關于沉箱式燈樁基礎建設的可行性探討

◎ 李春林 陳義濤 吳才冠 海口航標處

關于沉箱式燈樁基礎建設的可行性探討

◎ 李春林 陳義濤 吳才冠 海口航標處

本文從現有燈樁基礎的局限性出發,探討沉箱式基礎在燈樁建設中的可行性，并驗算沉箱式基礎在極限自然狀況下的穩定性，對其施工方式提出一些設想。

燈樁 基礎 沉箱 抗滑 抗傾

1.引言

燈樁等助航標志的設計規范往往不涉及基礎建設方面，在實際建設中燈樁基礎主要借鑒土木、水工類的規范進行設計。現階段樁身和配套設備基本都從工廠訂做安裝，因此燈樁建設中基礎的施工才是最重要、最費時的。

2.現有燈樁基礎形式的局限性

燈樁基礎的主要結構形式有砼現澆基礎和鋼管樁基礎。砼現澆基礎耐久性好，不需要專業施工船舶，但需要架設模板，工期長，對地基承載力要求較高，施工受水位影響大，因此一般砼基礎大多建在島礁或水深較淺的暗礁上；鋼管樁基礎適用于水深較深、軟土層較厚的施工位置，相對于砼基礎而言耐久性、耐腐蝕性不夠好，施工難度較大，打樁往往需要專門的施工船舶，安裝相對復雜。

目前在清瀾港附近建設燈樁時遇到了這樣一個難題：該位置低潮位時水深仍然較深，不適合建砼基礎，但地基又是堅硬的礁巖，也不適合打鋼管樁，最后只能克服困難在深水中支立模板完成現澆砼基礎。在沿海各水域的燈樁建設中常會遇到類似的情況，為此需要一種新的工藝填補燈樁基礎建設的空缺。

圖1　 簡易砼沉箱和鋼沉箱燈樁基礎結構圖

3.沉箱式燈樁基礎的可行性

考慮到燈樁砼基礎的設計往往參照港工規范，那么是否可用沉箱結構來做燈樁基礎呢？碼頭使用的沉箱荷載較大，放置前需要對基床進行開挖、拋石、夯實、整平等工作；而燈樁砼基礎荷載較小，一般巖質地基都能滿足承載力要求，因此只要驗算沉箱式燈樁基礎在極端條件下的抗滑和抗傾穩定性達到合格即可。目前設想的兩種沉箱基礎分別為砼沉箱（適用深水）和鋼沉箱（適用淺水），為保證浮運穩定性，選擇圓形沉箱，砼沉箱尺寸根據文獻1及實際情況確定，為簡化工藝不做墻趾。大致結構圖如圖1所示：

由于沉箱式燈樁基礎主要針對低潮位仍被淹沒的位置，基礎尺寸要大于陸基設樁。為了計算最不利情況，根據我處在水中建砼基礎燈樁的幾種規格取值如下：砼基礎第一級直徑3.5m，高1.8m，第二級直徑2.5m高1m，燈樁基座保護層直徑1.5m高0.5m。鋼管燈樁樁身按8m高500mm直徑選用，該種燈樁樁身自重約為0.6噸，頂部有直徑1.2m的作業平臺，并配有1m高圍欄，作業平臺上有電池箱、硅片架、燈器等配套設備，樁身上裝有約5.5m帶圍欄的角鋼爬梯。為簡化計算，增加可靠性，砼部分視作高潮位時全淹沒，將作業平臺以上的受風投影面積視作1.2×1m的矩形，爬梯受風投影面積視作0.35×5.5m的矩形，則受力計算簡圖如圖2所示：

參照文獻3取極限海況風速60m/ s，表面海流2.57m/s，按文獻4、文獻2相關公式表格計算風荷載和水流力：

（1）水流力：

A=0.5×1.5+1×2.5+1.8×3.5=9.55m2，ρ=1.025t/m3，算得FW=21.45KN，水流力合力作用點根據文獻二13.0.4取水下1.1m處。

為便于后續力矩計算方便，風荷載投影面A按大小由上往下分3段計算，每段合力作用點取形心位置，算得Fk1=3.46KN，Fk2=13.46KN，Fk3=1.44KN。風力Fk=Fk1+Fk2+Fk3=18.36KN。

（3）抗滑、抗傾穩定性驗算可根據文獻1的公式計算。根據文獻砼沉箱與巖面摩擦系數f砼取0.6，鋼沉箱與巖面摩擦系數f鋼取0.4，鋼筋砼密度取2.4t/m3（為保守計算，鋼沉箱基礎完成后的密度也取2.4t/m3，即抗傾驗算與砼沉箱一樣）由于燈樁基礎孤立在水中沒有回填土壓力，計算式可簡化如下：

經驗算，沉箱式燈樁基礎可以滿足極限海況下的穩定性要求。

圖2　 燈樁受力計算簡圖

4.沉箱式燈樁基礎的施工工藝

沉箱式基礎對于地基的承載力和平整度要求比較高，但施工上較靈活。沉箱可以大批量在廠家預制，省掉架設第一級模板的時間，也不用專門等待每年最低潮位施工，節約時間。

（1）沉箱式燈樁基礎運輸方式。以圖1的尺寸為例，經計算得：砼沉箱自重13.48t，吃水深度1.36m；鋼沉箱自重2.3t,吃水深度0.24m。大多數繩斗挖泥船都可進行吊裝，海南周邊海域潮差一般在兩米左右，低潮淹沒的暗礁一般都可以趁潮浮運砼沉箱。鋼沉箱浮運難度更小，可以適用于水淺的暗礁。

（2）沉箱式燈樁基礎的地基處理。由于沉箱式基礎對于地基的平整度和承載力要求較高，對于水深足以通過施工船、挖泥船的位置，可以將抓斗換成夯錘整平夯實地基。對于水深較淺的位置，可以用漁船帶上相應設備，人工架設支架配合夯錘、卷揚機或沖擊鉆對地基整平夯實,完成地基處理后可通過浮運或吊放的方式將沉箱放置在擬建區域。施工船舶上應當配有水泥沙石和鋼筋籠等以便現場拌合混凝土澆筑，在施工船空間不夠的情況下，可以拖帶平板駁船，在駁船上放置施工機械和材料。

（3）沉箱填料及上部砼構件制作。沉箱運到指定位置后灌水沉放，隨后將綁扎好的鋼筋籠放入，拌合混凝土并澆筑。澆筑完成三天后，可以開始在第一級基礎上架設模板澆筑第二級基礎并安裝預埋件，待第二級強度滿足要求后安裝樁身并澆筑燈樁基座保護層。

（4）避雷方案

沉箱式燈樁無法直接將電荷導入地基，考慮到船舶防雷是將電荷通過船體導入海水，可以參照這種方式從燈樁基座上外接一根鋁條從沉箱外部將電荷導入海水。該構件可以在安裝基座預埋件時就布設。

5.沉箱式燈樁基礎不足之處

文中對于抗傾抗滑穩定性的驗算只是針對自然條件下的受力情況進行分析，在實際使用中，不可避免的會有船舶靠泊、撞擊的情況。沉箱式燈樁基礎沒有植筋，而且是孤立物不同于沉箱碼頭背后有回填土，很難抵擋大型船舶撞擊。目前我處用于巡檢的多是小船和漁船，可以先建一兩座沉箱式燈樁在實踐中觀察使用效果。為了吸收船舶撞擊能量，需要一些廢舊輪胎懸掛在沉箱基礎的吊環上，吊環上漆并作防銹處理。

6.結束語

沉箱基礎施工方式靈活多樣，在淺水區域建設燈樁使用該施工方案，將能夠起到加快施工進度，縮短工期，降低施工難度的作用。另外沉箱基礎可以批量預制，一次性建設多座燈樁，對于加快沿海水域助航設施建設有積極的意義。

[1]重力式碼頭設計與施工規范，JTS167-2-2009.

[2]港口工程荷載規范，JTS 144-1-2010 .

[3]極限海況下浮標運動及錨鏈受力估算，泉明，船舶力學.2003年7月.

[4]建筑結構荷載規范，GB5009-2012.

[5]公路橋涵設計手冊.