大型重力式碼頭深厚基床施工控制關鍵技術分析

■陳 航

（福建省莆田涵江港口建設發展有限公司，莆田 351100）

1 工程簡介

福州港羅源灣港區可門作業區1#～3# 號泊位工程（圖1）位于福建省連江縣下宮鄉，羅源灣港區南岸，為在建的神華福建羅源灣港儲電一體化項目的配套工程。工程面海背山，原設計為1 個4 萬t 級、2 個5 萬t 級多用途泊位， 水工結構按30 萬t 級散貨船設計，現已提級擴能改造為2 個30 萬t 級通用散貨泊位，可同時靠泊2 艘30 萬t 級散貨船，年設計通過能力共2668 萬t。

圖1 工程平面形象示意圖

碼頭為連片式布置，總長度911 m，頂面高程+10.35 m，前沿設計底高程-24.2 m，其中790 m 采用重力式沉箱結構， 剩余121 m 為高樁梁板式結構。重力式沉箱結構采用48 件大型沉箱，CX1 型沉箱共40 件，尺寸19.66 m×20.9 m×26.7 m（長×寬×高，下 同）， 重5247 t；CX1B 型 沉 箱 尺 寸 為23.9 m×21.16 m×26.7 m，重達5334.5 t；CX2 型沉箱7 件，尺寸10.0 m×13.05 m×18.5 m，單件重1134 t。

2 水文氣象條件

2.1 潮流

羅源灣位于福建省東北部， 水域總面積188.6 km2，內灣口寬僅950 m，通往灣口的可門水道寬約1.8 km、長7.2 km，是一個典型的口小腹大的港灣，周邊掩護條件好波浪小。 施工區域漲潮歷時較短，約5.7 h，落潮歷時較長，約6.7 h。潮流的旋轉性不強，基本為往復流，只在轉流時有很短的旋轉流性質。 漲潮流速大于落潮， 漲潮時最大流速為0.90 m/s，落潮時最大流速為0.80 m/s。

2.2 潮汐特征

港區屬正規半日潮，潮位基準面為理論深度基準面，最高潮位+8.05 m；最低潮位-0.21 m；平均高潮位+6.58 m；平均低潮位+1.60 m；平均海平面+4.06 m；最大潮差7.64 m；最小潮差2.27 m；設計高水位+6.99 m（高潮累積頻率10%）；設計低水位+0.64 m（低潮累積頻率90%）。

2.3 風況

據連江縣實測資料統計： 多年平均風速為2.2 m/s，最大風速為40 m/s，全年除了10—11 月常風向以東北風為主，其余各月常風向都是以東南及東南偏南風為主，頻率13%，強風向為西北偏西，最大風速為40 m/s，全年≥7 級風日數平均31.3 d，以7 月份為最多，平均5.1 d。影響本處的臺風以7—9月為最多，臺風引起的最大增水為0.5～1.0 m。

3 施工水深地質及場地條件

3.1 水深地質情況

港區水深條件良好，航道具備通航30 萬t 級船舶的水深條件， 碼頭前沿大部分水深－25 m 以上，可以滿足大型船舶回轉要求。 工程場地屬丘陵、海灣灘涂與淺海地貌單元連接地帶，場地地層按巖土性質自上而下分9 個工程地質：淤泥、淤泥質土、粘土、淤泥質土、粗砂、凝灰熔巖殘積砂質粘性土、全風化凝灰熔巖、強風化凝灰熔巖、中風化凝灰熔巖。

3.2 工程場地條件

項目位于羅源灣灣內，施工水域內及周邊存在大量海帶、紫菜及鮑魚養殖場；擬建碼頭中部區域現為山體和在用農用碼頭；擬建沉箱出運碼頭位置存在陸島碼頭及農用碼頭等建筑物；臨近4#、5# 泊位已經建成投產。

4 深厚基床施工重難點

4.1 基床深水施工， 開挖換填與整平作業難度大幅提高

工程設計最低基槽開挖標高為－61.2 m， 基床斷面形式如圖2 所示，基床頂標高為－24.2 m，沉箱高度高達26.7 m，設計高水位+6.99 m（全年最高水位+8.05 m）。 故基槽開挖、基床拋石時最大水深達68 m 左右，基床整平施工最大水深超過30 m。深水作業給施工帶來較大挑戰，對施工船機設備及人員要求高，施工難度大。

圖2 基床斷面示意圖

4.2 基床深厚且差異大，夯實與預留沉降難以控制

碼頭1# 及3# 泊位兩端的基槽軟土開挖層厚度大，中部2# 泊位基槽炸礁量大、巖層厚，炸礁方量約26 萬m3（圖3）；基床前沿為軟土開挖換填形成底座，后沿為炸礁形成底座（圖4）。由此形成碼頭基床縱向呈兩端厚、中間薄，最厚處37 m，最薄處1.5 m；基床橫向呈外側厚、內側薄的特點，同一斷面基床前沿厚度比后沿超過10 m。由于基床厚度相差過大，如何控制好基床差異沉降，把握好基床夯實和整平預留沉降是關鍵。

圖3 基床縱立面厚度及土質差異分析

圖4 基床橫斷面厚度及土質差異分析

5 基床實施過程主要對策及工藝控制

5.1 基槽開挖

工程基槽挖泥總量約為206 萬m3，炸礁工程量約26 萬m3。挖泥主要集中在碼頭東西兩端，炸礁則集中在碼頭中部2#泊位。 在選擇挖泥船時，綜合考慮起重能力、卷揚機容繩量等要求，最終確定采用13 m3抓斗式挖泥船。 施工時， 抓斗船由東往西分層、分段進行開挖，炸礁船在中部區域分層進行爆破作業。 抓斗船沿碼頭岸線方向分段、分層、分條施工以形成流水作業。 根據施工船舶尺寸等實際數據確定分段分條等情況，分段長度約70～80 m，分層厚度以2 m 控制，分條寬約15～20 m，施工中條與條之間的搭接為2 m，段與段之間的搭接為10 m。為避免超挖與漏挖，邊坡按設計要求分臺階進行開挖。炸礁施工由2000 t 升降式平臺炸礁船進行水下爆破，采用13 m3和18 m3的抓斗船進行清渣， 由1000 m3駁船直接外運棄渣。 水下鉆孔巖層厚度小于10 m的一次性鉆至設計孔底標高（加超鉆深度），超過10 m 采用分層爆破，爆破工藝采用毫秒微差延期爆破法。 針對薄基床處（8#～14#斷面）的特殊情況（巖層厚、藥量大、工期緊），且綜合考慮總藥量與單段藥量的限制、基槽底臺階的形成，對此段采取分3 層的方式進行施工：第一層厚度4 m，炸清礁后，標高降至水面以上，施工不受潮水影響；第二層厚度6～8 m，單孔藥量250 kg 以內；第三層厚度8～10 m，單孔藥量250 kg 以內[1]。

5.2 基床拋石

拋石施工前探摸檢查基槽底部，確認基槽內無含水率小于150%或重度大于12.6 kN/m3且厚度大于0.3 m 的回淤沉積物。 本次施工選用2000 t 開底駁作為拋填主要設備，局部區域需要細拋的，通過方駁進行。

由于工程所處海域潮差大（最大潮差7.64 m），且工期緊、拋石總量大，為此分別設置了高潮和低潮的石料裝船碼頭以加快拋石進度。 由于施工水深大，漲退潮期間拋石作業經過多次驗證，極易發生不同程度的石料漂移現象，因此拋石施工盡量在平潮時段進行，以減少水流對塊石拋投及測深水坨的影響。 同時，施工所用石料均取自陸域后方山體爆破開采出來的規格塊石，便于挑選，施工前篩取規格和質量符合設計要求的石料集中堆放，驗收合格后方可運送上船。 拋基槽底部時，控制石料規格，挑選級配良好、重量靠近設計上限甚至更大規格的石料進行拋填，確保石料有效落底，保障基床質量。

5.3 基床夯實

5.3.1 夯實工藝創新優化

根據原設計，基床夯實采用爆夯工藝，在基床第一層采用爆夯工藝施工時， 即遭到當地漁民阻工，隨后對爆夯施工藥量進行限制（單炮50 kg），但控爆嚴重影響爆夯施工的質量和進度，所以爆夯施工無法繼續，故而考慮將夯實工藝優化為重錘夯實。

項目基床厚度在1.5～37 m 之間，按照規范，基床錘夯每層夯實的厚度不宜大于2 m，按平均12 層計算，每100 m 段基床每層夯實時間10 d，則完成全部5 段（除薄基床外）約500 m 的基床夯實所需要的工期為：10×12×5=600 d，可見2 m 的分層厚度將導致施工進度完全無法滿足要求。 而且船位頻繁移動需要耗用大量的時間，從而造成施工成本顯著提高，施工效率低下[1]。按照JTS167-2-2009《重力式碼頭設計與施工規范》，夯擊能較大時，分層厚度可適當加大[3]，但由于工程施工水深大，使用過往普通夯錘施工（4～6 t），亦較難保證夯錘落點的精度及夯實效果，對施工質量不利。 項目團隊本著“大質量、低落距”的原則進行工藝優化，并結合中交四航局的相關技術研究成果，本次超厚基床夯實施工采用大分層超重錘夯實工藝，取夯錘重為16.17 t，錘底面直徑1.6 m， 這是迄今為止水下拋石基床夯實施工中重量最大的夯錘。 同時，基床分層夯實厚度加厚至4 m，夯錘落距為4.5 m，夯沉率按15%控制，不計阻力沖擊能達357 kJ/m2，夯擊能遠大于規范的120 kJ/m2，能較好地保證夯實效果。 同時，為最大限度地減少能量損失，減小水的阻力，防止“倒錘”的發生，夯錘設計成圓臺型，底部為圓角，在垂直方向設置4 個縱貫泄水孔。

5.3.2 工藝試驗驗證

因該工藝尚屬技術創新，中交四航局科研課題《深水碼頭厚基床密實關鍵技術研究》 在本項目實施了現場驗證工作。 根據壓阻式壓力傳感器工作原理，由于水深代表了水壓強，若傳感器周圍壓強（或壓力）有變化，能從傳感器的讀數中反映出來。 根據這一原理，將傳感器放入密封裝有液體、可自由壓縮的容器中，如圖5 所示。 該軟氣囊能敏銳傳遞壓強變化， 裝置上下用薄鋼板進行保護和平衡受力，當軟氣囊中的液體受到擠壓時，氣囊內液體的壓強產生變化，其里面的傳感器能感受到壓力變化，通過監測容器內壓強增量情況換算夯擊力大小[1]。通過該試驗，測量不同夯擊能、不同分層厚度、不同水深情況下的基底附加壓力，驗證了大分層超重錘夯實工藝的作用效果。

圖5 試驗實施方式示意圖

5.3.3 工藝實施及效果

錘夯船采用經過改造的6 m3抓斗式挖泥船，起重機采用單根鋼絲直接起吊夯錘進行錘夯，單鋼絲起重力可達20 t 以上，夯錘實物如圖6 所示。 夯實范圍按照規范的規定進行，基床頂層前沿部分按沉箱底寬加寬2 m、后沿部分加寬1 m，基床頂面以下各層按照應力擴散線各邊加寬3 m 的范圍進行夯實（圖7）。

圖6 夯錘實物圖

圖7 基床重錘夯實分層示意圖

施工后期，項目委托潛水公司對重錘夯實后的基床進行水下探摸檢查并進行水下攝像。 根據水下攝像情況，重錘夯實后的基床表面基本拼裝，塊石的緊密程度較好， 塊石的大小基本在30～50 cm 左右，未發現缺損、坑洞等明顯異常。 整體平均夯沉率為15.2%，分層最小夯沉率為15.04%，分層最大夯沉率為15.41%，較為均勻，證明夯實效果良好[2]。 功效方面，單排夯實時間在2～3 min，20 排/h，有效夯實面積達到80 m2，按照一天施工16 h 計算，單天可夯實面積1280 m2，因需夯2 遍，故折算后每天可完成夯實面積640 m2，即夯實量為2560 m3，如船機性能較好，則可全天候進行施工，施工工效將更高[2]。在項目工期緊，無法實施爆夯施工的情況下，通過采用大分層超重錘夯實法加固碼頭基床，達到預期效果，施工效率已經越來越接近爆夯施工的效率，再一次印證了該工藝在碼頭基床中的應用是成功的，并逐步走向成熟，進一步明確了拋石基床大分層超重錘夯實施工技術在重力式碼頭工程中的應用方向，為碼頭建設施工提供了良好的借鑒。 該工藝優化，項目技術團隊以《深水厚拋石基床大分層重錘夯實關鍵技術研究》為課題申報，獲評中國水運建設行業協會科學技術獎二等獎（證書編號：SD 16-2-4-01）。

5.4 基床整平

大水深下的整平施工對潛水員要求高，也加大了測量控制及石料下放定位的施工難度。 施工時，在基于成本考量及大型現代化整平工作船還未普遍鋪開使用的前提下，采用傳統潛水員水下作業的工藝對基床進行整平。 潛水員著重潛裝備施工，整平石料由鋼筋籠精確定位下放，特制大重量的測砣替代測桿用以測量控制。 在預留倒坡控制方面，基床縱橫向厚度相差過大，依據過往工程經驗及多方研討結果，施工時根據基床厚度變化情況，將設計1%的倒坡按1%～1.5%控制，優化為厚基床倒坡，薄基床倒坡為0.8%， 這樣使得倒坡隨著基床厚度變化而逐漸平緩過渡。

5.4.1 籌備期的各細節優化

項目沿用傳統潛水員水下作業的工藝對基床進行整平施工的主要船機設備有： 采用500 t 方駁作為整平工作船；400 t 平板駁作為細平材料二片石的運輸船； 整平工作船上配備CAT320 挖掘機輔助施工；考慮深水作業的安全性，取消了傳統水下分級自然減壓的方式， 船上配備專業L5 甲板減壓倉1 套，并有專業潛水醫生操作使用；工作船邊沿設拋填二片石的鋼筋籠及其移動的浮排，主要裝備如圖8 所示。

圖8 施工裝備示意圖

由于本次潛水作業水深大，對潛水員及整平質量控制水平提出了更高的要求和挑戰。 為此，施工前對具體實施細節進行了優化，具體如下：（1）優化石料來源渠道，穩妥保障整平二片石質量。 二片石對整平施工質量及后期碼頭沉降控制均起到不可忽略的作用，為確保石料質量穩妥可靠，經項目技術團隊研討，并得到建設單位的大力支持和協調，二片石取自陸域后方碎石加工場，采用圓錐破碎機第一道破碎振篩工序產出的規格塊石，塊石粒徑優良，含泥量低。 項目所處區域陸域后方大規模開山取石，碎石生產線布設多套，同樣有力的保障了二片石的供應。 （2）優化測量控制，提高測控便捷性和精度。 整平船通過船上GPS 定位系統進行定位，鋼軌安放及基床驗收采用全站儀加測砣進行控制。 由于施工水深大， 采用傳統的測桿太重太長難以操作，因此改用測砣進行測量，測砣采用?6 mm 鋼絲繩與船上特制滑道連接， 測砣底部焊接30 cm×30 cm×2 cm 鋼板，通過漲退潮現場試驗以確定測砣重量適中且能夠保證鋼絲繩錘直 （測砣重量約25 kg）。在鋼絲繩另一端設置配重以拉直鋼絲繩，操作時通過滑道沿船頭船尾移動測砣， 方便省力，主要測控輔助工具如圖9 所示。 鋼絲繩在使用過程中需勤復核丈量，避免因鋼絲繩的變形伸長而造成讀數不準，發生變形的鋼絲繩須及時替換。 測量盡量趁低平潮時進行以減少水深的影響。 （3）優化整平鋼軌及刮耙，提高水下操作便捷性。 此次基床整平施工寬度21.9 m，布設3 道鋼軌，間距11 m。 為提高著重潛裝備的潛水員在水下的作業效率，方便施工，減輕搬挪材料的重量，整平鋼軌材料由槽鋼[12對抱焊接優化為直徑?135 mm、單根長6 m 的鍍鋅鋼管，底部焊接鋼板坐落于支墩上。 支墩由袋裝碎石 鋪 平， 碎 石 面 擺 放25 cm×25 cm×10 cm 和20 cm×20 cm×5 cm 的2 種規格的預制砼墊塊，鋼軌放在墊塊上，主要輔材如圖10 所示。 由于2 道鋼軌間距較長（沿基床軸線方向布設，共布設3 條，間距11 m），刮耙材料采用長度14 m，直徑?150 mm 的鍍鋅鋼管，鋼管對接位置焊接3 道縱向鋼筋進行補強。 但由于在施工中出現因鋼管太長剛性不夠而導致鋼管中部向下彎曲，彎曲的位置整平出的基床標高不能通過驗收要求。 為此對刮耙進行改造，采用?14 mm 與?18 mm 鋼筋在鋼管上部焊接1 道加勁桁架以增強刮耙整體剛性，并在鋼管內部填充塑料泡沫加大浮力用以減輕刮耙整體重量。

圖9 測量輔助設備

圖10 鋼軌及刮耙等輔助材料

5.4.2 細調不同土質區段的預留倒坡控制

基床設計倒坡為1%，但基床厚薄相差較大，將出現沉降不均勻的問題，需視基床厚度與土質情況調整預留沉降量。 根據過往工程基床整平施工經驗，經項目各方詳細研討，對基床頂面預留沉降量及倒坡進行調整，并按表1 進行控制。

表1 基床頂面標高及倒坡控制表

5.4.3 整平過程關鍵控制因素

（1）前期施工中，局部成片較低區域需補拋，作業人員為追求進度多次乘平潮，指揮挖機散拋二片石到指定區域。 但隨后檢查發現只有少數石料落至指定區域，其余均漂出1～2 個沉箱位之遠，造成已整平好的基床超高了。 通過這種教訓也驗證了深水下基床整平補拋石只能通過鋼筋籠對石料進行定點拋填，且鋼筋籠箍筋間距須結合二片石粒徑進行必要的加密。 （2）須勤復測剛軌標高，深水下的鋼軌時常因各種原因影響，存在倒塌、偏位、沉降等現象，隨之造成整平驗收數據偏離較大，帶來不必要的返工和工期延誤。 （3）驗收時，在偏差允許范圍內，數據應能反映出整體基床向碼頭中部略微傾斜靠攏的趨勢，這樣能夠使隨后安裝的沉箱之間縫隙小呈緊挨的態勢。 由于碼頭兩端區域開挖深、拋石層厚，存在后期沉降大的風險，驗收時基床縱橫向傾斜度滿足要求但整體基床標高略高，可適當放寬驗收標準。 （4）在驗收程序上，按照規范要求是在1個橫斷面的前軌、中軌及后軌合計測4 個點，作業人員時常會存在投機取巧的現象，即在測點的位置石料補填飽滿能夠滿足要求，但其他區域就間隔投放石料造成基床不飽滿。 驗收時應隨機多抽檢幾個區域以杜絕作業人員這種偷工現象，保證基床整平的飽滿質量。

5.5 水下各工序銜接經驗

（1）整平施工期間，基床夯實工序同時進行，由于夯實施工采用了超重錘作業，根據以往經驗及潛水員水下的切身體驗，整平及錘夯2 個工作面最少應錯開150 m 以上，以防錘夯時沖擊波對潛水員身體造成不利影響。 受限于此，應做好現場施工調度，確保2 個工作面都能同時開展，同時岸上山體爆破施工沖擊波也會對潛水員造成影響，應與各方做好溝通，爆破前提前通知潛水員離開水下。 （2）受場地條件限制（岸上沉箱堆放區1 次只夠堆放約25 件沉箱）及沉箱安裝用的8000 t 半潛駁高昂的船機費用，計劃半潛駁分2 次進場來完成所有安裝工作以控制船機成本，即1 次進場安裝約25 件。 但由于工序搭接上的偏差，整平施工進度偏慢，而大型半潛駁早已定下進場的施工日期，半潛駁進場后仍有大半基床未能整平完成。 鑒于以上情況，安排部分沉箱寄存至已錘夯過的基床上，與已整平完成的基床距離約4 個沉箱位（80 m 左右），這樣在后續的整平施工中，可安排整平船于該“空隙”內進行作業。 整平完成后通過沉箱拖輪將寄存的沉箱抽水上浮，橫移至已整平好的基床上，隨后整平船可再次穿插至未整平的基床上繼續作業，直至全部完成，現場工序安排如圖11 所示。 沉箱寄存區域基床受到沉箱自重的預壓，可一定程度提高基床密實度并減少后期沉降， 且寄存的沉箱橫移前可趁低潮對沉箱頂4個邊角進行測量，提前了解基床的高差情況，指導下一步的整平施工。

圖11 水上各工序施工安排

6 效果評價

根據后期監測數據分析碼頭的沉降、位移變形情況：大部分沉箱在箱內回填期間沉降量較接近，符合一般性沉降規律，最后逐漸趨于平緩。 沉降在回填完成后1～2 個月內完成， 回填期間沉降量最大，回填完成后又逐漸穩定，均在100～160 mm 之間。 其中，沉箱累計最大沉降為厚基床處的2#沉箱25.9 cm，沉降量與基床厚度比例不足1%，驗證了經過超重錘夯實后的基床密實性較好，達到了夯實效果，厚基床區域較薄基床沉降量大，整平施工分不同厚度基床預留的20～30 cm 沉降量及倒坡能夠滿足沉降需求。

沉箱內回填塊石先填前倉或后倉造成的前沿和后沿不均勻沉降會引起沉箱頂部位移。 總體來看，沉箱有向前位移的趨勢，這也符合重力式碼頭受墻后回填擠壓沉箱向前位移這一特點，回填完成后又逐漸趨于穩定，說明沉箱的位移已經逐漸進入穩定階段。 工程累計最大位移為42#沉箱20.5 cm，沉箱安裝施工中預留的20～25 cm 位移預留量同樣能滿足需求[1]。

7 結語

（1）現行的拋石基床錘夯施工規范中，基床分層厚度僅為2 m 1 層，施工效率低下，尤其在深水、厚基床的工況下，因其夯錘輕、船舶尺寸小，施工質量、進度均不能得到很好的保證。 采用大分層超重錘的施工工藝，不僅有效保證基床夯實效果，在工效、環保等方面也具有優勢，值得推廣和借鑒。 （2）項目3 個泊位同時動工，工作面較寬。 施工組織時，應合理劃分施工段落， 各施工工序形成良性循環，避免施工干擾。 超重錘錘夯與整平施工錯開距離的確定，需做好溝通安排以保證潛水安全；在整平施工進度容易出現滯后的情況下，應及時做好沉箱臨時寄放的措施，避免船機窩工，在不利的條件下改善局面；重潛施工應盡量配備專業減壓倉及潛水醫生以避免潛水員長時間水下自然減壓所存在的其他風險。 （3）在類似工程中，存在基床厚度厚薄不均勻且相差較大的項目時，應結合經驗，多研究討論以確定合適的倒坡及預留沉降。 該項目在后續施工及持續的測量觀測中，驗證了預留的倒坡及沉降是可行的，能夠滿足質量要求。 （4）在可預見的未來較長一段時間內，潛水員下水整平這一傳統工藝仍將繼續沿用，該項目的基床整平作業水深已基本達到重力式碼頭的峰值，本文所述細節，希望能為類似工程提供一些參考。