江陰港區(qū)6#、7#泊位基床設(shè)計要點(diǎn)

■王 赟

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

1 工程概況

本工程位于江陰港區(qū)規(guī)劃的6#、7#泊位，地處福建省興化灣中部北岸的福清江陰島壁頭角海域。本工程的建設(shè)規(guī)模：建設(shè)2個5萬噸級集裝箱碼頭泊位（碼頭水工結(jié)構(gòu)按靠泊20萬噸級集裝箱船舶設(shè)計）以及相應(yīng)配套設(shè)施，設(shè)計年通過能力為80萬標(biāo)準(zhǔn)箱。碼頭采用大型重力式沉箱結(jié)構(gòu)，單個沉箱重2716噸。

本工程于2007年動工基槽已基本開挖完成，K0+000～K0+260段基床已拋填，由于各種原因本工程于2011年停工。2015年建設(shè)單位重新啟動該項(xiàng)目，建設(shè)單位委托我單位在已建成部分工程基礎(chǔ)上重新進(jìn)行施工圖設(shè)計。

2 基床設(shè)計要點(diǎn)

本工程基床設(shè)計要點(diǎn)在于：（1）已開挖基槽及已拋填的基床回淤嚴(yán)重，如何確定回淤物的工程量。為確保回淤物工程量計算準(zhǔn)確，對已開挖基槽及已拋填的基床進(jìn)行補(bǔ)充勘察和測量。（2）對基槽及已拋填拋石基床表面的回淤物進(jìn)行清除且不應(yīng)破壞已拋填的拋石基床，回淤物清除需徹底以防出現(xiàn)夾層影響基床穩(wěn)定。（3）合理確定錘夯與爆夯的分界，滿足5#泊位安全的前提下盡可能采用質(zhì)量好、造價低、工期短的爆夯法。

2.1 現(xiàn)有清淤方法

根據(jù)補(bǔ)充勘察及測量資料顯示，基槽回淤最大達(dá)7.6m、拋石基床回淤最大達(dá)6m。基槽及拋石基床的清淤一般采用泥漿泵進(jìn)行清淤，但泥漿泵清淤效率較低（廈門港海滄港區(qū)21#泊位工程用2臺抽泥泵清淤，7天清理出10m斷面范圍）難以滿足本工程的工期要求；清淤也可采用專業(yè)的清淤船舶進(jìn)行如絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船，但專業(yè)船舶費(fèi)用較高且已拋填拋石基床表面淤泥清理時拋石會對絞刀或耙頭產(chǎn)生破壞；抓斗挖泥船可清除較厚的回淤物，由于抓斗結(jié)構(gòu)限制清淤會有殘留，為確保拋石基床的抗滑穩(wěn)定需將拋石基床的回淤物清除干凈，殘留回淤物需用其他方法清除。

通過分析工程現(xiàn)狀，比較各種清淤方案后，本工程基床清淤擬采用抓斗挖泥船清除大部分回淤物后采用氣舉反循環(huán)工藝對基床拋石頂面殘留的淤泥進(jìn)行清除。具體施工順序如下：（1）采用6m3抓斗挖泥船先對前沿拋石基床邊坡進(jìn)行開挖。（2）再對拋石基床拋石后側(cè)邊坡進(jìn)行開挖。（3）對基床頂面的淤泥進(jìn)行初步清理。（4）使用氣舉反循環(huán)工藝對基床拋石表面殘留的淤泥進(jìn)行清除。

圖1 基床斷面施工示意圖

2.2 氣舉反循環(huán)原理

氣舉反循環(huán)是我國20世紀(jì)90年代引進(jìn)推廣的新技術(shù)，主要應(yīng)用于成孔鉆進(jìn)和樁基清孔。氣舉反循環(huán)原理：高壓氣體噴出風(fēng)管后攪動淤泥與海水混合形成泥漿，高壓氣體與泥漿混合，分散在導(dǎo)管內(nèi)形成許多氣泡，這些氣泡受到泥漿向上的浮力并帶動泥漿向上運(yùn)動，并且在上升過程中壓力降低，體積增大。因此在氣液混合段下方形成負(fù)壓，由該段下部的泥漿不斷補(bǔ)充，回淤的淤泥在泥漿運(yùn)動的帶動下進(jìn)入導(dǎo)管，隨泥漿排出孔外，形成一個連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)動過程。

圖2 氣舉反循環(huán)清淤示意圖

2.2.1 施工機(jī)械設(shè)備參數(shù)驗(yàn)算

如氣舉反循環(huán)原理清淤示意圖所示，則作用于風(fēng)管底部液面上內(nèi)外液體柱壓力差可按下式計算：

ΔP=ρw×h1-ρn(h1+h2)=(ρw-ρn)h1-ρn×h2

式中,ΔP——內(nèi)外液體柱壓力差（kPa）；

ρw——導(dǎo)管外海水與淤泥混合密度（kg/m3），取1.1×103kg/m3；

ρn——導(dǎo)管內(nèi)氣液混合物密度，取0.9×103kg/m3；

h1——導(dǎo)管底部到海面的深度（m），平均低潮位為1.46m取h1=19m；

h2——海面到導(dǎo)管內(nèi)泥漿頂面高度差（m），取2m。

經(jīng)計算可得ΔP=2kPa＞0，可產(chǎn)生氣舉反循環(huán)。

正是這個壓力差，驅(qū)動導(dǎo)管內(nèi)風(fēng)管底口以上的水、空氣、泥沙混合物沿導(dǎo)管上升，并克服循環(huán)過程中的各種阻力，形成反循環(huán)?？紤]到供氣管道的壓力損失，故空氣壓力可按下式計算：

P=ρn×h1/102+Ps

式中，P——反循環(huán)所需空氣壓力（MPa）；

ρn——導(dǎo)管內(nèi)氣液混合物密度，取0.9×103kg/m3；

h1——導(dǎo)管底部到海面的深度（m），取19m；

Ps——供氣管道壓力損失，一般取0.05～0.1MPa，取Ps=0.1MPa。

經(jīng)計算可得P=0.27MPa，本次施工所使用的螺桿空氣壓縮機(jī)其額定排氣壓力：2.41MPa＞0.27MPa，可滿足本工程氣舉反循環(huán)工藝清淤施工的要求。

2.2.2 清淤效果

施工過程中氣舉反循環(huán)排出的水、空氣、泥沙混合物接入泥駁，通過在泥駁船上觀察導(dǎo)管出水口的抽出的水質(zhì)情況，來判定是否將該點(diǎn)淤泥清除干凈。經(jīng)過試驗(yàn)段K0+000～K0+035施工總結(jié)，每點(diǎn)抽吸時間約為3min，水質(zhì)顏色由原來的渾濁變?yōu)榕c海水顏色一致，該區(qū)域的拋石基床表層殘留的淤泥清除干凈，每個斷面清淤完成后，利用水砣和潛水員配合來檢驗(yàn)清淤的質(zhì)量，通過水砣可明顯感覺到敲擊到塊石，試驗(yàn)段清淤后經(jīng)潛水員探摸已無泥沙殘留，清淤效果良好。

2.2.3 清淤注意事項(xiàng)

根據(jù)試驗(yàn)段的清淤效果和現(xiàn)場實(shí)際情況，清淤施工過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）注意移管和移船的距離，移管的間距需控制在1m以內(nèi)，移船時必須保證2m的搭接寬度，保證不存在漏清區(qū)域。

（2）每點(diǎn)作業(yè)時，當(dāng)出水口水質(zhì)清澈后，應(yīng)繼續(xù)保持作業(yè)1min，確保每點(diǎn)的淤泥都能徹底清除干凈。

（3）拋石基床清淤完成后應(yīng)及時將基床拋填至設(shè)計標(biāo)高，防止拋石基床再度回淤。

2.3 爆夯與錘夯分界

本工程相鄰的5#泊位在生產(chǎn)運(yùn)營，基床夯實(shí)施工會對5#泊位產(chǎn)生一定影響，設(shè)計時考慮采用錘夯和爆夯相結(jié)合的方法進(jìn)行基床密實(shí)。爆夯工藝與錘夯工藝比較，爆夯工藝具有基床密實(shí)度好、施工質(zhì)量有保證、造價低、工期短等優(yōu)點(diǎn)，在滿足安全的前提下盡可能使用爆夯工藝。

根據(jù)《水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范》（JTS204-2008），水下爆破夯實(shí)單包藥量可按下式計算：

Q=q0abHη/n

式中，q0——爆破夯實(shí)單耗，指爆破壓縮單位體積拋石體所需的藥量（kg/m3），取 4.0～5.5kg/m3，取 5kg/m3；

a——藥包間距（m），取3m；

b——藥包排距（m），取3m；

H——爆破夯實(shí)前石層的平均厚度（m），取5.5m；

ΔH——爆破夯實(shí)后石層頂面的平均沉降量（m）；

η——夯實(shí)率（%），η=ΔH/H×100%，設(shè)計夯沉率取15%；

n——為爆夯遍數(shù)，取3遍。

經(jīng)計算Q=12.4kg。

爆破振動安全允許距離可按下式計算：

R=（K/V）1/aQ1/3

式中，K——與爆破點(diǎn)值計算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，堅(jiān)硬巖石K取值為50～150，取120；

V——保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)振動安全允許速度（cm/s），重力式碼頭允許安全振速為 5～8cm/s，取 6.5cm/s；

Q——炸藥量（kg），齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，考慮采用延時爆破，取120kg；

a——衰減指數(shù)，1.3～1.5，取1.4。

經(jīng)計算R=39.6m，設(shè)計中6#泊位與5#泊位延伸段相接的50米段拋石基床采用錘夯法夯實(shí)，其余段拋石基床采用爆夯法夯實(shí)可滿足爆破振動安全允許距離。

設(shè)計時以6#泊位基床為研究對象進(jìn)行造價測算，碼頭基床錘夯單價為29.95元/m2。爆夯與5#泊位延伸段安全距離不同時所采用的爆夯施工方法不一樣，當(dāng)距離近時采用小藥量多遍爆夯法，當(dāng)距離遠(yuǎn)時采用大藥量單遍爆夯法，各種安全距離下爆夯單價如表1所示：

表1 爆夯單價

根據(jù)測算單價，對不同的安全距離6#泊位基床密實(shí)的造價進(jìn)行估算，結(jié)果如表2所示：

表2 估算結(jié)果

估算結(jié)果表明，6#泊位基床爆夯與5#泊位延伸段的安全距離在60m時基床密實(shí)造價最低。

根據(jù)調(diào)研，采用爆夯和錘夯法處理相同工程量的基床時，錘夯法所需的工期約為爆夯法所需工期的2.2倍，但在安全距離小時爆夯法所需工期較錘夯法長。安全距離為50m時基床密實(shí)造價相對較低、工期滿足要求、施工對5#泊位運(yùn)營影響小、施工較易。綜合工期、造價、工程質(zhì)量、施工難度等因素，本工程設(shè)計時爆夯與錘夯分界取距5#泊位延伸段50m是合理的。

3 結(jié)語

本文對已拋填基床回淤物的清除方法進(jìn)行研究，采用了氣舉反循環(huán)工法進(jìn)行清淤，該工法主要應(yīng)用于成孔鉆進(jìn)和樁基清孔，在我省水運(yùn)工程中清淤應(yīng)用尚屬首例，氣舉反循環(huán)工法具有清淤效果好、效率高、費(fèi)用低、設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，在今后基槽及基床清淤中可作為新工法推廣應(yīng)用。

本文對拋石基床爆夯與錘夯分界進(jìn)行了研究，影響分界的因素較多，如結(jié)構(gòu)安全、工期、造價、工程質(zhì)量、施工難度等，針對不同工程應(yīng)具體分析各影響因素，合理選擇爆夯與錘夯分界。爆夯法具有基床密實(shí)度好、施工質(zhì)量有保證、造價低、工期短等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)各影響因素均滿足要求時，盡可能采用爆夯法密實(shí)基床。

[1]JTS165-2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2014.[2]JTS167-2-2009，重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]JTS204-2008，水運(yùn)工程爆破技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4]興化灣（全灣）數(shù)值模擬波浪數(shù)學(xué)模型研究報告[R].天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

[5]福州港江陰港區(qū)6#、7#泊位工程施工圖[R].福建：福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，2015.