箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的檢測程序和方法

孫百順 張勇（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所天津300456）

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的檢測程序和方法

孫百順 張勇（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所天津300456）

通過對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和作用機(jī)理的論述，結(jié)合箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的實(shí)踐，提出箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的檢測程序和方法，對于箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中的應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水運(yùn)工程檢測

0 引言

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由桶形基礎(chǔ)發(fā)展而來，桶形基礎(chǔ)作為一項(xiàng)技術(shù)來研究開始于20世紀(jì)50年代。桶形基礎(chǔ)最初應(yīng)用于系泊的負(fù)壓錨樁，在很多系泊系統(tǒng)中得到成功運(yùn)用。中國高等院校、設(shè)計(jì)單位等科技人員運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)等研究手段，利用桶形基礎(chǔ)作用機(jī)理并吸納鋼筋混凝土大直徑圓筒在港口工程中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，提出箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由2～4組鋼圓筒經(jīng)拼裝焊接頂板形成整體的鋼制箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，采用陸上加工制作過駁船運(yùn)或水中浮運(yùn)的方式運(yùn)到工程現(xiàn)場，運(yùn)用抽真空負(fù)壓下沉的方法沉入海底作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)使用。2003年10月由建設(shè)單位和施工單位將箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在天津港北大防波堤工程東外堤南端的延長線上進(jìn)行了首次試驗(yàn)，[1]獲得了部分工程經(jīng)驗(yàn)。在首次試驗(yàn)獲得成功的基礎(chǔ)上于2005年10月又進(jìn)行了典型施工，證實(shí)了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在工程中的成功應(yīng)用。此后，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在碼頭工程、人工島工程、海底管線防護(hù)工程中作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)使用都獲得了成功。[2-3]本文結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的檢測程序和方法進(jìn)行論述。

1 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就是由鋼板經(jīng)焊接形成的多組鋼圓筒，再經(jīng)拼裝焊接頂板形成整體，形狀如箱筒的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。因其多作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)使用，因此稱為箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。鋼圓筒是由鋼板經(jīng)拼裝卷板焊接形成的大直徑鋼結(jié)構(gòu)圓筒，多組鋼圓筒再經(jīng)拼裝組合焊接頂板形成整體，就成為一組鋼箱筒。為保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，一組鋼箱筒一般由4個(gè)鋼圓筒組成。

2 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作用機(jī)理

2.1 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由圓筒組成，無底有蓋，即沒有底板，只有頂板，且頂板為一整體與各圓筒焊接，將圓筒組成整體結(jié)構(gòu)；相鄰圓筒間外側(cè)焊接肋板并與頂板焊接成一體，圓筒與圓筒之間、圓筒與頂板之間都通過焊接相連，形成整體結(jié)構(gòu)。

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)無底有蓋，垂直吊放到水中靠自重下沉至一定深度后達(dá)到平衡，即結(jié)構(gòu)物重力等于浮力（筒壁產(chǎn)生的實(shí)浮力與筒內(nèi)氣體排開水體產(chǎn)生的氣浮力之和）。[4]鋼箱筒下水后就形成一個(gè)整體封閉結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓筒內(nèi)部及圓筒間形成獨(dú)立的封閉空腔。向封閉空腔內(nèi)抽氣，箱筒內(nèi)氣量減少，氣體壓強(qiáng)減小，在大氣壓的作用下箱筒就下沉，水面上筒體高度將減小，箱筒內(nèi)水面以下筒體的高度將增加，空腔內(nèi)封閉氣體壓強(qiáng)將增大，箱筒下沉一定深度后達(dá)到新的平衡；向封閉空腔內(nèi)充氣，情況相反。可以利用鋼箱筒氣浮體這一特點(diǎn)來控制其浮態(tài)，保證浮運(yùn)穩(wěn)定。

箱筒拖運(yùn)到施工現(xiàn)場就進(jìn)行就位下沉，打開箱筒各空腔抽真空閥門，開啟真空泵從箱筒內(nèi)向外抽水和抽氣，使箱筒內(nèi)壓力低于箱筒外壓力，即相對于箱筒外壓力而言箱筒內(nèi)為負(fù)壓，箱筒在自重和負(fù)壓共同作用下就開始下沉。箱筒頂板入水以后，受到水頭壓力，增加其下沉作用力。由于抽真空負(fù)壓的存在，箱筒內(nèi)土體孔隙水在負(fù)壓作用下自下向上流，使箱筒內(nèi)土體受到向上的滲透力，減少了筒端阻力和筒壁側(cè)摩阻力，負(fù)壓同時(shí)增大了下沉作用力使箱筒下沉比僅靠壓載變得容易。由于箱筒在工程中作為基礎(chǔ)使用，其上部有上部結(jié)構(gòu)，所以在施工中可以安放上部結(jié)構(gòu)作為壓載來增加其下沉作用力，即用抽真空負(fù)壓和壓載相結(jié)合的方法使鋼箱筒下沉到位。

2.2 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理

箱筒結(jié)構(gòu)下沉完成后，箱筒內(nèi)土體固結(jié)與箱筒共同作用起到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作用。箱筒頂板與土體有較大的接觸面，且箱筒側(cè)壁與土體相互作用產(chǎn)生側(cè)摩阻力，使箱筒能承受很大的豎向荷載。箱筒圓筒間外側(cè)焊接肋板使箱筒成為整體結(jié)構(gòu)，圓筒內(nèi)側(cè)和外側(cè)也分別焊有加強(qiáng)肋板，筒間肋板提高了箱筒的抗屈能力，同時(shí)，箱筒內(nèi)土體由于抽真空孔隙水減少加速固結(jié)，和箱筒外土體共同作用具有較大的抗傾作用。同時(shí)，由于箱筒下沉抽真空形成負(fù)壓還可以抵抗海水的上浮力作用，提高箱筒的抗拔力。

3 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用過程

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用需要經(jīng)過加工制作、氣密性檢驗(yàn)、浮運(yùn)/托運(yùn)、就位下沉、上部結(jié)構(gòu)安放等過程。

4 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)檢測程序和方法

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)加工制作及應(yīng)用過程需要進(jìn)行原材料（包括鋼板、焊材、涂裝材料）檢測、焊接檢測、結(jié)構(gòu)尺寸檢測、除銹檢測、涂裝檢測、氣密性檢測、抽氣系統(tǒng)檢測、浮運(yùn)系統(tǒng)檢測、就位位置檢測等過程，分別采用相應(yīng)的檢測方法。

4.1 原材料檢測

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由鋼板焊接而成的鋼結(jié)構(gòu)，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)原材料檢測包括鋼材檢測、焊接材料檢測和涂裝材料檢測。

4.1.1 鋼材檢測鋼材的品種、規(guī)格、性能應(yīng)符合現(xiàn)行國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢查方法為檢查質(zhì)量合格證明文件及檢測報(bào)告。

鋼板厚度及允許偏差應(yīng)符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。檢查數(shù)量為每一品種、規(guī)格的鋼板抽查5處；檢驗(yàn)方法為用游標(biāo)卡尺量測或超聲波測厚儀測試。

型鋼的規(guī)格尺寸及允許偏差符合其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求。檢查數(shù)量為每一品種、規(guī)格的型鋼抽查5處；檢驗(yàn)方法為用鋼尺和游標(biāo)卡尺量測。

鋼材的表面外觀質(zhì)量應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)鋼材的表面有銹蝕、麻點(diǎn)或劃痕等缺陷時(shí)，其深度不得大于該鋼材厚度負(fù)允許偏差值的1/2；鋼材表面的銹蝕等級應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 8923[5]規(guī)定的C級及C級以上；鋼材端邊或端口處不應(yīng)有分層、夾渣等缺陷。

鋼材的力學(xué)性能檢驗(yàn)主要為屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率、冷彎等項(xiàng)目。檢驗(yàn)數(shù)量為屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率、冷彎檢驗(yàn)項(xiàng)目取樣每批1個(gè)；取樣方法為在鋼板寬度1/4處切取拉伸、彎曲試件；檢驗(yàn)方法為抽取同批的鋼材加工成試件，進(jìn)行鋼材力學(xué)性能試驗(yàn)，按照《金屬拉伸實(shí)驗(yàn)方法》GB 228[6]和《金屬彎曲試驗(yàn)方法》GB 232[7]執(zhí)行。當(dāng)被檢驗(yàn)鋼材的屈服點(diǎn)或抗拉強(qiáng)度不滿足要求時(shí)，應(yīng)補(bǔ)充取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。補(bǔ)充試驗(yàn)應(yīng)將同類構(gòu)件同一規(guī)格的鋼材劃分為一批，每批抽樣3個(gè)。

4.1.2 焊接材料檢測焊接材料的品種、規(guī)格、性能應(yīng)符合國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查。檢驗(yàn)方法為檢查焊接材料的質(zhì)量合格證明文件及檢驗(yàn)報(bào)告。

焊條外觀不應(yīng)有藥皮脫落、焊芯生銹等缺陷，焊劑不應(yīng)受潮結(jié)塊。檢查數(shù)量為按量抽查1%，且不應(yīng)少于10包；檢驗(yàn)方法為觀察檢查。

4.1.3 涂裝材料檢測鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料、稀釋劑和固化劑等材料的品種、規(guī)格、性能等應(yīng)符合現(xiàn)行國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。防腐涂料的型號、名稱、顏色及有效期應(yīng)與其質(zhì)量證明文件相符。開啟后不應(yīng)存在結(jié)皮、結(jié)塊、凝膠等現(xiàn)象。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢驗(yàn)方法為檢查產(chǎn)品的質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)志及檢驗(yàn)報(bào)告。

4.2 焊接檢測

碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在焊縫冷卻到環(huán)境溫度、低合金結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在完成焊接24 h以后，進(jìn)行焊縫探傷檢驗(yàn)。

設(shè)計(jì)要求全焊透的一、二級焊縫應(yīng)采用超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)，超聲波探傷不能對缺陷做出判斷時(shí)，應(yīng)采用射線探傷，其內(nèi)部缺陷分級及探傷方法應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。檢查數(shù)量為每批同類構(gòu)件抽查10%，且不應(yīng)少于3件；被抽查的構(gòu)件中，每一類型焊縫按條數(shù)抽查5%，且不少于1條；每條檢查1處，總抽查數(shù)不應(yīng)少于10處。檢驗(yàn)方法為觀察檢查或使用放大鏡、焊縫量規(guī)和鋼尺檢查，當(dāng)存在疑義時(shí)，采用滲透或瓷粉探傷檢查。

4.3 尺寸檢測

鋼構(gòu)件加工尺寸偏差應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB 50205[8]規(guī)定。檢查數(shù)量為每個(gè)構(gòu)件檢查；檢查方法為用鋼尺量測；檢查內(nèi)容包括鋼圓筒直徑、高度，頂板長度、寬度及對角線長度。每個(gè)尺寸在構(gòu)件3個(gè)部位量測，取3處測試值的平均值作為該尺寸的代表值。

4.4 除銹檢測

鋼材表面不應(yīng)有焊渣、焊疤、灰塵、油污、水和毛刺。檢查數(shù)量為按構(gòu)件數(shù)抽查10%，且同類構(gòu)件不應(yīng)少于3件。檢查方法為用鏟刀檢查和用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 8923[5]規(guī)定的圖片對照觀察檢查。

4.5 防腐涂料涂裝檢查

鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料涂裝遍數(shù)、涂層厚度均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。檢查數(shù)量為按構(gòu)件數(shù)抽查10%，且同類構(gòu)件不應(yīng)少于3件。檢驗(yàn)方法為用干漆膜測厚儀檢查。每個(gè)構(gòu)件檢測5處，每處的數(shù)值為3個(gè)相距50mm測點(diǎn)涂層干漆膜厚度的平均值。

構(gòu)件表面不應(yīng)誤涂、漏涂，涂層不應(yīng)脫皮和返銹等。涂層應(yīng)均勻、無明顯皺皮、流墜、針眼和氣泡等。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢驗(yàn)方法為觀察檢查。

鋼結(jié)構(gòu)處在有腐蝕介質(zhì)環(huán)境或外露且設(shè)計(jì)有要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行涂層附著力測試，在檢測處范圍內(nèi)，當(dāng)涂層完整程度達(dá)到70%以上時(shí)，涂層附著力達(dá)到合格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。檢查數(shù)量為按構(gòu)件數(shù)抽查1%，且不應(yīng)少于3件，每件測3處。檢驗(yàn)方法為按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1720《漆膜附著力測定法》[9]執(zhí)行。

4.6 氣密性檢測

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是利用抽真空負(fù)壓下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)使用，抽真空負(fù)壓下沉的成功關(guān)鍵是保證鋼箱筒結(jié)構(gòu)的氣密性。若氣密性不好出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，鋼箱筒浮運(yùn)就不能保證安全，浮運(yùn)到現(xiàn)場也無法下沉到位，只能進(jìn)行補(bǔ)焊。在施工水域現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)焊存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在浮運(yùn)前必須進(jìn)行氣密性檢測。

氣密性檢測過程：鋼箱筒起吊下水后靠自重下沉，由于鋼箱筒有頂板，形成密封空腔，在浮力作用下，鋼箱筒就浮在水面。若鋼箱筒氣密性完好，在不進(jìn)行抽氣或充氣的情況下，鋼箱筒平穩(wěn)地浮在水面，吃水深度不變。若鋼箱筒發(fā)生傾覆，且吃水深度變大，說明鋼箱筒存在漏氣現(xiàn)象，應(yīng)查找漏氣之處并進(jìn)行檢測重新焊接。為了更好的進(jìn)行氣密性檢測，打開抽氣閥門通過抽氣管道從鋼箱筒封閉空腔內(nèi)抽出空氣，達(dá)到施工中抽真空的真空度，檢驗(yàn)鋼箱筒的氣密性。若氣密性完好，則可以進(jìn)行托運(yùn)；若存在漏氣現(xiàn)象，應(yīng)找出漏氣之處，將鋼箱筒起吊到陸地重新進(jìn)行焊接，經(jīng)X射線檢驗(yàn)符合規(guī)范要求后重新進(jìn)行氣密性檢測，氣密性檢驗(yàn)需要24 h，即保證24 h氣密性完好。氣密性檢測合格后進(jìn)行托運(yùn)的準(zhǔn)備。

氣密性檢測方法為吊放下水抽氣檢測；檢測數(shù)量為每個(gè)箱筒都檢測。

4.7 抽氣系統(tǒng)檢測

鋼箱筒抽氣系統(tǒng)包括抽氣管道、抽氣閥門和抽氣泵，抽氣管道的檢查主要是焊接檢查，保證焊接質(zhì)量完好，在抽真空中密封性完好。抽氣閥門檢測主要檢測閥門啟閉性能，即開啟關(guān)閉性能的完好性；抽氣泵的檢測主要為抽氣泵功能檢測，即抽氣達(dá)到的功能效果。

檢測方法為打開抽氣閥門和抽氣泵進(jìn)行檢測；檢測數(shù)量為每件都檢測。

4.8 托運(yùn)設(shè)施檢測

托運(yùn)設(shè)施包括托運(yùn)船舶、托纜、系筒纜繩。托運(yùn)船舶需符合海事局關(guān)于船舶航行要求的條件，托纜滿足托纜拉力的要求，系筒纜繩滿足拉力要求。

檢測方法為檢查船舶營運(yùn)證、纜繩拉力；檢測數(shù)量為逐項(xiàng)檢測。

4.9 箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就位位置檢測

箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)位置檢測包括平面位置和垂直度檢測。平面位置檢測主要是中心點(diǎn)和軸線位置檢測，檢測方法為采用GPS或全站儀進(jìn)行，通過對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)和軸線兩端點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測量來控制。根據(jù)《港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ 221-1998）[10]局部修訂規(guī)定，中心點(diǎn)允許偏差50mm。垂直度檢測采用經(jīng)緯儀或全站儀進(jìn)行，主要在結(jié)構(gòu)下沉過程中進(jìn)行控制，其允許偏差為1/250。相鄰箱筒齒槽錯(cuò)牙允許偏差30mm，筒頂高差允許偏差30mm，接縫寬度允許偏差30mm。

檢測數(shù)量為逐件進(jìn)行檢測。

5 結(jié)語

本文結(jié)合箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在水運(yùn)工程中應(yīng)用的實(shí)踐，對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理和應(yīng)用過程進(jìn)行了論述，提出了箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的檢測程序和方法，對箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用具有指導(dǎo)和借鑒意義。■

[1]彭增亮.箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮托航的穩(wěn)性計(jì)算[J].中國港灣建設(shè)，2007（1）：15-19.

[2]孫百順，田雙珠，張勇，等.箱筒型基礎(chǔ)在人工島工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2007（1）：80-83.

[3]王朝輝.箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在海底管線防護(hù)中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2007（2）：93-96.

[4]別社安，徐元錫，祝業(yè)浩，等.大圓筒結(jié)構(gòu)的充氣浮運(yùn)方法[J].港工技術(shù)，2001（2）：21-24.

[5]GB 8923，涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級[S].

[6]GB 228，金屬拉伸實(shí)驗(yàn)方法[S].

[7]GB 232，金屬彎曲試驗(yàn)方法[S].

[8]GB 50205，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[9]GB/T 1720，漆膜附著力測定法[S].

[10]JTJ 221-1998，《港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》局部修訂[S].

2011-03-09