重力式碼頭沉箱后方回填優(yōu)化

◎ 涂國(guó)金 江西省路港工程有限公司

1.工程概況

某礦石碼頭位于港區(qū)第二港池北岸線以東，由1個(gè)20×104t泊位和2個(gè)25×104t泊位組成，碼頭前沿底標(biāo)高-18.5～-16.0m，碼頭主體為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共安裝A型方沉箱和B型方沉箱40個(gè)和8個(gè)，岸線總長(zhǎng)715m。

該重力式碼頭地基處理難度大，為避免對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)造成不利擾動(dòng)，在沉箱后緣線25m范圍內(nèi)不得展開高強(qiáng)度地基處理。因此提出振沖法處理方案，對(duì)25m以外的地基則展開強(qiáng)夯，該方案下振動(dòng)影響范圍滿足要求。為節(jié)省施工成本，于該重力式碼頭后方25m范圍內(nèi)回填粒徑0.075mm以下、含泥量不超出10%的砂料；而對(duì)其余區(qū)域，則回填粒徑0.075mm以下、含泥量在20%以內(nèi)的開山料。

該碼頭所在航道環(huán)保要求高，無(wú)法展開河砂大量開采，該方案下，碼頭沉箱后方回填施工所需砂料量大，砂料外購(gòu)必將增大施工成本。為此，必須結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行施工方案優(yōu)化。

2.回填方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 方案1：分層回填

在采取分層回填的優(yōu)化思路后，可達(dá)到砂料使用量減少的目的，同時(shí)對(duì)全部回填料展開地基處理，以避免發(fā)生不均勻沉降。就施工次序而言，應(yīng)先安裝沉箱，并施作拋石棱體；在沉箱后緣線25m以外回填開山料后夯實(shí)處理；待完成胸墻施工后，在沉箱后緣線25m以內(nèi)展開砂土和開山料分層回填，開山料分層厚度按2.0～2.5m確定，并通過(guò)夯錘錘擊密實(shí)；而開山料水上部分分層回填后進(jìn)行振沖碾壓。回填砂料也分層碾壓或振沖。

該優(yōu)化方案能大大減少重力式碼頭沉箱后方回填對(duì)砂料的使用量，并能有效避免強(qiáng)夯對(duì)沉箱的不利影響；但分層填筑施工過(guò)程復(fù)雜繁瑣，層次多，不利于工期控制。分層回填結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 分層回填結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 方案2：調(diào)整回填次序

通過(guò)調(diào)整碼頭沉箱后方回填次序，以減少砂料使用量。具體而言，在沉箱后方回填料破裂角內(nèi)回填粒徑0.075mm以下、含泥量10%以內(nèi)的砂料，振沖密實(shí)；其余區(qū)域則回填粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料，并強(qiáng)夯處理。就施工次序而言，先安裝沉箱，再施作拋石棱體，并回填沉箱后方開山料；將開山料回填邊界與破裂面的距離控制在3.0m以上；因回填邊坡較為陡峭，回填后必須及時(shí)強(qiáng)夯。與此同時(shí)，沉箱后方砂料回填施工過(guò)程并未展開，沉箱和開山料之間的空間可用作隔振溝[1]，有效阻隔邊坡回填對(duì)沉箱的不利影響。此后，施作胸墻，回填砂料，并分層振沖碾壓密實(shí)。

該優(yōu)化方案同樣能節(jié)省回填砂料用量，根據(jù)斷面面積粗略估計(jì)，砂料用量可比原方案減少50%左右，同時(shí)能使沉箱后方回填料強(qiáng)夯施工對(duì)沉箱的不利影響明顯減輕；工期較分層回填優(yōu)化方案短。優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 方案3：快速低能夯實(shí)

沉箱安裝好后施作拋石棱體，在碼頭沉箱后方回填開山料，并將沉箱后緣線和坡頂線間的距離控制在13m左右，回填后及時(shí)強(qiáng)夯。此后，施作胸墻，待沉箱和胸墻間水域部分開山料回填高度升高至+2.5m時(shí)，展開快速低能強(qiáng)夯；同時(shí)在+2.5m以上分層回填開山料，直至+3.3m的交工標(biāo)高。該方案結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 快速低能夯實(shí)結(jié)構(gòu)示意圖

為展開該方案夯擊效果檢測(cè)，在施工現(xiàn)場(chǎng)使用粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料回填出一塊長(zhǎng)和寬均為19m的試驗(yàn)場(chǎng)地，并通過(guò)夯擊能36kJ的快速低能夯實(shí)機(jī)展開夯擊試驗(yàn)[2]。按照2倍的設(shè)計(jì)荷載（即400kPa）對(duì)回填區(qū)地基展開夯擊，并分50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa等8級(jí)施荷，此后檢測(cè)承載力。隨機(jī)抽取4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的荷載沉降試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 快速低能夯實(shí)荷載沉降試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表中試驗(yàn)結(jié)果，在采用快速低能強(qiáng)夯后地基處理效果良好，承載力能達(dá)到《港口工程地基規(guī)范》（JTS147-1-2010）要求，方案切實(shí)可行。

2.4 方案比選

該重力式碼頭沉箱后方原回填方案與三種優(yōu)化方案的比較見表2。由表可知，優(yōu)化方案3即快速低能夯實(shí)方案機(jī)械化水平高，地基承載力強(qiáng)度高，施工質(zhì)量好，且不使用砂料，使材料成本得以降低；同時(shí)大量使用開山廢料，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

表2 重力式碼頭沉箱后方回填優(yōu)化方案比選

3.快速低能夯實(shí)施工控制

3.1 機(jī)械配置

快速低能夯實(shí)機(jī)主要通借助挖掘機(jī)或裝載機(jī)提供液壓動(dòng)力，將夯擊錘提升至設(shè)計(jì)高度后瞬間釋放，夯錘在液壓蓄能及重力勢(shì)能[3]的共同作用下加速下落，并錘擊地面夯板，達(dá)到夯實(shí)地面的目的。該重力式碼頭沉箱后方回填開山料后，采用質(zhì)量3～9t的錘芯，按照1.2m的設(shè)計(jì)高度落錘，并按40次/min的頻次沖擊。夯擊能經(jīng)由錘套和錘腳后向待加固地基傳遞，夯擊能有效影響范圍可達(dá)4.0～5.0m。

該工程采用的RIC9型快速低能夯實(shí)機(jī)由K345B挖掘機(jī)提供液壓及行走動(dòng)力，并配置有監(jiān)視器和監(jiān)控系統(tǒng)，能按照預(yù)先設(shè)定的施工參數(shù)自動(dòng)控制施工過(guò)程，能大大減少能量損失；并能自動(dòng)記錄各夯點(diǎn)夯擊數(shù)、夯擊過(guò)程中的能量輸出及沉降量，工作性能和工效有保證。

該重力式碼頭沉箱后方開山料回填所選用的RIC9型快速低能夯實(shí)機(jī)具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：（1）高機(jī)動(dòng)性。該型號(hào)夯實(shí)機(jī)安裝在液壓挖掘機(jī)上，能在作業(yè)位置間高速移動(dòng)，并能一次夯實(shí)較大厚度。（2）可控性。夯實(shí)過(guò)程中，各夯點(diǎn)位置和各次的夯擊能可精確控制，并能通過(guò)事先設(shè)置最終夯沉量、最小夯沉量、夯擊次數(shù)等展開自動(dòng)操作；夯擊能通過(guò)工作面直徑為1.2m的鋼錘腳向地基傳遞，可將能量傳遞損失降至最低。（3）安全性。該夯實(shí)機(jī)作業(yè)過(guò)程中，錘腳始終與工作面直接接觸，可有效避免碎片飛濺等潛在危險(xiǎn)，并能確保周圍既有結(jié)構(gòu)、相鄰設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)施工人員的安全。（4）低能耗。該型號(hào)夯實(shí)機(jī)夯擊頻率可達(dá)20～60次/min，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，在單點(diǎn)履帶式起重機(jī)夯擊10次，該夯實(shí)機(jī)夯擊55次的情況下，后者的工效約為前者的1.7倍，油耗僅為前者的80%。

3.2 夯擊施工

施工前徹底清理場(chǎng)地內(nèi)障礙物，并將表層松散土層碾壓初平，便于機(jī)械平穩(wěn)行走；同時(shí)應(yīng)在施工場(chǎng)地內(nèi)開挖排水溝，避免降雨期間發(fā)生地表積水。

在全站儀和測(cè)繩的輔助下按正方形布置夯擊點(diǎn)，1 段施工帶寬度控制在30m左右；根據(jù)挖機(jī)型號(hào)，處理寬度應(yīng)按6.0m確定；借助規(guī)格6.0m×6.0m的測(cè)繩測(cè)標(biāo)出首遍夯擊點(diǎn)位。完成首遍夯點(diǎn)布置后，快速低能夯實(shí)機(jī)就位，并將夯錘中心和夯點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行夯錘頂標(biāo)高測(cè)量。此后，啟動(dòng)夯實(shí)機(jī)，將夯錘提升至設(shè)計(jì)高度后按試驗(yàn)確定的夯擊次數(shù)連續(xù)展開單點(diǎn)夯擊施工，同時(shí)記錄夯擊錘頂標(biāo)高和實(shí)際沉降量。

考慮到該型號(hào)夯實(shí)機(jī)單點(diǎn)施工時(shí)必須保證作業(yè)的連續(xù)性，收錘標(biāo)準(zhǔn)有異于傳統(tǒng)夯擊。為保證擊實(shí)效果，應(yīng)在單點(diǎn)夯擊施工完成后增加10夯次，且當(dāng)10夯次沉降量不超出50mm、夯坑四周地面無(wú)明顯隆起時(shí)結(jié)束該夯點(diǎn)施工。

對(duì)于其余夯點(diǎn)，采用同樣操作展開夯擊施工。最后使用推土機(jī)填平夯坑，通過(guò)平地機(jī)整平后再碾壓密實(shí)。

在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，重復(fù)以上步驟完成3遍強(qiáng)夯，每次強(qiáng)夯之間的間隔根據(jù)填料中超靜孔隙水壓力消散時(shí)間確定。該重力式碼頭沉箱后方回填的開山料屬于多空隙高透水性材料，可展開連續(xù)夯擊。

3.3 質(zhì)量控制

3.3.1 施工機(jī)械控制

該重力式碼頭沉箱后方回填開山料使用RIC9型快速低能夯實(shí)機(jī)，其監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)記錄各夯擊點(diǎn)的夯擊數(shù)、夯沉量及能量輸出值[4]。通過(guò)預(yù)設(shè)監(jiān)視器參數(shù)以自動(dòng)控制夯實(shí)機(jī)，降低能量損失，提升工效。監(jiān)視器中所存儲(chǔ)的施工參數(shù)可直接下載并打印。此外，該夯實(shí)機(jī)可同時(shí)用作檢測(cè)工具，通過(guò)所記錄的各夯擊點(diǎn)夯沉量，對(duì)地基實(shí)時(shí)檢測(cè)。

RIC9型快速低能夯實(shí)機(jī)的液壓動(dòng)力主要由K345B挖掘機(jī)提供，在夯擊錘高頻率提升期間，挖掘機(jī)液壓總泵會(huì)承受長(zhǎng)期大負(fù)荷，故必須加強(qiáng)挖掘機(jī)型號(hào)及性能控制。

3.3.2 錘套及錘腳控制

在沖擊錘以較高頻率擊打錘套的過(guò)程中，錘套必然產(chǎn)生一定熱量，根據(jù)施工期間環(huán)境溫度，每施工2h后必須散熱2h；迫于工期要求，如果要連續(xù)施工，必須另外配置1套錘套與錘腳。

將2層橡膠墊墊設(shè)在錘套和錘腳內(nèi)，以起到緩沖和隔振作用。因夯擊施工強(qiáng)度高，橡膠墊破損快，故應(yīng)定期檢查橡膠墊破損程度，并配備足夠量的備件。

3.3.3 施工參數(shù)控制

因夯擊錘錘擊錘套和錘腳的頻率較高，故必須保證施工面平整度和錘腳水平度，防止因施工面不平整或錘腳傾斜而影響錘擊質(zhì)量和效果。

快速低能夯實(shí)機(jī)對(duì)單點(diǎn)夯擊施工時(shí)夯擊頻率高、速度快，單點(diǎn)連續(xù)作業(yè)的夯沉量必然與單點(diǎn)分次夯擊的檢測(cè)結(jié)果不符，故應(yīng)加強(qiáng)過(guò)程控制。

4.結(jié)論

綜上所述，該重力式碼頭沉箱后方回填粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料切實(shí)可行；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用快速低能夯實(shí)工藝展開開山料地基處理，能取得較好的夯實(shí)效果，回填砂料用量大大節(jié)省；地基承載力高，施工質(zhì)量好，機(jī)械化水平高。回填施工后承載力、壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果表明，快速低能夯實(shí)工藝夯實(shí)能量高、機(jī)動(dòng)靈活、影響深度大，對(duì)于重力式碼頭、路基、堤防加固及防滲處理等均具有普遍適用性。