簡述重力式碼頭沉箱后方回填優化設計

谷告柏，李強強，樊亮亮

（1.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；2.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

重力式碼頭沉箱結構后方臨近結構物的回填部分難以采用強度較大的地基處理方式，為了達到預期的回填處理的效果，一般采用回填中粗砂或者塊石。英標中規定，對于重力式結構后方的回填區域采用回填砂，需要考慮地基處理方式對于重力式結構的影響[1]。我國的《港口工程地基規范》[2]主要介紹的地基處理方式有換填法、排水固結法、輕型真空井點法、強夯法、振沖法和水下深層水泥攪拌法等，但沒有特意針對重力式碼頭后方回填的方式進行描述。

對于某些項目所在地，由于環保要求高海砂開采難度大或者采砂工藝較為落后，砂石料的成本較高，從而導致沉箱后方回填砂石料的成本較大。本文依托喀麥隆克里比二期項目，結合快速低能夯實現場試驗的試驗結果，經過多個回填方案的設計和施工對比，提出采用普通的開山料作為沉箱后方的回填材料，提出了新的實施方案，有效節約了項目成本。

1 項目概況

項目位于喀麥隆克里比地區，項目分為一期已完工工程和二期擴建工程，其中一期工程包含一個5萬t級的集裝箱泊位和一個4萬t級的多用途泊位，一期岸線總長度達615 m；二期工程包含一個7 萬t級和一個10 萬t 級的集裝箱泊位，二期岸線總長度為715 m。碼頭結構采用沉箱重力式結構[3]，相關斷面圖見圖1。

圖1 項目典型斷面示意圖

由于項目所在地的環保要求較高和地理位置限制，難以大量開采海砂和河沙，碼頭后方回填區域的造價較高。

2 碼頭后方回填方案

基于碼頭的結構形式，本項目在原案的基礎上提出了三種優化方案，并對三種優化方案的設計和施工進行對比，最后得出一種最優的回填處理方案。

2.1 后方回填原案

在碼頭原案的地基處理方案中，沉箱后緣線25m范圍內考慮到地基處理對沉箱結構的安全性影響，無法采用強度較大的地基處理方案。原案在該范圍內采用振沖法這種振動影響小的方法進行地基處理，并且要求回填料采用含泥量（粒徑小于0.075 mm）不超過10 %的中粗砂。

因此，原案碼頭后方25m 范圍內一定坡度的回填中粗砂，其他區域回填含泥量（粒徑小于0.075 mm）不超過20 %的開山料。距離沉箱后緣線25 m范圍內采用振沖法進行地基處理的施工，25 m 范圍以外采用強夯法進行地基處理。該設計方案較為傳統，碼頭后方需要大量的中粗砂進行回填處理，詳細方案見圖1。

2.2 后方回填優化方案1

優化方案1 為了達到減少用砂的目的，采用分層回填的施工方法，對全部回填料進行地基處理，以防止不均勻沉降的發生，相關的方案見圖2。

圖2 后方回填優化方案1

具體的施工順序為：

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③在距離沉箱后緣線25 m 以后的區域回填開山料，并進行強夯；

④胸墻施工；

⑤沉箱后緣線25 m 范圍內分層交替回填開山料和砂土；開山料水下部分分層厚度2.0 m～2.5 m，采用沉箱基床類似的方式進行錘夯密實處理；開山料水上部分則分層回填并進行振動或者沖擊碾壓密實；回填砂則進行振沖或分層碾壓處理。

該方案一定程度上減少了碼頭后方回填砂量的使用，同時可以基本確保強夯對沉箱不產生影響；但缺點是施工較為繁瑣。

2.3 后方回填優化方案2

優化方案2 的主體思路為改變沉箱后方的回填順序，從而達到減少用砂量的目標。該方案沉箱后回填料的破裂角以內回填中粗砂，并采用振沖的地基處理方式；其他區域回填開山料，并采用強夯的地基處理方式，詳細的斷面圖如圖3。

圖3 后方回填優化方案2

該優化方案的具體施工順序為：

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③后方回填開山料，開山料的回填邊界線距離破裂面至少3 m 以上，且回填邊坡盡量偏陡，回填后進行強夯處理。此時沉箱后方的回填砂尚未進行，開山料和沉箱之間可作為隔震溝使用，強夯施工對沉箱的影響較小；

④胸墻施工；

⑤回填砂，振沖和分層碾壓處理。

該方案可以節省大量的回填砂，從斷面上可以粗略看到相對原案至少可以減少一半左右的用砂量，并且可以大幅減小后方回填料的強夯施工對沉箱的影響；同時，這種工序的改變幾乎不會引起工期和費用的增加。

2.4 后方回填優化方3

1）優化方案

方案3 采用快速低能夯實這種新的地基處理工藝[4]，大量的優化碼頭后方的回填砂用料，并結合現場試驗對該方案進行了驗證，詳細方案見圖4。

圖4 后方回填優化方案3

該優化方案的具體施工順序為：

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③后方回填開山料，回填坡頂線距離沉箱后緣線約13m，回填后進行強夯；

④胸墻施工；

⑤沉箱、胸墻和已強夯區之間的水域部分回填開山料至標高+2.5 m，采用快速低能夯實密實的工藝對填料今天夯實；

⑥+2.5 m 以上分層回填開山料至交工標高 +3.3 m。

2）現場試驗

現場采用含泥量（粒徑小于0.075 mm）低于20 %的開山料回填出一塊19 m×19 m 的試驗場地，采用夯能為36 kJ 的快速低能夯實機進行快速低能夯實試驗，夯點的作業布置圖見圖5。

圖5 夯點作業布置圖

根據本項目的規范要求[5]，碼頭后方地基處理的承載力要求達到200 kPa 的強度要求。本次現場試驗采用兩倍的設計荷載對快速低能夯實后的回填區進行地基承載力檢測。現場試驗檢測采用 400 kPa 的荷載，并分8 級施加荷載，隨機抽取的四個試驗點的P-S 曲線見圖6、圖7、圖8 和圖9。

圖6 試驗一區P-S 曲線

圖7 試驗二區P-S 曲線

圖8 試驗三區P-S 曲線

圖9 試驗四區P-S 曲線

根據現場的試驗結果可知，快速低能夯實的地基處理方案對于含泥量（粒徑小于0.075 mm）低于20 %的開山料的地基處理效果可以達到規范的要求，方案可行。

2.5 三種回填優化方案的對比

根據四種方案的對比可知，方案沉箱后方一定范圍內的回填砂和回填開山料的用量見表1。

表1 各方案工程量對比表

根據對比可知，結合快速低能夯實工藝可以有效地減少碼頭后方回填砂量的用料，提供一套在地材受限的情況下有效的重力式碼頭后方地基處理方案，有效節省了項目的成本。

3 結語

本文通過詳細的方案對比和現場試驗驗證，得出以下幾點結論：

1）沉箱后方可以采用含泥量（粒徑小于 0.075 mm）小于20 %的開山料進行后方回填處理。

2）通過現場試驗可知，快速低能夯實工藝對于含泥量（粒徑小于0.075 mm）小于20 %的開山料的地基處理效果可以達到碼頭后方地基承載力200 kPa 的處理效果。

3）本文通過方案優化，提出一種可以有效減少碼頭后方回填砂用量的設計和施工方案，為類似工程提供了寶貴的設計優化和施工優化的參考。