空氣幕助沉法在桶式防波堤施工中的應用

莊嚴 杜友先

中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，中國·江蘇 連云港 222042

1 引言

目前國際海上防波堤桶體在下沉安裝時，大多數是依靠基礎桶體的自重，利用其下端刃腳破開土層，使桶體部分沉入土層中形成相對密封空間，然后通過預埋抽氣管道抽取桶體內各個隔倉的氣體，利用桶體內部和外部的壓力差，使下桶體逐步沉入至海床內設計深度以完成桶體安裝。該方法適用于淤泥質條件且下沉深度較淺的情況，但是當遇到粉質粘土、砂類土硬夾層或不均勻的地質，下沉深度較深的情況，該方法難以使桶體下沉至指定標高。

論文立足于上海國際航運中心洋山深水港區小洋山北作業區防波堤工程，針對該海域巖土層多為淤泥粉質粘土、粉細砂的地質條件，以及桶體下沉深度要求較深的工況。對一種桶式防波堤空氣幕減阻助沉施工技術進行探討。

2 工程概況

小洋山北作業區防波堤工程結構方案采用桶式基礎結構防波堤，由多組桶式基礎結構單元排列組成。每一組結構單元由一個下桶體和上桶體組成，下桶主尺寸為36.6 m×20 m×10 m。桶壁厚400 mm，下桶頂蓋板厚500 mm，桶內通過隔板劃分12 個隔艙，隔板厚300 mm。上桶體尺寸為20 m×13.6 m×9 m，桶壁厚400 mm。所有桶體均在預制場內進行預制施工，通過半潛駁運輸至指定海域進行下沉安裝。

3 施工工況特點

本工程位于中國東部沿海長江口與杭州灣交界處崎嶇列島海區小洋山北側，東向至北向為較開闊的海域，西北向距陸地也有一定距離。洋山海區屬于屬亞熱帶季風性氣候，全年受冬夏季風影響，四季分明，夏熱氣溫較高且降水充沛，冬季寒冷潮濕。作業區水域漲、落潮平均流速約0.56 m/s～0.86 m/s，最大流速約1.01 m/s～1.53 m/s。根據地勘報告顯示，施工區域海床淺部主要存在的地基土層有灰黃色淤泥質粉質黏土、灰色黏土、灰黃色粉質黏土、灰黃色粉細砂，且存在地質不均勻夾雜硬質土層的現象。防波堤桶體在下沉過程中需穿越淤泥及淤泥質粉質黏土層。綜上所述該施工區域海床地質條件較差，土層在外部荷載作用下易發生沉降、變形，桶體下沉過程中在地質分布不均勻的區域易出現下沉困難、偏移等現象[1]。

4 空氣幕減阻助沉施工方法

4.1 桶體下沉系數計算

桶體下沉過程中，必須克服桶體外壁與土間摩阻力（此處不考慮地層對底腳的反力），桶體自重與桶體外壁摩阻力的比值稱為下沉系數K。通常按下式計算：

式中

Q—桶體自重（kN）

T—下桶體外壁與土間摩阻力（kN），通常按下式計算：

T=L?f

式中

L—下桶體外周長（m）

h—下桶體終沉深度（m）

f—下桶體外壁與土層的摩擦力（kN/m2）

根據地質勘察資料，本工程在計算中取f=14kN/m2；

本工程桶體混凝土總方量約1485 m3，鋼筋混凝土重度取=25kN/m3，該桶體總重力為37125kN。

經計算桶體下沉系數K 為0.76，該數值越小則代表桶體下沉越困難，通常使用的防波堤桶體下沉系數平均值在1.15～1.25 之間。結合本工程施工海域的地質情況，在桶體下沉施工中采用空氣幕減阻助沉法來輔助桶體下沉。

4.2 桶體空氣幕系統布置

空氣幕減阻助沉系統及其施工方法，其特點是通過預埋在下桶體外壁中的橫縱氣管向氣龕進行送風，氣龕內單向出氣的橡膠皮環向桶壁外噴射氣流，氣流沿外壁上升，帶動桶體外壁周圍土顆粒翻滾，使得桶體周圍的砂類土發生液化，粘性土則形成泥漿薄膜，從而達到減小土體對桶壁表面摩阻力的目的，使桶體順利下沉。

4.2.1 桶壁預埋管路

桶壁內預埋管布置有預埋橫向支管和預埋豎管。預埋橫向支管和預埋豎管均采用φ20mmPVC 管，水平管是為糾偏而設，若干組預埋橫向支管預設在桶體直線段外壁內，相鄰兩根預埋橫向支管通過三通與一根豎向預埋豎管相連，預埋橫向支管上開有φ3mm 的噴氣孔，下沉施工前進行壓氣試驗，檢查各個氣孔是否通暢。

圖1 空氣幕減阻助沉系統管路及氣龕立面布置圖

4.2.2 氣龕安裝

氣龕是空氣幕減阻助沉系統的關鍵設施，它直接決定空氣幕的實施效果以及桶體的下沉質量。氣龕是一種預設在桶體外壁上的倒梯形凹槽，空氣幕出氣孔便位于氣龕正中央，氣龕對噴氣孔有保護作用，并有利于噴氣孔射出的高壓氣體擴散，沿桶體外壁上升，形成均勻完整的氣幕。常見的氣龕形狀有圓錐形、倒梯形。本工程采用倒梯氣龕。氣龕均勻設置在桶體外壁的混凝土表層內，相鄰兩層氣龕交錯布置，氣龕在離桶體底部2 m 處開始布置，在水平方向以及垂直方向均按照1.5 m 間距預埋設置。為便于調節氣壓和糾偏，全部氣龕沿桶體周向劃分為4 個組，每組均有獨立的開關閥門、氣壓表以及預埋豎管供氣。

4.2.3 壓風設備及總管安裝

空氣幕減阻助沉系統在桶體安裝平臺上設置了一套壓風設備，壓風系統決定著空氣幕的出氣量以及出氣效果。它是由壓風機、儲氣罐、氣壓表、閥門、壁中預埋豎管、氣龕、壁中預埋橫向支管等部分組成。壓風機是提供高壓氣體的設備，儲氣罐貯存高壓氣體，防止壓力驟然降低，影響壓氣效果，起到穩定風壓的作用。

桶體供氣預埋豎管共計4 根，供氣預埋豎管與儲氣罐相連，分別布置在桶體的直線段及圓弧段。通過三通連接到每組供氣系統的預埋橫向支管，在每組供氣系統上均設有閥門和氣壓表，以便獨立調節氣壓，通過每組供氣系統的不均衡供氣來達到糾偏下沉的效果。

4.2.4 防堵措施

圖2 空氣幕減阻助沉系統壓風系統布置圖

空氣幕減阻助沉系統在使用過程中，由于氣龕直接與周圍土體接觸，在關閉或減弱供氣的階段，泥沙極易堵塞氣龕內的氣孔，將極大影響空氣幕系統的應用效果。為解決氣孔堵塞問題，本工程采用了兩種防堵措施，一是在噴氣孔上安裝單向橡膠皮環防止堵塞，從源頭盡量避免泥沙進入供氣系統，二是在氣管兩端設置泥沙沉淀筒，使進入的泥沙被收集起來，減小對供氣系統的影響。

4.3 桶體空氣幕系統助沉

防波堤桶體在預制場地內預制完成并達到預定強度后，采用氣囊及剛底托，通過上船通道將其搬運至半潛駁上，上船作業完成后，由半潛駁運送到下沉施工海域。

當防波堤桶體運輸至指定位置并通過GPS 精確定位后，開啟浮運氣囊閥門放氣使桶體下沉，浮運氣囊放氣完畢后拆除氣囊，接著打開桶體各隔艙的放氣閥門緩慢放氣，使桶體繼續下沉，當桶體下沉至距海床泥面30 cm 時，關閉排氣閥門停止放氣作業，測量人員通過安裝在上桶體的四個GPS 測量點再次確認桶體結構位置滿足設計要求后，打開排氣閥門排氣使得下桶體進入海床泥層。

隨著桶體開始入土，桶體依靠自重克服底腳反力及外壁周邊摩阻力而下沉。但由桶體下沉系數的分析可知，當桶體進入更深更堅硬的土層后，僅靠自重下沉已經很困難，本工程施工中采用空氣幕法助沉，當桶體入泥一定深度后，隨即啟動壓風機，通過從預埋橫向支管上的噴氣孔內噴出的氣體沿桶壁向上快速運動，形成一層均勻完整的氣幕，減小由于土層壓力所形成的桶體側壁摩阻力，提高下沉系數，協助桶體下沉，通過操作平臺四個角上的GPS數據收集器，獲得桶式構件的位置情況，下沉期間每10～20 min 測量一次桶體位置，當桶體進入終沉階段時，及時關閉空氣幕以免造成桶體超沉。

4.4 桶體空氣幕系統糾偏

桶體在下沉過程中遇到不均勻的地質條件容易發生傾斜，空氣幕減阻助沉系統通過分組設置的預埋橫向支管，有針對性地關閉部分閥門，進行局部壓氣調節，減少或增加氣體從氣龕中地噴出量，單邊破壞桶體外壁摩阻力，使桶體處于兩側外壁摩阻力不均衡狀態，從而達到糾偏效果。桶體下沉安裝過程中，在上桶體四個角安裝有GPS 數據收集器，實時測量桶體下沉過程以及終沉后的偏差數據，并匯總分析。試驗桶安裝測量結果表明，四個測量點最大偏差數值為61 mm，符合規范及設計要求。通過數據分析表明，空氣幕系統糾偏效果良好[2]。

5 結語

桶式防波堤空氣幕減阻助沉施工方法的成功實施，可填補復雜地質條件下防波堤桶式下沉施工的相關技術的空白，并對以后類似的施工奠定良好技術基礎，并且促進了該領域相關技術的成熟，能夠大幅提高施工進度，降低成本，在施工安全、質量、經濟性、效率較國際同類技術水平相比均有很大優勢。