大型沉箱基礎振動夯實施工技術應用

孫俊豐，鞠慶富

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

拋石基床作為常用于重力式碼頭、防波堤和沉管隧道、拋石滑道、斜坡碼頭、船塢和船閘等水工建筑物的基礎形式，具有抗滑穩定性強、經濟費用小、承載能力大和耐久性好等優點，基床拋石的密實程度和結構組成對地基承載力具有決定性的作用[1]。因此，為了確保水下拋石基床具有足夠的承載能力，需對拋石基床進行致密化處理。

港口工程中構筑物的規模越來越大，水下拋石基床需承受的荷載越來越大，對其承載力的要求也越來越嚴格。目前已用過的水下拋石基床傳統致密方法有自行沉實法、預壓法、爆夯法和重錘夯實法。相比于傳統方法，利用高頻液壓振動錘進行水下拋石基床致密的施工工藝具有施工效率高、安全可靠、質量易于控制、噪音小等特點[2]。此外，高頻液壓振動錘在拋石基床的夯實過程中不受水流阻力等因素的影響，振動夯實法的應用將越來越廣泛。

1 工程概述

1.1 工程概況

欽州港大欖坪南9 號、10 號泊位工程位于廣西欽州保稅港區8 號泊位南側延長線上，為2 個新建10 萬噸級自動化集裝箱泊位，年設計吞吐能力為161 萬TEU。泊位總長度783 m，碼頭主體為沉箱重力式結構，基床為10～100 kg 塊石基礎，基床底標高-19 m，頂標高-18 m，厚1 m，坐落于中風化泥巖上[3]，如圖1 所示。

圖1 碼頭結構斷面圖Fig.1 Cross-sectional view of the terminal structure

1.2 施工環境

1.2.1 風況

全年常風向為N、頻率為26%，次常風向為NNE、頻率為9.2%；強風向為N，最大風速為31 m/s；多年平均風速為3.8 m/s。風速≥6 級大風日數多年平均為34 d，風速≥8 級大風日數多年平均為7 d。

每年5—11 月受臺風影響，其中7—9 月較為集中。影響本地區的臺風每年2～4 次。

1.2.2 水文

本地區潮型為不正規全日潮。主要特征表現為：大潮汛時潮汐1 d 1 次漲落，小潮汛時1 d 2次漲落，據資料統計，每月1 d 1 次漲落天數約為19～25 d。

1.2.3 波浪

本海區波浪以風浪為主，常浪向SSW 向、頻率占17.67%，其次NNE 向、頻率為17.2%；強浪向為ESE 向，次強浪向為SSW 向和NE 向；本海區實測最大波高為3.4 m，實測最大周期為6.8 s。據統計本區H1/10小于0.5 m 發生頻率為66.37%，小于1.0 m 發生頻率為96.21%，大于1.5 m 波高出現頻率僅為1.1%。

1.2.4 潮流

欽州港區水域以全日潮為主，漲、落潮相對緩慢，一般漲潮歷時長于落潮歷時，落潮流速大于漲潮流速，潮流特征有利于向外海輸沙。本碼頭所在大欖坪南作業區前沿水流歸順，漲、落潮沿岸往復，水流集中，流速相對較大，落潮時流速最大在1 m/s 左右，而橫向流速分量小，有利于船舶航行安全。

2 施工設備

砂樁1 號振平船主要由母體船、振平結構、測控系統及其他輔助系統組成。砂樁1 號振平船及振平船平面布置見圖2。

圖2 砂樁1 號振平船Fig.2 Sand pile No.1 leveling vessel

2.1 母船

母船船長55 m，寬25 m，型深4 m，吃水2.2 m，一次船位整平有效長度10.5 m，最大整平水深26 m。

2.2 振平結構

振平結構主要由振動模塊、臺車模塊、軌道模塊組成。振平結構距船首20.6 m，距船尾20.5 m，基座長14 m，寬5.4 m，高0.85 m；移動臺車帶錘部分長3.3 m，寬3.1 m，高4.35 m；不帶錘部分長8.7 m，寬2.2 m，高2.10 m。

1） 振動模塊

振動模塊主要包括振動管、振動錘、夯板等，見圖3。

圖3 振動模塊Fig.3 Vibration module

振動錘參數：激振力230 t；振動質量約42 t（錘加振動管總質量）；單位面積最大激振力為46 t；振幅為2.5 mm。

2） 臺車模塊

臺車模塊包括振動管約束結構、臺車主體結構、提升卷揚機、配重、換錘位卷揚機等，見圖4。

圖4 臺車模塊Fig.4 Trolley module

3） 軌道模塊

軌道采用C 形結構，間距5 m，有效長度10 m；軌道根據甲板載荷情況設置4 個軌道靴，以便能夠承受夯平結構受力；軌道通過甲板設置的5 個鎖固點進行固定。

2.3 測控及其他輔助系統

測控系統包含船舶定位、錘位控制、標高控制。輔助系統包含綜合降溫措施、綜合報警系統、PLC 自動控制系統、GPS 減震器設計、綜合防水措施等。

3 施工技術

1） 深水基床拋石振平施工工藝

通過深水拋石振動夯平技術研究應用，實現安全、環保、優質、高效、低耗完成25 m 水深、1 m 厚度水下基床拋石振平施工。深水基床拋石振平施工主要包括：基床底層拋石網格劃分、施工船舶定位、溜槽拋石、二片石拋填、夯平施工、夯平網格劃分、落錘、提錘、移動臺車[4]。

2） 深水振動夯平關鍵技術參數試驗研究

針對工程規模及質量要求，對現有船機設備“砂樁1 號”進行深水域薄基床的關鍵技術參數試夯研究，通過測量儀器標定、定位軟件調試、錨系探查、基床拋石網格劃分尺寸、振平系統測試、振平網格劃分及搭接尺寸，明確窗口期、測量精度、振平時間及夯沉率、振平系統運行情況及需優化解決問題等，確定振平施工參數[5]。

3） 沉箱基床拋石振夯船施工規程及驗收標準

進一步規范水工項目沉箱基床拋石夯平船施工組織與管理，確保施工質量和水上作業安全，編制企業施工規程及驗收標準[6]，為行業編制修編提供參考。

4 實施要點

4.1 實施原理

將振平船振平工藝與傳統重錘夯實工藝進行結果對比，驗證振平工藝的可行性，并確定振平工藝的參數。

4.2 典型施工的參數預設

典型施工時按照以往施工經驗及施工資料，參數設定如下：

1） 拋填標高的控制

塊石振平后壓縮量為10%，塊石拋填時預留10%振沉量。

2） 振平搭接量

相鄰振點搭接量為1 m，相鄰斷面搭接量為0.5 m。

3） 振平標高控制

在前期塊石拋填預留出10%振沉量情況下，直接開啟動力柜轉速至1 500 r/min 振沉，且確保振平后標高在設計標高限差±50 mm 以內。

4.3 拋石振平施工

4.3.1 施工準備

1） 基槽驗收

施工前，進行基槽水深測量，根據檢測結果判斷基槽回淤情況，當基槽底容重大于12.6 kN/m3的回淤沉積物厚度大于0.3 m 時應進行清淤，同時根據測量結果進行塊石拋填量計算[7]。

2） 船舶GPS 校核

安裝及檢驗船舶定位系統和高程控制系統，施工船舶定位及高程控制均采用GPS，使用3 臺RTK—GPS，其中2 臺布置于操作室對角線用于控制船舶定位，1 臺布置于振錘管頂用于控制振平標高。測量控制網采用經復測合格的現有工程測量控制體系，交驗合格后船舶進場施工[8]。

4.3.2 振平船定位

拋石振平船垂直于基槽駐位，通過安裝在船上的2 個GPS 進行精確定位，橫向通過移船，軸向通過小車在軌道上移動實現定點拋石及振平。為確保施工的安全可靠，通過分析水流對船舶駐位的影響，采用交叉錨位方式，且4 個錨位對稱布設。

4.3.3 下放溜槽

拋石船精確定位到指定基線后，下放溜槽。為保證下料準確，在保證不觸底的前提下，溜槽底口應盡量下探，使得溜槽底口距基底高差4 m左右。

4.3.4 定點定量塊石拋填

根據拋石點位間距拋填效果分析，點位間距為2 m，網格形式為矩形。溜槽高度設置后，根據拋填前測量的槽底標高估算每個網格點位的拋石量，喂料時先填粒徑較大石料，再填粒徑較小石料。塊石拋填時，一個點位拋填完，拋石溜管小車在滑道上移動至下一個點位定位拋填。

4.3.5 振平施工

待塊石拋填達到一定范圍后，進行基床塊石振平作業。振平方向由碼頭后沿向碼頭前沿進行，振平單元在滑軌施工時，一次移位1 m，夯板振平搭接長度1 m。振平施工時，振動錘單位面積激振力為18.4 t，振幅為2.5 mm，頻率2 000 r/min，振動時間60 s。

整個振平作業是自動控制的，控制系統根據設定好的標高，通過設置在夯管上的GPS 自動監測高程，待振平到達預設標高后，系統自動停錘并提升振動結構，同時臺車移至下一錘位。一個船位施工完成后順基床軸線方向移船2 m，進行下一船位施工，船舶定位振平數據見圖5。

圖5 船舶定位振平數據Fig.5 Ship positioning leveling data

4.4 實施效果

試驗段拋石振平施工完成后，對已完成的基床使用重錘夯實方法進行驗收。試驗檢測結果滿足JTS 257—2008《水運工程質量檢驗標準》中水下基床重錘夯實、基床整平的驗收標準。

基床夯實驗收為在已振平完成的基床上采用夯錘復打一夯次（26 夯），縱橫向相鄰壓半夯，每點1 錘，初、復夯各1 遍，一共進行2 遍夯擊。選用的夯砣為鑄鋼錘，夯砣面直徑為1.05 m，重4.6 t，靜面壓強52 kPa，落距3.5 m，夯實沖擊能約150 kJ/m2。基床夯實驗收共計檢查90 點，合格84 個點，合格率93.3%。

夯實驗收完成后的基床，采用人工潛水的方式，對基床平整度進行檢查。基床整平共計檢查了210 點，合格210 點，合格率100%。

5 存在問題及解決措施

1） 問題一：工程位于金谷江入海口處，流速較大，尤其落潮流速可達1.5 m/s。作業水深較大，深度在20～25 m。當風力大于4 級時，船舶無法平穩駐位進行拋石作業，對拋石的準確落位和水上測量帶來一定困難。

解決辦法：①選擇合理的窗口期，根據天氣及潮水海況，選擇施工時間，多選擇低水位、低流速期間進行施工；②當天氣及海況不滿足要求時，停止施工。

2） 問題二：在施工拋石過程中，在5 m2范圍內，出現普遍拋石標高高于20 cm 或者低于20 cm 的情況，則會造成振沉困難，或是大面積低點無法滿足設計標高。在實際的拋石中，存在實際拋石標高超出控制標高20～40 cm 的情況，造成了振沉困難，在該狀況下，某個錘位長時間持續振動雖然可以振平至設計標高，但在復振檢驗時，發現臨近區域石料拱起，造成振平不合格。

解決辦法：①拋石施工前對基槽開挖進行驗收，并根據測量標高對拋石量進行精確核算；②拋石過程中勤打水坨，驗證拋石點與預拋點一致；③把控原材進場質量檢驗關口，嚴格控制塊石尺寸規格不超過40 cm，單位10～100 kg，抗壓強度不低于50 MPa。

6 效益分析

6.1 安全管理

完全取消潛水員水下作業，本質安全上消除了潛水作業安全風險。

6.2 進度（效率）管理

采用溜槽拋填導向系統與框架式臺車振錘定位系統，實現了基床拋石的定點定量，振平施工的定點定高的工藝效果，實現了基床拋石、夯實、整平一體成型。有效減少基床拋石施工工序，減少約30%，較傳統水下基床潛水員整平提升日施工效率2.5 倍以上。

6.3 質量管理

滿足《水運工程質量檢驗標準》中水下基床重錘夯實、基床整平的驗收標準；有效保證了基床施工一次性合格率，可達到100%。

6.4 經濟效益

以欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區9 號、10 號泊位工程基床拋石施工為例，將傳統基床施工與拋石整平裝備施工成本進行分析比較，共產生經濟效益約50.2 萬元。具體見表1。

表1 傳統基床施工與拋石整平裝備施工經濟效益對比Table 1 Comparison of economic benefits between traditional foundation bed construction and riprap leveling equipment construction

6.5 社會效益

通過對大型沉箱基礎拋石振平裝備與施工技術的研究與應用，實現了機械化換人的目標，完全取代潛水員水下作業，本質安全上消除了潛水作業安全風險。同時提高了一次性施工質量，有效保證了大型沉箱基礎施工質量，推動重力式碼頭施工向智能化、信息化發展，推廣和應用前景廣闊。

7 工藝總結

1） 浪涌高度對振平工序影響較大，浪涌高度超過1 m 或波長超過8 s 時振平工序停止施工。

2） 基床拋填石料嚴格選用10～100 kg 塊石，規格尺寸不超過40 cm，強度不低于50 MPa。

3） 振動錘參數：激振力230 t；振動質量約42 t（錘加振動管總質量）；單位面積激振力為46 t，振幅為2.5 mm，最大頻率2 000 r/min。操作過程振動錘激振力取40%，振動時間不小于60 s。

8 結語

本次施工技術應用基槽地質情況為中風化巖石，強度較高且基床高度僅為1 m，采用大型沉箱基礎振動夯實施工技術，施工效率高，安全可靠、經濟效益和社會效益顯著，可為類似碼頭施工提供借鑒。后續結合不同地質條件及基床尺寸厚度進行進一步的試驗，收集統計完善更多相關數據，形成規范標準。