障度的干施工條件；（2）配合隧道施工，按期提供沉管隧道對(duì)接條件。（3）及時(shí)提供沉管施工水平運(yùn)輸通道。運(yùn)營期間人工島要穩(wěn)定、耐久，為島上建筑物提供防浪、防沖、防船撞等保護(hù)條件。1、項(xiàng)目概況人工島工程具有4個(gè)重要特點(diǎn)（1）工程所在水域?yàn)橹榻诤竭\(yùn)咽喉區(qū)段，是世界上水上交通最繁忙，通航環(huán)境最復(fù)雜的海域，且工程區(qū)穿越中華白海豚保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求很高。工程地點(diǎn)東莞港廣州港中山港深圳港1、項(xiàng)目概況人工島工程具有4個(gè)重要特點(diǎn)（2）外海軟土厚達(dá)40m，隧道人工島岸壁要提供4-5年施工期內(nèi)高保障度止水環(huán)境，外海筑島止水深基坑建設(shè)難度極高。（3）需要滿足120年的耐久性要求和高標(biāo)準(zhǔn)越浪要求（極端工況<0.015m3）。（4）東、西人工島是隧道工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其西小島必須盡早為隧道沉管提供對(duì)接條件，工期緊。1、項(xiàng)目概況波向水位（m）波浪重現(xiàn)期H1%(m)H13%(m)周期（s）1000年一遇高水位4.191000年6.184.5411.1300年高水位3.82300年6.074.3810.5200年高水位3.69200年5.894.2410.4100年高水位3.47100年5.473.9210.250年高水位3.2650年5.103.649.8設(shè)計(jì)高水位1.65100年5.383.9010.250年4.883.59.85年2.741.907.82年2.171.497.2設(shè)計(jì)低水位-0.78100年4.673.4110.25年2.521.767.82年1.961.357.2100年低水位-1.33100年4.603.3810.2200年低水位-1.38200年4.643.4210.4★波浪中科院南海所和華南理工于2007年4月-2008年3月在橋址偏東現(xiàn)場臨時(shí)觀測(cè)一年波浪玫瑰圖年最大波高2.58m，年最大有效波高1.43m，均出現(xiàn)在8月。1、項(xiàng)目概況★工程地質(zhì)：具有軟土厚、含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、滲透性差，土體不穩(wěn)定，沉降大等特點(diǎn)。圓筒落在三大層（粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾砂層）-37.0m～-47.0m，平均標(biāo)貫約為10擊1-2淤泥N<11-3淤泥質(zhì)粘土1～53-3粉質(zhì)粘土8～10.53-2粉質(zhì)粘土夾砂13中粗砂N>30厚約37~46m-8.0m～-10.0m1、項(xiàng)目概況針對(duì)以上工程特點(diǎn)，項(xiàng)目組進(jìn)行了為期一年的前期調(diào)研和方案設(shè)計(jì)，廣泛收集了國內(nèi)外技術(shù)資料和研究成果，在交通部、中交集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)和各工程局的大力支持下，攻克了筑島方案的6大難題：（1）鋼圓筒的穩(wěn)定計(jì)算理論（2）振沉技術(shù)及振沉工藝(不但提供足夠激振力而且要具備對(duì)不均勻土層糾偏能力)（3）鋼圓筒筒體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）可靠止水方案（5）120年使用壽命（6）鋼圓筒施工專項(xiàng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)形成了以插入式鋼圓筒形成島壁為核心和深井降水聯(lián)合堆載預(yù)壓軟基處理的技術(shù)方案1、項(xiàng)目概況2、人工島筑島方案介紹西人工島鋼圓筒布置平面圖東人工島鋼圓筒布置平面圖鋼圓筒沿人工島前沿線布置：西人工島61個(gè)鋼圓筒（西小島17個(gè)）東人工島59個(gè)鋼圓筒（1）基坑圍護(hù)：采用大型起重船將預(yù)制的鋼圓筒沿人工島振沉至不透水層，構(gòu)筑安全、可靠的隧道施工期止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速整島止水，人工島內(nèi)外兩側(cè)可以同步施工。鋼圓筒鋼圓筒2、人工島筑島方案介紹（2）島壁結(jié)構(gòu)：將永久的拋石斜坡堤和臨時(shí)鋼圓筒結(jié)構(gòu)相結(jié)合，海側(cè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用局部開挖換填+擠密砂樁復(fù)合地基。2、人工島筑島方案介紹（3）地基處理：利用整島止水條件，采用“局部開挖換填、插打塑料排水板、井點(diǎn)降水聯(lián)合堆載”的方案，實(shí)現(xiàn)了大超載比（1.4~2.1）預(yù)壓，加速固結(jié)，減少工后殘余沉降。2、人工島筑島方案介紹（1）整島基槽挖泥至-16.0m；（2）下沉鋼圓筒及副格倉；下沉最大深度為29.0m。（3）鋼圓筒直徑22.0m，壁厚16，筒頂標(biāo)高+3.5m，重約540t，圓筒之間凈距為2.0m，采用副格倉相連。-16.0m鋼圓筒鋼圓筒典型施工過程2、人工島筑島方案介紹（1）島外側(cè)需在施打擠密砂樁前回填2.0m碎石墊層。（2）圓筒內(nèi)回填、插板處理，井點(diǎn)降水預(yù)壓；-16.0m碎石墊層碎石墊層2、人工島筑島方案介紹（1）西小島合龍后，島內(nèi)回填砂至-5.0m，降水至-6.0m，插塑料排水板；（2）回填砂至+5.0m，降水至-16.0m；（3）滿載預(yù)壓120天；(西大島滿載預(yù)壓150天)（4）軟基處理期間，海側(cè)可同步施工擠密砂樁（置換率為25.6%）和護(hù)坡結(jié)構(gòu)；-16.0m中粗砂-5.0m+5.0m擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹（1）軟基處理結(jié)束后，基坑開挖至-5.0m；（2）施打隧道樁基結(jié)構(gòu)、簡易支護(hù)結(jié)構(gòu)；-16.0m-5.0m擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹（1）基坑開挖至-12.5m；（2）現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)；-16.0m現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹（1）回填，拔支護(hù)結(jié)構(gòu)樁，周轉(zhuǎn)使用；（2）回填，振沉密實(shí)中粗砂；-16.0m現(xiàn)澆隧道結(jié)構(gòu)擠密砂樁擠密砂樁2、人工島筑島方案介紹目錄人工島鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)（1）鋼圓筒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析（2）鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)（4）鋼圓筒結(jié)構(gòu)止水效果分析（5）耐久性設(shè)計(jì)（6）鋼圓筒振沉施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)1、鋼圓筒穩(wěn)定分析鋼圓筒穩(wěn)定分析采用日本的和插入式圓筒的施工工法同時(shí)采用3D巖土有限元軟件復(fù)核。對(duì)東、西人工島六種工況組合分析，結(jié)果表明位移、地基承載力安全系數(shù)、滑動(dòng)安全系數(shù)、剪切變形安全系數(shù)等都滿足要求。在此重點(diǎn)介紹三種工況。1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況一：島內(nèi)堆高至+5.0m，島內(nèi)、外水位+1.5m，島外原泥面標(biāo)高-16.0m，未進(jìn)行擠密砂樁處理。這種工況結(jié)構(gòu)體受力類似于10萬噸級(jí)碼頭。目前，現(xiàn)場施工已進(jìn)行至該工況狀態(tài)，監(jiān)測(cè)表明，結(jié)構(gòu)位移小于15，穩(wěn)定情況理想。（碼頭）回填中粗砂21.0m工況A示意圖+5.0m-16.0m1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況2：西小島島內(nèi)抽水至-14m，開挖隧道基坑至-12.5m，島外回填至-8m。是整個(gè)工程的控制工況，需承受高達(dá)17.0m靜水壓力，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為外海深基坑，較碼頭結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。計(jì)算結(jié)果表明：圓筒穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)位移可控。17.0m工況2示意圖-8.0m海側(cè)深基坑1、鋼圓筒穩(wěn)定分析工況3：隧道人工島護(hù)岸斷面完全形成，分別采用重現(xiàn)期為100年的高潮位及相應(yīng)設(shè)計(jì)波高和重現(xiàn)期為100年的低潮位及相應(yīng)設(shè)計(jì)波高對(duì)穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果滿足要求。（護(hù)岸）2.鋼圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）鋼圓筒頂部1.0m范圍內(nèi)，采用壁厚25的鋼板加強(qiáng)。（2）沿環(huán)向間隔100，焊接T型鋼作為縱向加強(qiáng)肋共36條。（3）在鋼圓筒下沉面以上，焊接橫向加強(qiáng)鋼板間距3.2m～3.5m。（4）鋼圓筒底部0.5m高范圍內(nèi)，采用25壁厚鋼板加強(qiáng)。為了滿足鋼圓筒振沉期間的強(qiáng)度要求，分別對(duì)鋼圓筒筒頂、筒底、橫向和縱向進(jìn)行了加強(qiáng)3、鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)鋼圓筒的振沉采用8臺(tái)大型600液壓振連動(dòng)振沉。主要項(xiàng)目單臺(tái)8臺(tái)激振力（）494839584功率()671.45371.2偏心矩（）2301840重量（t）23184根據(jù)西島和東島的地質(zhì)資料，選取最不利鉆孔的數(shù)據(jù)采用多種方法對(duì)液壓錘的激振力進(jìn)行了校核，各種計(jì)算方法激振力富裕系數(shù)均接近1.4，振幅4.34，振沉系統(tǒng)能力滿足要求?！锊捎秒娡?、液壓同步和機(jī)械同步實(shí)現(xiàn)8臺(tái)液壓振聯(lián)動(dòng)⑴電同步：通過電腦控制，確保8臺(tái)液壓振動(dòng)錘同步啟動(dòng)。⑵液壓同步：8臺(tái)液壓振動(dòng)錘的通過環(huán)形管路使液壓系統(tǒng)相互貫通，以保證確保8臺(tái)液壓振動(dòng)錘同步工作。⑶機(jī)械同步：同步軸通過雙馬達(dá)專利技術(shù)，做到無負(fù)荷、無功率損耗地達(dá)到振動(dòng)錘偏心塊在起動(dòng)前和結(jié)束后位于同步相位。3、鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)★糾偏措施：通過持力振沉控制下沉速度、左右勾升降（必要時(shí)反復(fù)上拔），來調(diào)整鋼圓筒的垂直度。（東人工島表層存在分布極不均勻的3~5的硬夾層，通過上述措施，鋼圓筒垂直度得到有效控制）33一航局研發(fā)打設(shè)精度管理系統(tǒng)原理：1、定位駁上安裝2臺(tái)接收機(jī)，獲得定位駁實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)；2、定位駁上2臺(tái)自動(dòng)跟蹤全站儀和振動(dòng)梁上4個(gè)反射棱鏡實(shí)時(shí)測(cè)量鋼圓筒的平面位置、高程、扭轉(zhuǎn)角；3、振動(dòng)梁上4個(gè)液位計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量鋼圓筒縱橫方向傾斜率。所有測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼圓筒打設(shè)的測(cè)量定位和精度管理。3、鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)3、鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)鋼圓筒振沉過程3、鋼圓筒結(jié)構(gòu)振沉分析及施工振沉技術(shù)5.157.259.112011年5月15號(hào)振沉第一個(gè)鋼圓筒，西島61個(gè)鋼圓筒于9月11號(hào)合攏（相當(dāng)于1450m岸線），歷時(shí)115天，平均一天振沉1~2個(gè)鋼圓筒，高峰期一天3個(gè)筒；東島于9月22號(hào)振第一個(gè)鋼圓筒，59個(gè)鋼圓筒合龍?jiān)诩??；訃o(hù)結(jié)構(gòu)止水設(shè)計(jì)周邊止水:基坑四周通過鋼圓筒、副格倉插入至不透水層，實(shí)現(xiàn)整島止水。5m底部止水：1）基槽挖泥至-16.0m，保留≥15m的淤泥質(zhì)土不透水層；2）塑料排水板不穿透粘土層，保持距離下臥砂層≥5m；鋼圓筒及副格倉的連接止水：副格倉端部焊接T型鎖口與鋼圓筒寬榫槽相連連接處填充止水材料，內(nèi)側(cè)采用高壓旋噴作為備用止水措施4、鋼圓筒結(jié)構(gòu)止水效果分析4、鋼圓筒結(jié)構(gòu)止水效果分析島內(nèi)插打塑料排水板島外施打擠密砂樁西小島基坑陸域形成：回填料為中粗砂，陸域形成回填及軟基處理堆載相結(jié)合，以不棄方、倒載平衡為原則，考慮原狀土預(yù)壓處理固結(jié)沉降以及回填砂自身的振沖密實(shí),需回填中粗砂約205萬m3。

基礎(chǔ)處理：人工島采用降水聯(lián)合堆載預(yù)壓的軟基處理方案。利用鋼圓筒形成封閉的止水體系，通過設(shè)置井點(diǎn)降水使回填中粗砂浮容重變?yōu)樘烊萑葜兀峁?.45~2.1的大超載比。陸上插打排水塑料板，作為排水通道，排水板頂標(biāo)高-15.0m，底標(biāo)高最大值-40.0m，排水板最長長度為25m。塑料排水板采用原生料D型板，板間距1.0m，正方形布置。西小島滿載預(yù)壓120天，西大島滿載預(yù)壓150天。5、陸域形成及地基處理插排水板+井點(diǎn)降水堆載預(yù)壓示意圖5、陸域形成及地基處理通過對(duì)液壓插板機(jī)的專項(xiàng)改造，已大量實(shí)施塑料排水板打設(shè)，打設(shè)深度35米，穿透回填砂層11米，每天施工500根以上。西小島現(xiàn)回填至+5.0m，通過12口降水井降水至-16.0m