深厚软基上澳门机场护岸设计技术

叶上扬，刘术俭，顾宽海，张逸帆

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

在一些填海造地或者滨海景观大道等临海工程中，常常需要在深厚软土地基的临海或迎水侧新建护岸，一般常采用斜坡式护岸作为挡水挡土结构。此种护岸结构设计、施工简单，单项施工造价低，但同等规划尺度下该护岸形式占用水域陆域范围较大[1]，影响海洋水流流态，破坏海洋生态环境，而且护岸坡面容易受海水冲刷、侵蚀等造成护岸破坏。现实工程建设中往往受海域、河道水域以及陆域场地等限制，无法采用斜坡式护岸结构，为此需要研究能够适应深厚软土地质条件，且防渗止水能力强、节约空间、挡土高度高的挡墙结构。

在深厚软土地基的回填工程中新建护岸，结构变形控制、地基承载力和施工工艺选择往往是关键，目前国内外部分学者已经对软基上的护岸工程进行了一些研究[2-4]，而针对深厚软土地基同时受复杂环境条件限制下的护岸研究较少。因此结合结构变形控制、地基承载力和施工工艺深入、系统地开展相关设计技术研究是十分有意义的。

本文以澳门国际机场扩建工程为实例，针对深厚软土地质和复杂环境条件，限时、限高等机场特殊施工条件，开展护岸相关关键技术研究，提出了较好的解决方案，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

澳门国际机场扩建需要围填造陆，根据《澳门机场扩建方案水利研究报告》研究成果[5]，机场跑道人工岛西侧三角区水域围垦，将改变上、下水域的连通现状，可能会对周边水域的生态环境及机场西侧陆域排水等产生不利影响。为了实现机场南北两端水体交换，在靠近机场现有跑道处，布置一条贯穿机场填土区的排洪道。排洪道长1 250 m、宽80 m，走向与现状机场人工跑道平行布置，距离人工跑道直线距离220 m，排洪道两侧须新建护岸[6]。排洪道平面布置见图1。

澳门机场西侧现状水域水深在-6.0～0.0 m，工程地质软土层深厚，场区表土沉积物推断主要为海相沉积物及冲积土层，海相沉积层主要为淤泥，厚度12～22 m，主要呈流塑-软塑状，海相沉积层以下为冲积土层，厚度4.5～53.5 m，主要呈可塑-硬塑，土体物理参数取值见表1。

图1 排洪道平面布置(单位:m)

表1 土体物理参数

2 工程特点与难点分析

2.1 周边环境条件复杂

本工程在机场扩建回填区中部设置有永久排洪道，永久排洪道将整个回填区一分为二，其中排洪道东侧距离原有机场仅220 m左右，排洪道的北侧为机场北联络桥，南侧为机场南联络桥，机场周边相关设施包括陆域部分和海域部分，其陆域部分自北向南分别为北安码头、建筑废料堆填区、路环电厂及九澳港西侧码头等设施，海域部分包括周边水域的航道及锚地。

2.2 地质条件差

根据本工程地质勘察和地形测量资料显示，工程区域地质条件差，软土覆盖层深厚，上部土层主要为淤泥层，淤泥层厚度达12～22 m，淤泥土层含水量高，土体指标差。

2.3 场地施工限制条件多

根据民航局规定，跑道每周一、三、五在凌晨4:00—6:00停用，在跑道停用阶段，跑道以西300 m范围内可进行施工，其他时间不能进行任何施工活动；南北联络桥间正常水深在0～1 m，大型驳船不能驶入；跑道西部300 m范围内有高度限制，限制高度22 m。

2.4 防洪、机场等使用要求高

本工程排洪道具有实现机场南北两端水体交换、机场防洪以及机场场地护岸等多种功能,护岸结构的设计需要满足防洪、过流以及后方机场场地的使用要求，澳门机场防洪等级高、机场场地对护岸结构的使用要求高。

3 设计方案

3.1 结构选型

护岸结构选型须遵循以下原则：1)护岸结构须适应本工程区域水深较深、软土覆盖层深厚的地形地质条件；2)护岸结构形式应使回填海工程对周边水文环境的影响尽量小；3)护岸结构施工工艺尽量单一、简单，适应现场施工条件，方便材料、构件的运输；4)积极采用科技新成果，充分考虑新结构新技术可能带来的风险以及解决问题的方法；5)围堤结构选型应满足工程投资的经济合理性。

在回填工程中新建护岸常常采用斜坡式结构，为了保证堤岸的稳定，堤身总宽度较大。在本工程建设中，由于受海域以及陆域场地等限制，无法采用斜坡式护岸结构。本文根据工程区地形、地质、水文、波浪等自然条件以及后方陆域回填使用情况，提出4种适合深厚软土地质的直立式结构，依次为：前板桩后桩基的高桩承台结构形式、低桩扶壁式结构形式、斜顶板桩结构形式和拉锚板桩结构形式，见图2。

图2 结构形式断面(高程：m)

低桩扶壁式结构可靠性好、总体位移变形小、低桩基础地基承载力可以满足使用要求，适用于深厚软土地基，堤身高度适用范围为6～15 m。本工程受施工条件限制影响，扶壁结构采用现场浇筑，须大开挖形成干地施工条件，基坑开挖面大、回填土渗水量大，若做好止水，投资大、不合适。

斜顶板桩结构对软土地基适应性较强，施工工序较简单，施工速度较快，使用期位移较大。大管桩单排斜顶桩适用堤身高度不大于10 m，大管桩双排斜顶桩适用堤身高度10～15 m。本工程受施工限高影响，另外打桩船也无法进入该区域，施工不可行。

拉锚板桩结构技术方案成熟，并已在多处沿海接岸工程中得以应用，对软土地基适应性较强，但施工工序复杂，需与后方陆域回填的工序充分协调合理安排，施工工期较长，而且需要一定的拉锚空间，该结构适用于后方沉降控制要求不高的工程，堤身高度为8～15 m，本工程工期较紧，也不是最优选择。

前板桩后桩基的高桩承台结构具有适合于深厚软土地基、承载能力强、变形小、施工适应强等特点，适用于空间较狭窄的区域，可以使得围堤结构永久安全稳定。考虑到本工程限高、大型设备难以进场等情况，桩基可采用钻孔灌注桩，并可采用接高施工，可以满足建设要求。通过综合比较深厚软土适应性、地基承载力、整体变形、施工便利性、工程费用等因素，考虑采用前板桩后桩基的高桩承台结构。

3.2 结构方案

溢洪道护岸采用高桩承台板桩式结构，承台顶宽0.5 m，墙身厚0.5～0.8 m，墙顶高程8.30 m。底板宽10.0 m、厚1.0 m，前排桩采用φ1 000 mm灌注桩桩长25 m，间距1 150 mm。前排板桩后设置双排高压旋喷桩，施工期可以止水，使用期防止后方土体渗漏。并在前排密排灌注桩前设置混凝土挡板，防止在水流波浪的作用下后方土体渗漏，旋喷桩桩长22 m。后排桩采用φ1 200 mm灌注桩桩长25 m，间距1 500 mm。其结构断面见图3。

图3 排洪道护岸断面(高程：m；尺寸：mm)

4 结构计算

4.1 计算方法

高桩承台结构设计须进行稳定性和结构计算。稳定性验算可采用圆弧滑动法，结构计算主要方法有经典土压力计算法、竖向弹性地基梁法、连续介质有限元法等。竖向弹性地基梁法是将桩视为竖放于文克尔地基中的弹性地基梁，以地基系数法来计算板桩墙入土段的土抗力，考虑了入土段墙体的变形对土抗力分布的影响。针对大部分规范所推荐采用的m法，桩的挠曲线微分方程变为：

(1)

式中：E为桩材料弹性模量(kNm2)；I为桩的惯性矩(m4)；y为桩的水平变位(m)；x为桩的入土深度(m)；b0为桩的计算宽度(m)；m为地基反力系数随深度变化的比例系数(kNm4)。

m法微分方程可以采用幂级数法、有限差分法、有限元法等求出其数值解。工程中一般采用通用有限元软件进行求解，其设计过程如下：

1)按照构件尺寸进行实体建模。

2)对预制桩增加约束。桩基轴向刚性系数采用下列公式计算轴向刚性系数[7]：

(2)

C=TcQud

(3)

式中：K为桩的轴向刚性系数(kNm)；L0为桩在计算泥面以上长度(m)：Ep为桩材料的弹性模量(kPa)；Ap为桩身截面面积(m2)；C为桩入土部分单位变形所需轴力(kNm)；Tc为系数，宜取115～145；Qud为单桩垂直极限承载力标准值(kPa)。

桩宽度计算方法参见JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》附录P[8]。桩的水平地基抗力系数取值采用m法，刚度系数为：

K=m0b0h0Z

(4)

(5)

(6)

式中：K为桩的水平向地基抗力系数(kNm)；m0为考虑群桩系数的土体水平向抗力系数的比例系数(kNm4)；Z为弹簧距泥面深度(m)；h0为土体单元高度(m)；k为平行于水平力作用方向的桩间相互影响系数；kf为桩形换算系数，视水平力作用面而定，圆形截面取0.9，矩形截面取1.0；d为桩径；L1为平行于水平力作用方向的桩间净距离；h1为地面或局部冲刷线以下桩的计算埋入深度，取为3(d+1)；b2为系数，与平行于水平力作用方向的一排桩的桩数有关。

当水平荷载方向桩间距小于8倍桩径时，属于群桩基础，还需要考虑群桩折减率。

m0=ξm

(7)

(8)

式中：m为土体水平向抗力系数的比例系数(kNm4)；ξ为群桩折减率；SD为水平荷载方向距径比；u为沿水平荷载方向每排桩的桩数；v为垂直水平荷载方向每排桩的桩数。

3)对结构施加自重、后方均载、土重、水重、土压力、水压力，并计算结构内力。

4)按规范要求，对桩基础竖向、水平向承载力和裂缝宽度进行验算，对挡墙变形、应力以及裂缝宽度进行验算。

4.2 模型建立

机场溢洪道护岸墙前泥面线-0.7 m，后方填土高度8.0 m，护岸顶高程8.3 m。采用竖向弹性地基梁法，利用结构计算软件Auto Robot进行建模计算，模型沿河道方向取10 m作为研究对象。L形挡墙立板与底板采用板单元进行模拟，预制桩基采用梁单元模拟。对桩底施加竖向弹簧约束，对桩身施加水平向弹簧约束。前板桩后桩基高桩承台结构三维模型见图4。

图4 前板桩后桩基高桩承台结构三维模型

4.3 计算结果

在深厚软土地基的回填工程中新建护岸结构，结构的变形控制、地基承载力往往是设计的关键。桩基内力和结构变形计算结果可见表2。

表2 计算结果

根据内力计算结果验证结构配筋，挡墙的变形、承载力以及裂缝宽度以及桩基竖向承载力、水平承载力和裂缝宽度均满足规范和使用要求。

5 施工工艺

根据机场扩建最新规划要求，海泥回填区域在东西两方向须分别与机场人工岛、停机坪相接，南北侧与机场南北联络桥相邻，整个回填区域中部预留永久排洪道，排洪道接近机场人工岛，将整个回填区域分割成两块，西侧回填面积较大，东侧回填面积较小。

为了更好地实施海泥回填，降低中部排洪道对整体回填的影响，针对排洪道区域采用先填后挖的整体实施思路，一方面可使整个回填区作为一个整体进行实施，另一方面可为排洪道护岸工程创造内侧干地施工条件，降低回填工序对护岸岸壁结构的影响。同时，开挖出的回填料尚可用于后期工程的陆域回填。

南北联络桥间正常水深在0～1 m，大型驳船不能驶入，且涨水时水面离桥底只有1 m，海上通道仅可利用小船在联络桥底通过；其次，在限高区域，不能使用一般意义上的施工机械。考虑以上限制，对施工工艺、设备选型有巨大影响，因此本工程主要采用钻孔灌注桩和现浇挡墙施工工艺，减小了施工难度，从而适应本工程苛刻的施工限制条件。

6 结语

1)在深厚软土地基同时受复杂环境条件限制条件下的回填工程中新建护岸，现实工程建设中往往受海域、河道水域以及陆域场地等限制，结构变形控制、地基承载力和施工工艺选择往往是关键。

2)在综合考虑工程各种不利条件的情况下，本文提出了4种结构方案，并说明了每个方案的适用范围，不仅丰富了深厚软土地质条件的直立堤结构形式，使得直立堤结构形式更具有选择性。

3)本文提出的前板桩后桩基的高桩承台结构方案，能较好地解决深厚软土、环境复杂、限时、限高等机场特殊施工条件下的护岸变形控制、地基承载力和施工难题，可为类似工程提供借鉴。