變填海為圍海 ——「明日大嶼」造島方案的新路徑
《紫荊論壇》專稿/轉載請標明出處香港特區行政長官林鄭月娥發表的2018年施政報告和2020年施政報告，均提出了填海1,700公頃（17平方公里）造新城市的「明日大嶼願景」。特區政府的初步工程預算耗資高達6千多億港幣、耗時長達14年。高耗資和長耗時是該項計劃所面臨的兩個核心問題，造成這兩個問題的主要原因是傳統和現有的填海造島工程方案。填海造陸島方案必然需要和存在大量在海水面上進行的海水下施工，但是這種方式費用高、時間長，質量難以控制和保證。為此，必須改變和完善填海造陸島的設計程序和施工步驟，攻克「明日大嶼願景」面臨的兩個核心難題。建議採取圍海造陸島的新工程方案，實施圍海、抽水和固泥三個工程步驟。這套新方法的顯著優勢就是能大幅度地減少和取消在海水面上進行的水下施工工程，極大地降低工程造價和縮短施工時間，確保低價、快捷、環保、有效和保質地建成「明日大嶼願景」。岳中琦 I 香港大學土木工程系教授一、現有填海造島方案與問題自1842年開埠以來，香港在沿海岸線附近，將大量砂石填入海水來造陸，獲得了7,000公頃（70平方公里）的城市土地，包括維港兩岸、荃灣、沙田、屯門、大埔、將軍澳，以及位於大嶼山西北海岸的東涌和飛機場，這使得填海造陸造島成為香港傳統的、常用的和被廣泛接受的方案。簡單地講，所有這些填海造島工程方案，就是用大量土石體堆倒填入海水之中，把海水擠走，形成高於海平面5米到7米的陸地或島嶼，如圖1和圖2所示。主要工程有三項：一是在海水中建造海牆或海堤，二是在海水中處理厚層海泥軟土（或淤泥），三是在海水中填入固體砂石填料形成高於海平面的一片陸地。圖 1 ﹙ 2000 年填海建造將軍澳新市工程現場﹚圖 2 ﹙ 2016 年到 2020 年填海建造機場第三跑道工程現場﹚第一，在海水中建造海牆或海堤的方法與問題。海牆的作用有兩個：海牆前面需要擋住海水和抵抗破浪沖刷，海牆後面需要擋住和穩定提高原有海床高度的厚層填土。因此，海牆需要有堅固的地基和穩固的牆體本身結構。圖3是一種傳統的浚挖海泥軟土式海牆建造方法。它在浚挖海泥空間內部，再填入海底岩石填料，再放置重型混凝土石塊（圖4），形成前方抵擋海水、後方穩固填土的牆體。圖5是一種新型的非浚挖海泥軟土式海牆建造方法。它在海水內部原地處理加固海泥軟土，再放置重型混凝土石塊（圖4），形成前方抵擋海水、後方穩固填土的牆體。圖6是一種新型圓筒鋼板樁式的海牆。它將鋼板插入海水和海泥軟土和沖積砂土層中，再在其內部水中原地加固海泥軟土，之後再填入填料、排走海水，形成海牆內核。實踐表明，使用這些方法在海水中建造海牆或海堤，在海水中填放砂土填料過程中，存在牆或堤向外部海域大變形和滑坡事故的風險。這些海牆和海堤建設一般是不防止陸地地下水向海水流動與滲透的。第二，海泥軟土處理的方法與問題。現在所有的填海造島方法均需要在海面上對海水下海泥軟土進行處理。過去是用船來梳浚挖走海泥軟土，再用砂石土來填充被挖空間（圖3）。浚挖方式需要清除和運走海泥，在海水中產生懸浮顆粒，會降低附近水質及影響海洋生態，同時需要海上運輸傾倒海泥，增加碳排放，工程量大。近年來，香港社會的海洋環境保護意識增強，促使香港放棄了過去浚挖海泥軟土式填海方法，採用了不移除海床淤泥方法（即非浚挖海泥軟土式）填海造地方法（圖2、圖5、圖6）。特別地，大量使用了深層水泥拌合方法，減低對工程對附近水質及生態環境的影響。深層水泥拌合方法是以攪拌方式將工程船上的水泥注入海泥層。在攪拌時，船上三組攪拌杆會鑽入海泥層，於旋轉過程中，將水泥漿與鬆軟的海泥混合，加固海泥，成為堅硬的水泥泥土拌合複合柱。一支支水泥拌合柱在海床組合成了厚層水泥拌合土體海床，以承托在其上建造的海牆和鋪設的砂土填料。浚挖海泥軟土和非浚挖深層水泥拌合方法均存在造價高和時間長的問題。現在正在施工的造地130公頃（1.3平方公里）東涌新城市東部填海工程，需要處理440萬立方米海泥軟土。採用浚挖海泥軟土方法，需要浚挖這440萬立方米海泥和海上海泥運輸17,600船次傾倒。採用非浚挖深層水泥拌合方法，每1立方米海泥軟土需要150公斤水泥攪拌混合加固，可能需要66萬噸水泥，以每船可運480噸計算，需要海上水泥船運1,375船次。同時，需要高大海上施工裝備將水泥送到海床下海泥軟土中，與當地海泥軟土進行攪拌混合。因此，深層水泥海泥拌合加固方法，在海面上大面積使用的情況下，造價極高，施工時間長，同時海水下使用品質難以保證。第三，向水中填埋砂土的方法與問題。填海造島方案需要在加固處理海牆和海床淤泥的同時，在海牆或海堤後面的填海區域，向海水中填倒固體砂土，抬高填海區域地面的高程至海拔5.5米到7.0米以上。以海水深度10米計算，填埋100公頃（1立方公里）海域，所需要的砂土填料大約為1,600萬立方米。陸地土體和固體建築廢料一般都含有不少粘土和粉砂，這些細顆粒土體會漂浮在海水中污染海水，也會變成滲透性能低的飽水軟土軟泥，在外載荷作用下會發生長期大變形。這些廢料一般都不用於填埋深部海水海床之上。海砂、河砂或機製砂滲透性能好，沒有粘土等細顆粒，可用在深海水中填海，造成的海水污染和環境影響較小。東涌新城市東部填海工程所需的總固體填料可能有40%為機製砂、60%為建築廢料。海砂、河砂或機製砂需要從外地購買、船運到香港填海區域。近年來，每立方米砂石可能需要200元港幣。在2018年到2020年之間，海砂短缺可能是導致香港機場第三條跑道填海造地工程延遲的原因之一。因此，在海水中的填砂和填料工程量巨大，費用極高，時間很長，品質也難以得到完全保證。第四，其它重要問題。填海造島的大量工程幾乎同時同步地在海面上、海底下施工，是一次性大型投資工程。因此，第四項挑戰是填海區的監管和品質管理，這與陸地工程相比，需要投入更多的資源。第五項挑戰是填海造陸工程完成後的土地使用問題。這塊土地有厚度高達20米的填料土層，土層堆填過程缺乏加固處理，可能變得鬆散，含水量高，不是良好的地基土層，不能直接作為地基土，道路和地下管道鋪設等建築需要再加固。高層建築打樁需要穿過這層厚土，地下空間需要再挖掉這層厚土，且需要地下連續牆等水平向支撐，確保能夠安全開挖鬆土。這造成了城市建設費用的增加和時間的延長。同時，鬆散厚層土的滲透能力強，能夠導致地下管道變形斷裂、水管漏水、煤氣管道漏氣、污水管道漏水污染，土層上難以建造天然河流、溝渠和水庫水塘，廣大填海區域的天然降水也無法收集利用。 二、新型圍海造島方案與優勢如圖7所示，這套新圍海造島方案僅含有三個按照時間有序進行的工程步驟：圍海、抽水和固泥。這套新方法的根本優勢，就是能夠取消大量在海面上進行的海水內部和海床下部高價耗時的施工工程，從而大大減少或避免傳統填海造島方案存在的多種問題。因此，圍海造島方案能夠大幅度地降低工程造價、縮短工程時間、減少投資規模、便於監管和保證品質，既可以直接利用深度達20米的地下空間，減少相應的打樁長度，又能有效解決水管漏水、氣管漏氣等問題，更可建設河道和水塘收集天然雨水。第一步是在海上建造地下連續隔水海牆圍堰。根據海水深度和海底下土層條件，設計和建造位於水中和地下的不透水海牆或海堤的圍堰。圖1到圖6所示的海牆和海堤可滲透水，均需要再進行隔水處理。可採用組裝合成式（MiC），建造不透水、隔水的預製鋼筋混凝土板地下連續牆圍堰。圍堰僅僅需要隔水和抵擋海水壓力和沖力，不需要抵擋厚層填料土體。施加在圍堰上的作用力遠遠低於施加在圖1到圖5中海牆上的作用力。海水對海牆的總靜水壓力是海水深度平方的5倍，土體對海牆的水平對力可達到土體厚度平方的10倍。因此，8米深的海水對每米長的海牆總水平靜水壓力是320 KN（千牛頓）。按照8米深海水和填料海拔高度6米設計，14米厚的填料土對海牆的水平推力可達到1,960 KN（千牛頓）。因此，圍堰的建造成本和時間會大幅度減少。海牆圍堰是線性結構工程，所需鋼筋混凝土材料有限，更可分成多段施工，成倍縮短建造時間。香港具有這種隔水海牆的設計和施工實例與經驗。2016年，香港3.7公里長中環灣仔繞道和港珠澳大橋海隧人工島，使用了隔水的地下連續海牆，建設水下和地下隧道。這種隔水的鋼筋混凝土地下連續牆圍堰，還可以設計和建造成為公路、隧道等交通幹道和輸送管道。第二步是用水泵將圍牆內海水排出抽幹，直接裸露出海泥軟土海床，將海床變成新陸地地面。同時，可以將困在圍牆內部的各種海洋生物，完全無損地運送到外部海水中。這項工程的成本和時間均極其有限度，工程監管和品質易於控制。第三步是用各種陸地軟土地基處理方法將圍堰內部海泥軟土原位加固。圍堰內部大約有10米厚的海泥軟土層。陸地軟土地基加固處理方法有很多種，大面積施工造價低，施工時間可設計和控制。它們包括浚挖溝渠讓海泥天然排水固結、真空預壓、加載預壓、超載預壓、真空與堆載兩合預壓，以及深層水泥拌合等方法。主要工程任務是將海泥軟土中孔隙水排出土體，使得土體體積收縮固結、密度和抗壓強度增大，從而將海泥軟土改變為承載能力高、抗壓縮變形能力大的超固結、不滲透水的均質優質粘土層地基土。由於海牆圍堤內部陸地面積範圍大，這些海泥軟土的加固處理可以按照時間順序，分區分塊進行，工程監管和品質易於控制。與以上三項工程同步，進行圍堰內部的城市規劃建設，以及建築物、管道、公路、鐵路、湖泊、河道、排水系統、地下空間、填土提高地面高程工程等的設計，再按照時間先後，分區、分塊和分期的進行施工建造，可達到快捷、低價、安全、保質、環保地圍海造島和建設新城市。三、填海和圍海兩種造陸島方案的對比在上述兩節中，筆者對比了現有填海造島和新型圍海造陸島兩種方案的設計施工方法。對比內容包括：海牆圍堰、海水處理、海泥軟土處理、填砂填料、環保、建築樁基礎、道路等地基、地下空間的開發與利用，地下水氣管道、河溝水庫、雨水收集利用的設計和施工。現有填海造陸島方法都是在水中施工，工序多、工時長、造價高、相對環保、不易保證和檢驗施工質量，且沒有任何可利用的地下空間。相比而言，新型圍海造陸島方法主要工程都是在陸地進行，工序少、工時短、造價低、極其環保、容易保證和檢驗施工質量，且留有大量可利用的地下空間。2020年11月28日，特區政府表示，剛剛完成的東涌東填海段每平方米的造價是9千多港幣，填海130公頃總造價近120億港幣。由於交椅洲人工島填海的海域水位比東湧東填海的海域水位深，特區政府估算成本會增加到每平方米1.4萬港幣。按1,000公頃填海面積計算，填海費用將達到1,400億港幣，佔「明日大嶼願景」工程總造價的23%。以上「明日大嶼願景」工程預算造價，是按照現有的填海造島施工方案得出的。水上施工需要大型船舶等重型工具，費用極高，時間極長。因此，採用新型圍海造陸島方案，不需要大量在海面上、海水中處理加固海泥軟土（如深層水泥拌合海泥加固）的施工費用，不需要購買海砂或機製砂費用，不需要大量在海面上填倒砂料和填料施工費用，主要費用僅僅是大約25公里長的不透水海牆圍堰，因此可將1,400億填海造島費用大幅度降低到數百億。進一步地，「明日大嶼願景」工程初步預算中有2,700多億港幣用於公路幹道和鐵路建設。新型圍海海牆是一項線性工程，可以作為公路幹道和鐵路的一部分，更可減少工程費用。 四、新型圍海造島的可行性分析 首先，「明日大嶼願景」能夠使用新型圍海造陸島方法的一項重要因素是海水深度淺。這些規劃的填海海域的海水深度在0米到8米之間，海水對海牆總水平靜水壓力是320 kN/m（千牛頓/每米長度）。相對鋼筋混凝土板樁牆的抵擋能力，這一水平水壓力很小。海水深度淺大大降低了隔水地下連續牆圍堰的厚度和埋深等要求。香港積累了大量海浪作用數據和設計計算方法，能為工程施工提供支持。第二項重要因素是有利的地下土層。它們包括大約10米厚的海泥軟土層、大約5米到20米厚的砂土沖積土層，以及風化花崗岩。鋼筋混凝土地下連續圍堰牆，從海拔高度5.5米到牆底的總深度，大約在20米到30米之間。具體深度需要進一步設計和計算。同時，10米厚的海泥軟土層含有大量粘土。在加固固結後，它們的滲透力極低，是極好的隔水層，既可防止海水從海泥軟土滲透到圍堰內部，又可防止任何地表水、管道水和管道氣的滲漏。第三項重要因素是海水中建設隔水海牆圍堰方法。這裡簡單介紹一種組裝合成式（MiC）預製混凝土板地下連續牆圍堰方法。根據設計需要，在工廠預製長方體鋼筋混凝土板。板的垂向側面預留板與板之間的鋼筋接合連接方式。如圖8所示，用船上或高架上的起重機將每塊板吊起，再通過板的自重和板地射出的高壓細水流液化板底端土體，將板插入海底土體中，形成一塊板樁地下連續牆體。再在現場，用灌注混凝土漿的方法將相鄰兩塊板樁連接固合，形成隔水擋水擋土連續圍堰牆。第四項重要因素是圍堰牆結構的穩定性。地下連續圍堰牆的主要功能是隔水、擋海水和擋海浪。現有大量相關的計算和分析方法，可以確保圍堰牆的穩定。第五項重要因素是陸地海泥軟土加固的處理方法。現有不少快捷、低費、環保、安全和成熟的大面積加固處理海泥軟土的施工方法，可確保加固後的海泥粘土具備較高的地基土承載能力和極低滲透水能力。在其內部可以鋪設各種管道、道路和溝渠，在其上部可以堆填各種固體填料，以增加地面高程。第六項重要因素是香港自身足夠的固體填料物源。新型圍海造陸島所有填料工程將都在加固了的相對堅硬的粘土陸地上進行，香港陸地施工開挖的固體廢料物料都可以作為填料，按照所需步驟和時間程序，分步、分區和分片堆填和壓實，完全不需要再從境外購買海砂、河砂或機砂，節省大量費用，同時完全避免這幾年建造香港國際機場第三條跑道時曾因缺砂造成的困擾和延期。預製鋼筋混凝土長板樁牆所需要的砂石量是極其小量的。2007年以來，香港特區政府將大量建築開挖的風化土體，運送到位於香港西部170公里的廣東江門台山。據報道，平均每天用船運送3萬多噸，到2015年2月，就花費了40多億港幣，在當地填海造陸已經達到6平方公里。因此，《行政長官 2020 年施政報告》第103條指出，「吸納本港建築填料而避免了運往境外填海的環境問題。」第七項重要因素是未來城市建設的地下空間開發和利用。新型圍海造陸島方法不立即使用砂土，填埋原有被海水佔據的海床以上空間，因而給未來城市建設提供了高達16米可利用的、在設計填土標高海拔5.5米以下的地下空間。同時，固結了的均質海床粘土層較厚，且承載能力高、滲透水或氣能力極低，給河道、溝渠、管線和水塘建設提供了極好的地基基礎土體，可匯集和利用天然雨水，也方便處理城市生活污水。 五、小結和展望「明日大嶼願景」可以提供大面積方便規劃的新土地，是香港未來發展的希望。建議「明日大嶼願景」採用圍海造島的新方案，新方案可以攻克耗資高和耗時長這兩個核心問題。新型圍海造陸島方案僅有圍海、抽水和固泥三項工程，取消了大量在海水中固泥和填海等高價耗時施工，可確保低價、快捷、環保、有效和保質地實現「明日大嶼願景」。在海島城市園林立體設計中，可安排部分地區低於海水平面，主要市政和住宅區台面高於海平面5.5米。環形圍海牆堤高度大約10到15米，可建成直立城牆式，也可建成緩坡地式。圍牆頂部可建成公路和人行道路，打造成海中城市靚麗風景線和旅遊景點。連接香港島和大嶼山島的公路和鐵路可以與圍牆相連，成為交通通道，連接港島西部、迪士尼樂園、梅窩等地。2020年12月5日，香港特區政府立法會通過了「明日大嶼願景」項目前期研究5.5億港幣撥款，正式啟動對該項目研究。盼望特區政府繼續聆聽各方意見，着手研究新型圍海造陸島方案，讓「明日大嶼願景」早日實現。本文發表於《紫荊論壇》2021年3-4月號第56-62頁
