0 引言

　　近年来，我国的基础设施建造能力突飞猛进，为实现基础设施的互联互通，全国各地涌现出一批跨江跨海的世纪工程，如苏通大桥^[1]、杭州湾跨海大桥^[2]、港珠澳大桥^[3]等，此外琼州海峡跨海通道^[4]、渤海海峡跨海通道^[5]等超级工程也在规划论证阶段。过去建设者们通常采用桥梁结构实现跨江跨海，但伴随船舶大型化的发展趋势，主航道桥下净空越来越高，工程造价与桥梁抗风的要求也越来越高，单纯以桥梁形式跨越江海已不是最优方案。在此背景下，岛、隧、桥一体化建设方案吸引了更多关注，特别是港珠澳大桥的建成通车，建设者们成功战胜经验匮乏、深海环境、生态保护的多重考验，创造了多项世界纪录^[6,7]。

　　在岛、隧、桥一体化方案中，人工岛是连接桥梁、隧道的转换节点与关键工程。港珠澳大桥东、西人工岛创新性地采用大直径钢圆筒和钢板副格相结合的快速成岛施工工艺，其岛壁轮廓形成后在岛内吹填砂土形成陆域^[8,9,10]。上述成岛工艺对起重装备和施工水深有明确要求，深中通道东人工岛因航空限高和施工水浅等原因，岛壁结构只能采用常规抛石斜坡堤形式。

　　广深沿江高速公路横穿深中通道东人工岛，所以东人工岛施工的首要前提是保证既有沿江高速公路的桩基、墩台不出现较大变形或结构破坏。施工期，既有桥梁保护的主要措施有钢套管隔离法^[11]、钢筋混凝土护筒法^[12]、环形条石挡墙^[13]、桩锚-土钉复合支护^[14]等，但这些防护措施多用于陆上回填或开挖，水上施工桥墩保护措施研究尚浅。

　　综上所述，本文依托深中通道东人工岛工程从成岛施工、隧道施工、岛上建筑施工等角度对广深沿江高速公路桥墩保护措施进行深入研究，并结合施工外部环境论述各种保护措施的可行性以指导现场施工。

　　1 工程概况

　　深圳—中山跨江通道(简称“深中通道”)位于珠江三角洲核心地带，北距虎门大桥约30km，南距港珠澳大桥约38km，工程主线全长约24km，跨江段采用7 085m长隧道跨越机场支航道及矾石水道，隧道出口设置东、西人工岛，跨越伶仃航道采用主跨1 620m悬索桥，跨越横门东水道采用主跨580m斜拉桥(见图1)，其余采用非通航孔桥，设计时速100km，主体工程设计使用年限100年。

　　图1 深中通道东人工岛平面  

　　深中通道是我国继港珠澳大桥之后又一项集岛、隧、桥于一体的跨海超级工程。岛隧工程是本工程的关键性控制工程，东人工岛包括35万m²岛体、8万m²堰筑段围堰、480m堰筑段现浇主隧道、460m岛上现浇暗埋段、395m岛上现浇敞开段及堰筑段内和岛内共1 845m现浇匝道。

　　2 影响范围

　　根据平面布置方案，沿江高速公路主线位于东人工岛内部或接近岛壁结构的起止桩号为K74+000—K75+180，共41个墩台(36～76号)，全部采用灌注桩基础，桩径1.6～2.5m，桩长22.5～42.5m。受东人工岛施工影响，沿江高速公路的桩基、墩台可划分为3个区域:(1)36,37,70～76号桥墩主要受岛壁结构施工影响;(2)49,50,53,54,60,61号桥墩主要受主线及匝道隧道下穿沿江高速公路影响;(3)其他桥墩主要受陆域回填影响(见图2)。

　　图2 沿江高速公路桩基、墩台影响区域  

　　3 影响分析

　　根据地质勘察报告，沿江高速公路桥墩附近存在平均厚度8m、最大厚度15m的淤泥层，其强度和抵抗变形能力极低，开挖或回填时，地基土将产生大范围的塑性变形，引发较大沉降和侧向位移。土体的侧向位移会导致墩台、桩基产生附加弯矩和变形，可能造成桩基错动变位、承载力下降，严重时甚至造成桩基断裂破坏。

　　1)成岛施工桥墩围护桩施工时，沉桩的振动与挤土效应会影响结构桩基的应力分布;陆域回填时，地基土易发生侧向位移，桩基、墩台要承受附加弯矩和变形;地基处理时，堆载预压会导致淤泥层流动，振动压密也会扰动淤泥层土基。

　　2)隧道施工桥墩附近隧道开挖导致围护桩内外土压力差增大，隧道明挖基坑降水或积水强排导致围护桩内外水压力差变化过快，隧道施工基坑内支撑强度、刚度不足，隧道分段开挖垫层或底板浇筑不及时。这些因素都会导致结构桩基受力不均衡，承受过多水平力。

　　3)岛上建筑施工陆域形成后，岛上建筑施工时，机械车辆将频繁穿越沿江高速公路桥跨易发生车桥碰撞事故。

　　此外，东人工岛紧邻深圳国际机场，航空限高仅有35m;沿江高速公路桥孔最大净宽50m、最大净高17m，施工机械尺寸受限;东人工岛近岸处水深较浅，高潮位北侧岛体区域水深仅1.5m;这些因素也影响沿江高速公路既有结构保护的施工工艺及施工设备。

　　4 保护措施

　　4.1 桥墩围护桩设计与施工

　　36,37,70～76号桥墩围护采用直径1.5m、壁厚20mm锁口钢管桩，以减少岛壁结构形成后桥墩两侧土面高差影响;49,50,60,61号桥墩围护采用直径1.5m、壁厚20mm锁口钢管桩，以满足匝道隧道开挖需要;53,54号桥墩围护采用直径1.4m、壁厚30mm锁口钢管桩，以满足主线隧道开挖需要;其他桥墩围护采用OZ20A型钢板桩，以降低陆域回填的不均衡土压力。

　　因场地水深及净空不足，传统水上装备难以适应钢板桩、钢管桩打设，故研发水上施工浮箱平台，浮箱标准节9m×3m×1.5m，单箱承载力300k N，浮式平台四角点布设4根直径600mm定位桩，如图3所示，浮箱平台上铺设吊架走行轨道，振动锤采用ICE28RF型免共振锤，并采用屏风式沉桩工艺，最大限度地降低沉桩作业对桥墩结构的负面影响。

　　图3 钢板桩、钢管桩施工水上平台  

　　采用可拼装浮箱平台、轨道式吊架、免共振振动锤可满足水上桥下沉桩作业，施工流程如图4所示。

　　图4 桥墩围护桩施工流程  

　　4.2 岛壁结构优化设计

　　东人工岛岛壁主要采用抛石斜坡堤，即先开挖放坡后回填块石，但在沿江高速公路桥墩附近为避免开挖回填作业造成淤泥土的流动变形，岛壁土基先采用直径0.55m、间距1.0m×1.0m、置换率24%的双轴水泥搅拌桩加固，后铺设碎石垫层及回填块石。同时，在墩台、桩基影响区，采用直径0.8m、桩中心距0.75m、置换率89%的高压旋喷桩加固淤泥土，最大限度地限制淤泥层的横向位移。水泥搅拌桩应先施工沿江高速公路墩台侧后逐步向外推进，高压旋喷桩采用三重管法并于沿江高速公路墩台两侧对称施工，必要时需在墩台侧设置应力消散孔(见图5)。

　　图5 水泥搅拌桩、高压旋喷桩加固范围  

　　4.3 陆域回填工艺优化

　　东人工岛陆域分区回填(1区→2区→3区)，1区在距离沿江高速公路桥墩、承台东侧边线≥108.5m处设置双层钢板桩挡土隔堤。2区回填前，先在海床面铺设50cm砂被，采用泵砂船充砂，小型铺排船铺设。2区回填时，以桥面中心线为轴线依次回填轴线东、西两侧且优先回填承台侧。此外，2区自泥面至2.500m采用5m×5m浮排网格和泵砂船水上吹填，分层厚度控制在1.0m，自2.500m至设计高程采用推土机陆上摊铺，分层厚度控制在0.5m(见图6)。

　　图6 东人工岛陆域回填区域划分   

　　4.4 隧道开挖分级围护

　　以主线隧道下穿沿江高速公路53,54号桥墩为例，对围护结构进行优化设计与分级控制。一级措施:(1)基坑两侧回填砂卸载放坡;(2)钢管桩、灌注桩复合桩围护;(3)基坑底部旋喷桩加固;(4)围护结构与桥墩之间灌填混凝土。若一级措施不能满足施工监测要求，则启动二级措施:(1)基坑内支撑启动轴力补偿系统;(2)基坑两侧桥跨软土旋喷桩抽条加固;(3)基坑两侧桥跨围护结构型钢连接成整体。若二级措施不能满足施工监测要求，则启动三级措施:(1)设置应力消散孔维持水土压力平衡;(2)预埋袖阀管对桥墩变形处进行注浆(见图7)。

　　图7 隧道施工桥墩围护结构优化  

　　4.5 其他保护措施

　　施工前，对沿江高速公路36～76号桥墩安装防撞块，53,54号桥墩通航孔设置防撞墩及限高门架;施工时，沿江高速公路桥墩附近优先采用门式起重机避免净高超限;陆域形成后，53,54号桥墩应做好桥墩防撞保护(见图8)。

　　图8 其他桥墩保护措施  

　　5 结语

　　深中通道是连接深圳市和中山市的世界级超大“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，也是国家“十三五”规划的重大交通基础设施。其中，东人工岛紧邻深圳国际机场、下穿广深沿江高速公路、地处弱潮滩涂区，外部施工环境复杂，并且东人工岛施工的首要前提是保证沿江高速公路既有桩基、墩台结构安全。本文从成岛施工、隧道施工、岛上建筑施工3个方面论述不同施工过程对既有桥梁结构的影响机理，在此基础上，提出桥墩围护桩设计与施工方法、岛壁结构优化设计、陆域回填工艺优化、隧道开挖分级围护等保护措施，旨在控制淤泥土的沉降与横向位移、降低桩基与墩台承受的附加弯矩和水平应力。上述措施对类似工程的水上施工桥墩保护有重要的参考借鉴意义。