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原创
孙明
港口科技
2023-05-09 13:55
为加快推进上海港洋山港区建设，结合小洋山港口公共设施及资源综合利用区围填海工程，在分析工程所在区域的水文波浪、LNG管线保护、地基处理等情况的基础上，提出围填海工程设计方案。围堤采用底宽53 m冲灌袋装砂堤芯和200～1 000 kg抛石斜坡堤设计，可以有效保证安全稳定性，确保用海红线；结合近远期建设开发情况，适当缩减堤身尺寸，以减小地基压力。通过分析施工难点，在外侧抛石至+4.5 m、砂垫层铺设至+4.0 m后，采用陆上结合水上塑料排水板方法进行围堤地基固结，可有效节约施工工期。在施工中采用多块分层分区吹填的方法，与围堤袋装砂冲灌作业平行交替施工，从而提高吹填作业效率。通过加强施工船舶和车辆管理，落实承载力、水平位移监测和LNG管线保护等措施，多措并举推进围填海工程顺利完成。 上海港洋山港区经过多年的建设，已形成约13 km2陆域面积，港区集装箱吞吐量已超过2 000万TEU，为上海国际航运中心的发展提供了强有力的硬件基础保障。依托上海国际航运中心洋山港区的区位、政策和规模优势，建设小洋山北作业区、完善江海联运基础设施体系，是全面对接和落实“一带一路”和长江经济带国家战略的重要举措。在此背景下，实施小洋山北侧围填海工程，为港口建设和配套项目创造有利条件。 小洋山港口公共设施及资源综合利用区位于洋山港区北侧，围填海面积约261万m2。陆域形成设计吹填标高+5.3 m，围堤等级为4级，防浪标准为20年一遇。为满足生态修复要求，建设东西两侧水系子堰，保留自然岸线和保护湿地约12万m2。施工前工程场地见图1。
图1 施工前工程场地 2.1 设计难点分析 （1）根据相关资料分析结果，小洋山北部海域较开阔，缺少波浪掩护，易受到北侧开阔海域波浪的影响。其中，夏秋季为台风影响，冬季为寒潮影响，对外侧海堤结构安全存在影响。 （2）受LNG管线影响，需要采取必要的工程措施防止吹填料进入管线堤范围内，同时需保证管道下海口处的涌浪不会对管线堤及周边结构造成破坏。 （3）由于堤身断面宽度受用海红线制约，场地原生软土及新淤土性质差，可能存在不均匀沉降，为尽可能扩大成陆土地面积，需要控制堤身尺寸，对地基处理要求较高。 2.2 总平面布置 2.2.1 北围堤轴线布置 为保证工程不超出用海红线，考虑到新建围堤的沉降和已建北潜堤的推移，围堤在现有堤轴线和用海红线基础上向内侧偏移45 m，原口门段北围堤轴线在原用海红线基础上向内侧偏移66 m。工程总平面布置图见图2。
图2 工程总平面布置图 2.2.2 水系及子堰布置 在工程东西两侧山体70 m处设置口门，通过建设邻近山体的子堰，形成内部水系，保留自然岸线，使外海与围区水系连通。 2.2.3 防汛临时通道布置 在LNG管线堤两侧各设置1条4 m宽临时抢险通道，单条长度约894 m，将现有东海大道与北围堤连通，以满足防洪抢险需要。 2.2.4 管线堤子堰布置 在 LNG 管线堤两侧设置子堰，避免管线堤堤顶垂直和水平方向受荷，并对 LNG 管线堤下海段进行理坡灌砌，形成护面防止冲刷。 2.3 北围堤设计方案 2.3.1 结构选用 北围堤作为陆域形成北侧边界，结合项目地质环境条件，采用袋装砂斜坡堤形式，总长约2 472.9 m，其中，北潜堤加高部分总长2 050.9 m，口门部分新建围堤总长422.0 m。 2.3.2 主要功能 北围堤连接水系子堰和管线堤子堰，与子堰形成成陆边界，为后续成陆创造封闭水域条件，同时为后方陆域提供掩护。 2.3.3 建设标准 北潜堤加高后的建筑物等级为4级，防浪标准为25年一遇。 2.3.4 设计方案 北围堤区段1。考虑到在工程北侧区域将建设小洋山北作业区港口部分，将围堤的建筑物等级设计为4级，采用25年一遇的防浪标准，并设计采用底宽53 m的冲灌袋装砂堤芯和200～1 000 kg抛石斜坡堤形式。排水固结法是一种常用的地基处理方法，通过在地基内增设竖向排水体而增大地基的排水效率，从而提高地基土的强度。塑料排水板地基处理工艺较成熟，对周边环境影响小，可通过监测手段合理控制工后沉降。因此，堤基处理采用塑料排水板加固方案，铺设排水砂垫层至标高+4.0 m，陆上施打C型排水板。由于工程内侧原为促淤区，围区内泥面较高，此段围堤又在原有潜堤内侧，考虑到工程工期紧张，因此采用陆上插板施工工艺，降低潮位对施工的影响。 堤身采用冲灌袋装砂被，外坡斜坡处采用4 t扭王字块结构，下设块石垫层和片石垫层，再铺设1层无纺布。围堤外坡平台标高+2.1 m，宽21 m左右，内坡上部外露处采用干砌块石护面，下设级配碎石层再铺设1层反滤土工布。堤顶采用干砌块石路面，堤顶宽11.5 m，堤顶标高+7.0 m。北围堤加高段断面见图3。
图3 北围堤加高段断面 北围堤区段2。此处为新建围堤段，北侧没有浅堤，采用25年一遇的防浪标准。堤基处理同样采用排水板加固方案，水上施打C型排水板，排水板间距1 m。堤身采用冲灌袋装砂被，外坡斜坡处采用4 t扭王字块结构，下设块石垫层和片石垫层，再铺设1层无纺布，外坡平台标高+3.0 m，平台宽30 m左右。内坡上部外露处采用干砌块石护面，下设级配碎石层再铺设1层反滤土工布。堤顶采用干砌块石路面，堤顶宽11.5 m，堤顶标高+7.0 m。北围堤新建段断面见图4。
图4 北围堤新建段断面 2.4 陆域形成 2.4.1 成陆范围 工程位于大指头岛与薄刀嘴岛之间海域，北侧为规划小洋山北作业区，南侧为已形成陆域。工程北边界为新建北围堤，场地东西侧设置子堰，以子堰堤顶边线为界，形成陆域两侧边界。工程南侧由于与现有围堤相连，实际边界到已建围堤。 2.4.2 成陆高程 由于工程工期要求紧，需要限时完成围填海验收，为减少吹填工程量，陆域形成标高+5.3 m，陆域首先统一吹填至+5.0 m，上部采用30 cm山皮土石覆盖。 2.4.3 水系子堰 工程预留水系子堰形成亲水岸线，利用预留水域设置适航水道[3]、亲水岸线，为人类与海洋的互动提供了充分的活动空间。堤身采用斜坡堤形式，堤顶采用干砌块石路面，堤顶宽3~6 m，堤顶标高+7.0 m。水系子堰断面见图5。
图5 水系子堰断面 2.4.4 LNG管线堤子堰 由于上海LNG输气管道穿越工程范围，经过与LNG输气管道运营管理单位协商，在管线堤两侧建设袋装砂子堰，避免吹填工程对管道造成水平和垂直方向上的挤压。LNG管线堤子堰断面见图6。
图6 LNG管线堤子堰断面 3.1 施工工期紧 按照围填海项目处置要求，需要在1.5 a内完成围填海工程竣工验收，工期紧、要求高，因此采取以下应对措施： （1）在满足围填海验收标准和土地使用要求的前提下，降低陆域形成高程。 （2）采用围堤和吹填砂同步作业的方法，缩短总工期。 （3）增加施工作业面，根据围堤沉降和建设情况，调整吹砂作业线数量，采用分层分区的吹填方式，及时移动吹砂管，减少吹砂损失和二次平整的工作量。 （4）在外侧抛石至+4.5 m、砂垫层铺设至+4.0 m后，使用陆上塑料排水板全天候施工方法，再结合水上塑料板施工，提高排水固结效率。 3.2 施工期受寒潮和台风影响大 由于工程区域海面开阔，在施工过程中受到冬季寒潮和夏季台风的影响大，因此采取以下应对措施： （1）选择熟悉现场环境的施工作业单位，特别是在舟山或洋山地区有类似施工管理经验的单位。 （2）严格设置施工船舶准入标准，要求施工船舶必须获得海事部门审核和认可，船舶吨位、适航条件、应急装备等条件完全能够满足海区施工要求。 （3）与海事部门等主管单位建立畅通的沟通机制，特别是在寒潮、台风期间，做好施工船舶防风避风应急联系对接工作，确保信息畅通、执行快捷。 （4）对进场的所有施工船舶进行安全交底和教育，告知相关安全要求，严格做好现场施工船舶的跟踪和监管。 3.3 砂石料需求量和水上运输强度大 工程对吹填砂、山皮石需求量大，砂源地与施工地点之间的距离超过220 km，水上运输时间长，因此采取以下应对措施： （1）选择工程附近砂源地的砂石料，缩短水上运输距离，提高运输效率。 （2）组织多艘运砂船同步作业，确保现场吹砂作业不停工，提高吹砂效率。 （3）根据砂源地出砂量情况安排调度运砂船，根据卸砂施工进度统一安排卸砂。 （4）船舶调度中心严格控制船舶活动，做好航行、锚泊、卸砂、避风等调度安排。 （5）在施工过程中，建立船舶管理准入和退出机制，严格落实对施工船舶单位的奖惩制度。 3.4 工程的生态修复要求较高 由于工程涉及围填海历史遗留问题，按照要求需要满足生态修复要求，在工程东西两侧留出平均宽度50 m、能够与外海相连接的自然水系，并保留自然岸线，同时在海堤内侧建设绿化带，完成海洋生态空间的提升。主要采取以下应对措施： （1）严格按照相关批复方案进行设计，布置相应的水系湿地、子堰，满足岸线保护要求。 （2）科学安排工期，合理组织现场施工工序，有效协调好外部关系，及时做好与主管部门的沟通。 （3）做好增殖放流工作，委托专业单位根据放流季节，开展种苗培育、活体运输、检验检疫和现场放流工作。 3.5 需要保护上海LNG输气管道 由于上海LNG输气管道穿越工程区域，需要进行重点保护，因此采取以下应对措施： （1）由于在 LNG 管线堤子堰的外侧形成了一个宽度为20 m的狭窄区域，为了防止波浪集中对子堰造成破坏，在管线堤子堰前100 m处设置模袋混凝土护面。 （2）在设计阶段会同管线运营管理单位共同编制专项保护方案，并根据保护方案编制和补充完善相应的施工保护实施方案和应急处置方案。 （3）邀请行业内相关专家和管理单位进行评审和论证，确保专项保护方案的可行性，并结合专家意见细化和完善相关的保护措施、监测技术措施等。 （4）通过分析工程施工过程中可能存在的风险点，在总体施工安排上尽量避开LNG管线堤可能存在的各类风险点。 （5）在工程施工过程中，重点落实好各项管理和技术措施，制定应急预案，布设观测点，加强LNG管线沉降和挤压观测工作。 3.6 受东海大桥限制，陆路运输难度大 由于工程地处小洋山，进出陆路交通仅有东海大桥与上海市区相连，集装箱卡车通行量超过2万辆/d，部分材料需要通过陆路进入施工场地，陆路运输难度大。因此，采取以下应对措施： （1）合理安排陆路运输时间，根据码头作业特点，避开集卡进出港高峰。 （2）必须采用陆路运输的材料，利用大桥空闲时间集中运输。 （3）做好与交警、设施管理单位的协调工作，同时确保车况和驾驶员状态良好，避免道路交通事故的发生。 3.7 工程区域促淤时间长、淤泥厚度大 工程区域内淤泥平均厚度超过2 m，且含水量高、孔隙比大、压缩性高、力学强度低，施工速度不均匀容易导致堤身发生滑动或产生过大位移变形。为此，在施工过程中采取以下应对措施： （1）在满足海堤建设标准的前提下，结合区域的近远期建设开发情况，适当降低堤身高度，堤身按允许越浪设计，减少堤身自重。 （2）在吹填管线、吹填口下部及吹填口处新淤土面上设置1层20 m宽复合土工垫和1层10 m宽荆笆毛竹复合体，解决淤土上管线移位难、吹填口易形成淤泥包等问题。 （3）对围堰地基进行必要的施工观测，主要包括侧向位移、深层水平位移、沉降观测等，随时掌握地基的变形和稳定情况，以利于调整施工速率，保证工程施工质量。在围堤设置部分永久观测点，观测使用期围堤稳定情况。 （4）考虑到吹填砂工程量较大，虽然场地标高较以往类似工程有所降低，但仍会产生一定的沉降量，为保证陆域形成+5.3 m的标高，最终吹填高度将超过设计标高30~50 cm，以保证场地设计标高。 4.1 施工部署原则 在工程北围堤施工中采用斜坡堤施工工艺，施工进度和质量有保证，无须占用太多场地，同时后期维护方便，也有利于生态岸线的构建。为确保吹砂作业的顺利进行，在施工区域北侧布置7艘吹砂船，吹砂船锚位与LNG管线之间的距离大于200 m；北围堤整体施工顺序为由西向东施工；东西侧水系子堰施工顺序为由南向北施工；LNG管线保护堤施工顺序为由南向北施工；整体吹填施工顺序为由西南向东北施工；潜堤内侧生态覆绿随围堤内侧吹填进度由西向东施工。施工总平面布置图见图7。
图7 施工总平面布置图 4.2 施工阶段划分 4.2.1 一阶段施工部署 #1、#7吹砂船分别进行东西两侧水系子堰的砂被施工；#2吹砂船进行LNG管线堤两侧子堰施工；#5吹砂船自西向东进行北围堤砂被垫层施工；#1、#2吹砂船在子堰砂被施工完成后从北围堤西侧开始吹填砂和冲灌砂被施工；#3吹砂船从LNG管线东侧开始由西向东进行北围堤砂被施工，砂被垫层达到设计高程后立即开始陆上插板；#4、#6吹砂船从南部吹填施工区域开始进行吹砂施工；7#吹砂船完成东侧水系子堰砂被冲灌后，开始口门段砂被垫层冲灌施工。水系子堰冲灌砂施工现场见图8。
图8 水系子堰冲灌砂施工现场 4.2.2 二阶段施工部署 #1吹砂船完成西侧子堰砂被施工后进行吹填区吹填砂施工，对场地西部进行吹砂施工作业，总体吹填方向为由南向北；#2、#4吹砂船分别在场地西北部区域同步进行吹填砂施工；#3、#5吹砂船继续进行北围堤冲灌砂被施工；#6吹砂船继续进行陆域吹填施工，吹填整体方向为由南向北；#7吹砂船进行北围堤口门段冲灌砂被作业。在完成北围堤插板和冲灌砂被施工后，开始由西向东进行内外坡护面施工；在完成水系子堰砂被施工后由南向北进行内外坡施工。陆域吹填砂施工现场见图9。
图9 陆域吹填砂施工现场 4.2.3 三阶段施工部署 在本阶段由于工程区域基本形成封闭空间，计划投入8艘吹砂船进行吹填施工。#1吹砂船布置到#7吹砂船东侧，进行陆域吹填作业；#2吹砂船在工程区域西北部进行吹填作业；#3、#4、#5、#6吹砂船集中在工程区域北部进行吹填作业；#1、#7、#8吹砂船在工程区域东部和邻近口门段进行吹填作业。同时，对吹填已达到设计标高的区域进行山皮土回填；在北围堤结构施工完成后进行护面和挡浪墙结构施工；口门处按照设计封堵方案进行封堵施工；在水系入海口位置安排小型绞吸船进行挖泥施工。 小洋山北侧海域水文波浪条件比南侧差，受台风、寒潮影响大，这也是在洋山港区南侧先行建港的主要原因之一。在本工程围堤设计时选择洋山地区常用的袋装砂堤芯，并采用塑料排水板地基处理方式，对周边环境影响小；采用陆域吹填和围堤冲灌砂合理交叉作业的方式，可以提高作业效率，缩短施工周期。通过制定合理的工程设计方案，并采取有效的施工措施，确保小洋山北侧围填海工程顺利完成。小洋山北侧围填海工程完工后的航拍图见图10。
图10 小洋山北侧围填海工程完工后的航拍图 作者：孙明；上海同盛投资（集团）有限公司 |
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