填海的施工方法介绍

作者简介：容文豪，香港城市大学硕士研究生，高成结构顾问中心成员。

引言

深圳作为全国的一线城市，土地资源十分紧缺。由于地处沿海，填海造陆成了深圳一种满足土地发展需求的有效手段。在深圳开发的30多年里，填海的面积已超过70平方公里。如今的宝安机场，甚至我们高成结构办公场所所处的位置劲嘉科技大厦，曾经都是填海地块。这一期，我们来关心一下脚下的土地从何而来，作一次填海方法的简单介绍。

海底土层分布

各地海域的海底土层分布可能各有不同，但按工程用途分类可大致分为两类。在上面一层可统称为海相沉积土。该土层主要为丰富的粘土与淤泥，压缩性高，强度低，力学性能差。其下一层可统称为半沉积或沉积岩层，可以理解该层为完成固结的土层，压缩性低，力学性能较好，可作为建筑地基持力层。

完全挖掘回填法

海底面的沉积淤泥土由于压缩性高，直接填土在其上需要做大面积的软土地基处理已达到沉降要求。于是，最直接最原始的方法即是完全挖出表面的淤泥土，用透水性较小的沙石在要填海的区域周边围成海堤，最后向其中填入回填土，具体工序如图1。回填土种类可以依据当地条件因地制宜，最常见的是吹沙回填，当然也可以回填建筑开挖土。之后的工序需根据回填土的性质做好地基处理工作，加速土体固结沉降，已满足其作为建筑地基的要求。

图1 完全挖掘回填法

半挖掘回填法

早期的填海方法均采用上面的完全挖除法已求达到最大的经济效益，但该方法对海洋的生态环境有非常大的污染。其原因是淤泥土沉积着非常多的污染物，在开挖和抛弃淤泥的过程中，不可避免会对海底环境带来非常大的扰动，释放这些污染物质，严重影响周围生态环境，降低生物多样性。出于对生态环境的保护和可持续发展的观念，一种相对减低污染的方法被运用到工程中，如图2.

图2 半挖掘回填法

半挖掘回填法仅挖除回填海堤的部分，其余工序同完全挖掘法，但在回填土时需安装排水板对淤泥土进行软土基地处理。排水板的工作原理和工艺可参考图3，竖直插入土体中的即为排水板。可以简单地想象排水板为土体中仅透水的通道，当一片区域的排水板安装完成后，再在该区域施加预压荷载。这样，土体中的水就会通过排水板引导到一旁的水渠中，加速土体的沉降固结。

图3. 排水板的工作原理

采用排水板对软土地基处理的时间是所有工序中耗时最长的，对于工期紧的工程该方法并不是最优选项。且该方法虽然减少了淤泥土的挖掘量，但仍需挖掘海堤下方的淤泥土体并考虑淤泥土的弃置问题。于是，如何保持淤泥土不动而完成堆填海堤成了需要解决的方向。

沙石桩加固

在堆填海堤时，不挖出底下的淤泥土，而在淤泥土中安装沙石预压桩以提高淤泥土的承载力，其原理如图4。

图4. 沙石桩加固法

沙石桩的直径一般为1.2到2m，通过特殊的套管插入到淤泥土下，注入沙石材料形成沙石桩。大致步骤可参考图5。因为沙石材料的压缩性能低，在淤泥土层中加入沙石桩可以很好地控制淤泥土层的沉降，提高淤泥土层的承载力。同时，沙石材料的抗剪系数比淤泥土的高得多，在抗滑移稳定上又极大提高。

图5. 沙石桩施工步骤与器械

这种方法虽然完全不用挖出海底淤泥，也不需要对淤泥土层做软土地基处理。但仍有几项难点需要克服。首先，施工沙石桩需要特别的工作船（如图5），在造价上比普通的方法昂贵。而通常围海造陆的项目又多出于城市机场发展目的，在附近的海域会有工作高度限制。这种施工方法的工作船依据海底淤泥的深度不同，露出海面以上的套管一般也有30~40m，很可能不满足工作高度的限制要求。其次，在淤泥土中施工沙石桩会对淤泥土产生挤压，迫使淤泥土层上升。以20m厚的淤泥土层为例，沙石桩对淤泥土的置换率为70%，则海底平面会上升7~8m左右。海底面上升会影响海底生态，更重要的，它会影响附近海域的大型船只航行，减弱附近海域的航道功能。这对有大吞吐量码头的海域来说，是不能接受的。

深层水泥拌和法

为了减少沙石材料的开挖使用，同时降低海底平面上升的影响，一种用水泥拌和材料代替沙石材料形成桩的方法产生了。不同与沙石材料的完全置换，这种方法使用特殊的刀头伸入淤泥土层中，不断搅拌并注入水泥粘合材料，如图6。

图6. 深层水泥拌和刀头

拌和工艺很大地减小了淤泥土的空隙率，同时注入水泥粘合材料使土体更加密实，形成抗压和抗剪强度高的桩体。因为桩体的形成结合了淤泥土层中的土体，对周围土体的挤压减少，海底平面上升高度也极大减小。日本的横滨机场便是使用了这种方法施工，20m的淤泥土层厚度，水泥拌和桩的置换率为50%，但海底平面上升的高度仅为1.5m，很大的克服了海平面上升的缺点。但这项施工造价相比沙石桩更加昂贵，并且技术大多掌握在日本，韩国的企业手中。目前，香港机场第三跑道的填海工程就是使用了这种方法，由韩国的承建商负责施工。

围堰填海

不同于传统的堆填沙石形成海堤，这种施工方法使用钢板桩围成围堰并向内部填入沙石形成护提，如图7。

图7. 围堰

这种方式可以减少海堤堆填的沙石量，也方便后续的软土地基处理工作，通常圆形的围堰会连续设置围成需要填海的区域，再向内部回填土体（图8）。对于小范围的填海工程，如建设人工岛，这种方式大量减少了土方量，也同时保护了周围的海洋生态环境。我国的施工方在外的填海项目也多是使用这种方法。

图8. 围堰设置

虽然使用围堰填海方便快捷，但仍有难点需要克服。当填海深度较大时，钢板桩的抗弯强度较低，容易出现围堰整体滑移的情况，如图9。为克服这个缺点，通常施工围堰时，要做好围堰内土体的地基处理工作，并在向内部回填土时持续监测围堰是否有沉降和位移情况。我们身边的一个经典案例要说到港珠澳大桥，在香港的接线使用桥隧结合的方案，有东西两座人工岛用于桥梁段与隧道段的接口。 这座人工岛正是使用了围堰填海的施工方式，但在2014年开始，人工岛被测量出有不同层度的漂移，最多更是达到了7米。加之香港段施工的各种安全事故，这使得原本与2016年底通车的项目推迟到2017年底，造价更是超出了45%。

图9. 围堰滑移破坏

结语

相比于以前粗旷式的开挖方式，填海施工越来越关注到对海洋生态环境的保护。在多数的发达国家和地区，环境保护是工程项目的首要议题。回到我们深圳，用地资源的紧张使我们更多地向海上发展。但深圳海域拥有独特的湿地资源，如何保护生态是我们需要思考的一大问题。近期机场第3跑道填海工程的环评报告便有人提出了质疑，希望我们能在开拓的同时，依旧能看到人与自然的平衡和谐。

（声明：以上所有图片资料来源于网络）

“CCDI高成结构”