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外海人工岛试验、监控与仿真分析技术
2020-12-28

一、项目简介

2010年开工建设的港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域,是连接香港、珠海、澳门的大型跨海通道工程,也是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程。它是中国交通建设史上技术最复杂、环保要求最高、建设要求及标准最高的工程之一。

大桥整体设计采用桥岛隧组合方案,总长约35km(其中香港界内约6km,由港建设),建设要求高,设计使用寿命120年。根据主体工程总体布置,隧道两端各设置长度为625 米的海中人工岛,均为桥隧转换人工岛。该类型人工岛在国内尚无先例,在国际上也仅有日本东京湾木更津人工岛、美国Chesapeak 湾人工岛、丹麦-瑞典厄勒海峡人工岛等极少数工程,所以说港珠澳大桥人工岛建设国内外可借鉴的经验少,建设难度非常大。

港珠澳大桥人工岛地处外海无遮掩海域,自然环境恶劣,施工工序复杂,任务重、困难大,有多个问题需要研究。比如人工岛地基分布着非常深厚的全新统海相沉积的淤泥、淤泥质粘土。在施工期,软土地基会产生较大的沉降,会影响到钢圆筒围护结构的安全以及桥隧的顺利对接,在使用期,过大的工后沉降会影响人工岛的运营,所以,对人工岛软基沉降量的准确预估是重点问题。人工岛岛壁、隧道地基大量采用了SCP、PHC桩以及高压旋喷桩不同复合地基形式来进行处理,几种处理形式对地基的处理效果如何,变形有何差异,尤其是隧道下几种地基方式能否达到顺利过渡,以及高置换率挤密砂桩复合地基的承载力、沉降特性等等,均是应进行研究的问题。因此,本课题针对人工岛工程中的关键问题开展研究,课题成果可直接应用于港珠澳大桥人工岛的设计、施工,为大型离岸深水建设工程提供了宝贵的技术资料和丰富经验,为我国大力开发外海,建设海上工程提供了有力技术支撑,具有巨大的经济效益和社会效益。

本项研究有利于提高我国外海工程建设技术水平,有利于增加中国企业在外海建设工程中的核心竟争力。

二、技术特点及创新点

1.技术特点

本课题针对人工岛建设过程中的重点和难点问题开展研究,研究范围涉及了高置换率挤密砂桩水下载荷试验,人工岛软基处理效果及人工岛成岛施工过程中围堰结构和地基安全评价。主要技术特点为:(1)提出适合水下挤密砂桩静载试验方法;(2)给出人工岛地基沉降、差异沉降和工后沉降数据;(3)提出适合外海人工岛地基监控方法;(4)确定钢围堰吊装、安放和打设方法。

2.创新点

本课题结合港珠澳大桥人工岛建设工程,针对人工岛软土地基沉降、复合地基承载力及变形、钢圆筒岛壁施工安全性等关键技术问题开展研究。经查新,国内外未见与本课题创新点相同的外海人工岛试验、监控与仿真分析技术的文献报道。本研究成果具有新颖性和实用性。成果的创新点包括:

(1)研发了一套水下挤密砂桩复合地基大型载荷试验系统,其承压板为边长为5.4 m的正方形,试验水深超过15m。提出了一套适用于外海深水、大载荷、持荷时间长的水下复合地基载荷试验方法。现场载荷试验给出了挤密砂桩复合地基的桩土应力比、承载力、变形模量等参数。

(2)采用数值分析方法,分析了港珠澳大桥人工岛钢圆筒施工过程的安全性,确定了钢圆筒振沉施工可行性,钢圆筒吊装、振沉等过程的受力和变形,为钢圆筒岛壁设计、施工方案的确定提供了技术支持。

(3)次在外海20m以下水深对人工岛挤密砂桩复合地基堆载预压期的沉降进行监测,提出了一套外海深水条件下现场沉降测试方法,采用长导线结合无线传输方式实现了远距离数据采集。

(4)建立了人工岛地基三维分析模型,通过与实测沉降数据拟合反分析的方法,确定土性参数,对人工岛施工期地基变形与沉降进行数值分析计算。提出了合理的钢圆筒岛壁结构人工岛沉降速率控制值和报警值。

(5)提出了一种根据复合地基深度范围内附加应力分布规律确定施加荷载,测定高压旋喷桩复合地基沉降的原位检测方法。

三、推广应用情况

本课题研究成果“挤密砂桩复合地基大型水下静载试验”试验装置以及测试技术适用于外海恶劣环境,已应用于港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道地基设计、施工中;“人工岛施工监测和检测技术”研究成果陆续应用于人工岛及岛隧过渡段地基处理工程中,仪器成活率高,已在整岛建设过程中提供了大量真实可靠的实测数据和参数;“人工岛岛壁结构施工仿真分析”研究成果经人工岛施工验证,应用效果良好。

同时以《外海人工岛试验、监控与仿真分析技术》为依托和延伸,本课题的研究成果即将应用于大连湾海底通道、深中通道等工程建设中。

四、效益分析

1.经济效益

本课题研发的挤密砂桩水下载荷试验经过实践证明,很好地解决了测试中存在的问题,试验装置以及测试技术抵御了测试期间恶劣的天气变化,为挤密砂桩设计提供了宝贵的试验数据。人工岛施工监测和检测分析技术测仪器成活率高,在整岛建设过程中提供了大量真实可靠的实测数据和参数。人工岛沉降控制与监测技术给出的工后沉降为后期运营提供可靠的参考依据。人工岛岛壁结构施工仿真分析为设计提供了可靠有效的数据支持,支撑了设计方案的经济合理。作为该课题成果的推广和延伸,中标了多项水运工程监测、检测项目,产值约4000余万元。

2.社会效益

本课题多项研究成果属于技术创新,填补和丰富了相关领域的技术空白,对促进外海工程建设技术的发展具有重要意义。研究获得的可靠数据、参数、技术和经验实用性强,直接应用于港珠澳大桥人工岛建设工程中,指导了港珠澳大桥人工岛的设计、施工,对保证港珠澳大桥跨海大桥的顺利通车,尽早实现粤港澳三地密切的往来和经济的发展发挥积极作用。相关的研究成果为大型离岸深水建设工程提供了宝贵的技术资料和丰富经验,具有广阔的推广应用价值,对推动我国水工行业的发展具有很大的促进作用。

五、评审(鉴定)、专利和获奖情况

    该项目2015年7月通过中国水运建设行业协会鉴定(中水协科鉴字[2015]第39号),研究成果总体达到国际先进水平。

2015年荣获中交集团科学技术进步奖二等奖。