桶式結(jié)構(gòu)定位下沉施工及監(jiān)控

夏俊橋，范旭征博，李　武

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222044；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

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桶式結(jié)構(gòu)定位下沉施工及監(jiān)控

夏俊橋1，范旭征博1，李武2*

（1.中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222044；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海200032）

新型的單桶多倉桶式結(jié)構(gòu)需要下沉入土中形成直立式防波堤的主體結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的錘擊下沉無法完成，文章通過對桶式結(jié)構(gòu)入泥過程中的阻力及可能的動力進行分析，利用桶式結(jié)構(gòu)重力、負壓等實施下沉，在工程實踐中采用兩條船對拉實現(xiàn)對漂浮桶體的控制，開發(fā)專用測量定位系統(tǒng)監(jiān)控并指導(dǎo)定位下沉施工，通過排氣、排水、負壓等多重措施完成桶式結(jié)構(gòu)的下沉入土。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該套工藝較好地完成了桶式結(jié)構(gòu)的安裝。

單桶多倉結(jié)構(gòu)；桶式結(jié)構(gòu)安裝；負壓下沉；下沉施工技術(shù)

1　工程概況

連云港徐圩港區(qū)防波堤口門段采用桶式結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)建造防波堤。桶式結(jié)構(gòu)是一種單桶多倉結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)下桶體呈長圓形，由中間矩形和兩個半圓組成，長30 m、寬20 m，通過隔墻分為9個隔倉，上層2個φ8.9 m圓形筒體坐落在基礎(chǔ)桶頂板上，桶體總重2 600～3 100 t[1-2]。

直立堤距離岸線7～12 km，風浪較大，地處淤泥質(zhì)海岸帶，軟土深厚，物理力學(xué)指標差、靈敏度高，淤泥層厚5～11 m，下臥粉質(zhì)黏土層。桶式結(jié)構(gòu)下層桶無底有蓋，沉入土中后桶壁、桶蓋板、桶隔板及桶底把軟土封閉在桶內(nèi)，桶式結(jié)構(gòu)通過自身重量和軟土的相互作用共同承擔上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載[3-4]。

單桶多倉結(jié)構(gòu)為插入式結(jié)構(gòu)，如何將重達上千乃至幾千t的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)沉入基底是該類結(jié)構(gòu)的施工關(guān)鍵。插入式結(jié)構(gòu)常用的施工工藝有振沉、沖挖下沉、重力自沉等方式，本工程利用桶體自身重力和負壓共同作用下克服土體阻力和浮力的作用原理設(shè)計工藝，負壓設(shè)備選用了潛水排污泵和真空泵，桶體結(jié)構(gòu)在自重及負壓的作用下，通過排氣排水克服土體阻力下沉。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)Fig.1　The bucket-based structure

2　分析計算

本工程桶體按下桶高度分6種型號，本計算分別選取最輕和常用型號進行計算，直立堤與斜坡堤銜接處ET1沒有上筒，重量最小，桶體總重24 456 kN，普通型號桶體總重30 834 kN。

桶體下沉需要克服土體摩阻力及端阻力，本工程土層分部相對較均勻，下沉泥層主要為淤泥層，桶體穿過淤泥層后進入下層粉質(zhì)黏土層1～2 m，淤泥層主要由淤泥組成，流塑，壓縮性極高，粉質(zhì)黏土層主要由黏土、粉質(zhì)黏土組成，可塑。主要參數(shù)如下：

①層淤泥：飽和，流速。土質(zhì)均勻滑膩，含少量貝殼碎片及有機質(zhì)，含少量粉砂斑跡，搖振具反應(yīng)，干強度高，韌性高。該層在整個勘察區(qū)域表部穩(wěn)定分布，頂板標高一般為-3.8～-5.6 m，厚度一般為5.2～11.7 m，平均厚度為7.7 m。實測標貫試驗擊數(shù)一般為<1～1擊，十字板試驗抗剪強度統(tǒng)計值為16.5 kPa。

②層粉質(zhì)黏土：飽和，可塑～硬塑。切面較粗糙，土質(zhì)較勻，含有機質(zhì)斑點、氧化鐵斑跡及鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部含鈣質(zhì)姜結(jié)石，直徑一般為2～5 cm，局部夾粉土或粉砂薄層，單層厚度0.2～0.5 cm。搖振無反應(yīng)，韌性中等，干強度中等。該層在勘察區(qū)普遍分布，頂板標高一般為-10.4～-16.8 m，厚度不均勻，一般為2.5～6.5 m，最小厚度0.5 m（BY24孔處），最大厚度9.6 m（K46孔處），平均厚度為4.6 m。實測標貫試驗擊數(shù)一般為6～12擊，平均為9.5擊[2]。

為了確定土層的摩阻及端阻系數(shù)，分別取原樣土進行了室內(nèi)試驗，并將室內(nèi)試驗現(xiàn)場1︰6桶體模型下沉驗證，驗證后取值見表1。

表1　摩阻系數(shù)取值表Table 1　Value of friction coefficient

各土層厚度按桶體附近鉆孔取值，本例取工程中ET1附近代表性鉆孔BY37為例，水下桶體重量取浮容重，下桶高11.0 m，代表性潮位取3.0 m，經(jīng)驗證潛水排污泵和真空泵分別能達到的真空度為30%、90%，按以上參數(shù)計算下沉力和阻力，計算結(jié)果見表2。

根據(jù)計算結(jié)果，單純采用潛水排污泵ET1和常用型號下沉力與阻力的比分別為1.61、1.65，使用真空泵下沉力與阻力的比分別達到了2.2、2.24，按類似工程經(jīng)驗下沉力與阻力比>1.5可滿足施工需求，本工程進行工藝設(shè)計時每個倉均接潛水排污泵，為了保證桶體下沉到位，使用了2個真空泵，一個真空泵與4個隔倉并聯(lián)，另一個真空泵與其他5個隔倉并聯(lián)。

表2　桶體下沉受力計算結(jié)果Table 2　Sinking force results of the bucket

圖2　氣路系統(tǒng)設(shè)計Fig.2　Pneumatic system design

3　工藝總體設(shè)計及工藝流程

桶式結(jié)構(gòu)下沉施工工藝應(yīng)保證桶體下沉到設(shè)計深度，施工過程能進行姿態(tài)矯正，針對桶式結(jié)構(gòu)單桶多倉的結(jié)構(gòu)特點，在下層桶每個隔倉桶蓋板上分別預(yù)留水管和氣管，氣管上連接排氣閥門和真空泵，水管連接潛水排污泵。排氣系統(tǒng)、真空泵、潛水排污泵等均連接電腦控制系統(tǒng)，電腦程序通過控制PLC模塊控制各泵閥開啟、關(guān)閉。

第一階段為排氣自重下沉。打開桶體上方的排氣排水閥門，桶體在自身結(jié)構(gòu)重力的作用下入泥下沉，桶內(nèi)氣體排出，同時通過排氣速度控制下沉的速率、下沉過程中發(fā)生傾斜時通過不同隔倉排氣量調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)，直至桶體結(jié)構(gòu)自重和土體阻力平衡、結(jié)構(gòu)停止下沉為止。氣路系統(tǒng)設(shè)計詳見圖2。

第二階段為抽水抽氣負壓下沉。當桶體內(nèi)的氣體全部排出后，利用潛水排污泵從抽水孔中將桶內(nèi)水體抽出，結(jié)構(gòu)繼續(xù)下沉；在無水可抽時，通過抽氣形成負壓加力。

根據(jù)該工藝設(shè)計，排水系統(tǒng)和排氣、負壓系統(tǒng)均安裝在下桶體及上筒體的操作平臺上，該施工系統(tǒng)高度集成，方便施工控制。施工時在預(yù)制場內(nèi)安裝管道，在半潛駁到達現(xiàn)場時將操作平臺安裝在筒頂，連接平臺與下層桶頂板的相應(yīng)管道，桶體浮運到安裝位置后進行定位下沉，施工工藝流程見圖3。

圖3　工藝流程圖Fig.3　Process flow diagram

4　桶體下沉施工工藝

4.1桶體定位

桶體氣浮運輸?shù)骄嚯x安裝位置10 m時開始精確定位，定位采用起重船和駁船共同完成（圖4、圖5）。精確定位時測量人員到前一個桶頂，手持拐尺測量，另一測量人員觀察自動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時報桶體位置，指揮人員根據(jù)測量數(shù)據(jù)指揮定位船、起重船通過拉錨和卷揚機攪動纜繩移位，定位時首先將肋板移動到相對軸線的正確位置，然后向已經(jīng)安裝的桶體移動，當桶體在預(yù)定安裝位置10 cm以內(nèi)時拉緊錨纜確保桶體位置基本固定，開始下沉作業(yè)。

圖4　定位工藝圖Fig.4　Positioning flow diagram

圖5　定位控制現(xiàn)場Fig.5　Positioning control field

4.2排氣下沉

1）當桶體定位確定無誤后，操作自動化控制系統(tǒng)打開排氣閥門，在自重作用下桶體開始下沉。

2）由懸浮狀態(tài)下沉至泥面上30 cm后，關(guān)閉排氣閥門，停止排氣，測量人員再次通過GPS精確定位，通過二維測傾儀檢查桶體垂直度，確認滿足設(shè)計要求后，再次打開閥門排氣，最終入土下沉。

3）由于原泥面的高差及土質(zhì)不均，桶體入土下沉會產(chǎn)生傾斜位移。通過測傾儀監(jiān)控側(cè)傾狀況，如發(fā)現(xiàn)超過要求，關(guān)閉下沉較大側(cè)隔倉的排氣閥門，同時觀察桶體的平衡狀況，待桶體平衡后，再次打開全部排氣閥門進行排氣下沉，確保桶體順直平穩(wěn)的完成第一階段下沉。

4）本階段下沉深度主要取決于桶內(nèi)氣體數(shù)量，桶體自重形成的下沉力滿足此階段下沉，下層11 m桶按下沉時水位4 m、浮游吃水9 m時桶內(nèi)氣體高為5.54 m，打開閥門后開始排氣，此處泥面開挖至-6.8 m，當桶體底部觸及泥面時桶內(nèi)剩余氣體5.2 m，桶底如土后本階段可下沉5.2 m，進入下一階段排水負壓下沉。

4.3排水負壓下沉

1）完成上述工作后，根據(jù)桶內(nèi)水位情況啟動排污泵，進行負壓下沉（圖6），不間斷的觀測桶壁水位刻度線，隨時反饋，當桶體30 min下沉不超過10 cm時或糾偏困難時開啟真空泵。

圖6　下沉作業(yè)Fig.6　Sinking process

2）當下沉傾斜超過要求時，暫停下沉較大一側(cè)隔倉的水泵（或真空泵），下沉較小的一側(cè)繼續(xù)工作，直至桶體下沉處于均衡狀態(tài)，其后繼續(xù)負壓下沉作業(yè)。

3）作業(yè)通過操作平臺閥門進行控制，隨時調(diào)整各臺泵開關(guān)，確保桶體的平衡下沉，當排污泵出口處無水排出并有泥漿出現(xiàn)，關(guān)閉各排污泵，校核下沉深度達到設(shè)計要求后下沉作業(yè)完成。

5　下沉施工重點事項

1）為方便桶體下沉可以設(shè)置刃腳，本工程設(shè)計下桶體墻體底部采用30 cm，到了上部提高為40 cm[3]。

2）為了保證桶體下沉后的平整度需要首先掃測泥面標高，對高差較大處進行處理，桶體下沉過程會有一定的涌泥量，為保證桶體下沉的設(shè)計標高，基底處理時一并考慮。

3）擬下沉區(qū)域需進行詳細勘探，查明不利于下沉的堅硬夾層、特殊土層、障礙物等，本工程所在區(qū)域在淤泥層底和粉質(zhì)黏土層之間分布有堅硬的鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)物，下沉前使用鈣核專用處理船進行了振解作業(yè)。

4）排氣、排水和負壓下沉采用自動控制系統(tǒng)時應(yīng)設(shè)置手動旁路，采購的泵、閥、管道、開關(guān)等應(yīng)考慮海水使用環(huán)境，排水系統(tǒng)需要排泥漿，各類設(shè)備均應(yīng)購置一定量的備用。

5）操作臺安裝完成后固定GPS、側(cè)傾儀，設(shè)置測量儀器與桶體之間的關(guān)聯(lián)參數(shù)，參數(shù)應(yīng)經(jīng)校核。定位過程中確有必要時可在已經(jīng)安裝的桶體上架設(shè)全站儀進行校核。

6）自動化控制系統(tǒng)需要輸入?yún)?shù)調(diào)整，初期參數(shù)不夠詳盡、精確，需要積累數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。

7）下沉糾偏過程設(shè)總調(diào)度進行協(xié)調(diào)指揮，桶體高差超過10 cm時應(yīng)及時糾偏，最高高差不宜超過30 cm，在自動調(diào)整失效時總調(diào)度可以指揮操作人員轉(zhuǎn)為手動控制、調(diào)節(jié)。

8）施工時同時實施測量以及監(jiān)測工作，通過實際下沉作業(yè)，為后續(xù)桶體下沉積累施工、結(jié)構(gòu)參數(shù)。

9）桶體下沉控制以桶體頂部抵達泥面到達設(shè)計標高為準，當桶體施工采用真空泵工藝時，如最后1 h下沉不超過1 cm，及時與設(shè)計溝通。

10）為了提高糾偏及下沉能力，有條件時可以制作4隔倉或多隔倉下沉加載水箱。

11）安裝效果。已安裝110個的桶體間距、平面偏差、垂直度等均滿足設(shè)計要求。

試驗桶體施工中對桶體ET2和ET3進行了下沉、土壓力、孔壓力監(jiān)測，蓋板土壓力計測試平均值（水壓）為92 kPa，孔壓力計測試平均值為106 kPa；ET3蓋板土壓力計測試平均值（水壓）為80 kPa，孔壓力計測試平均值為109 kPa。

6　結(jié)語

1）本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計耗費自然資源少，施工工藝不需要大方量開挖，沒有拋灑作業(yè)，綠色環(huán)保。

2）采用氣體動力原理設(shè)計的施工工藝采用的氣體、水體均取之自然，歸還自然。不需要大型起重船、打樁船，能源消耗少。

3）桶體下沉平面位置、桶間間距采用雙船對拉工藝能有效控制在設(shè)計允許誤差范圍內(nèi)，定位下沉遭遇突風、大浪時在入土前后需要嚴密監(jiān)控，反復(fù)調(diào)整，下沉過程延緩控制纜繩放松時間。

4）采用的排氣、排水、抽真空的三級下沉工藝設(shè)計符合桶式結(jié)構(gòu)的特點，能滿足90%以上桶體下沉至設(shè)計標高，建議標準增加特殊地質(zhì)、下桶體蓋板與泥面接觸后不再繼續(xù)下沉等特定條件的停止下沉判定標準。

5）桶體氣密性關(guān)系浮運安全，在不同施工階段檢查和采取措施保證桶體氣密性，出運前檢查桶體本身是否存在裂縫、破損、蜂窩等缺陷，管道安裝完畢后關(guān)閉底部閥門進行試驗充氣，檢查閥門和管道是否存在漏氣，浮起前對周邊進行詳細查看，檢查周邊是否存在水泡，是否存在漏氣聲音[4]。

桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種新型的插入式單桶多倉結(jié)構(gòu)，具有節(jié)約材料、造價低、綠色環(huán)保、施工快捷等優(yōu)勢，適用于土層為深厚淤泥層的港口工程。桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)定位采用的雙船對拉控制能力強、調(diào)節(jié)方便、安全度高。為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉設(shè)計的依靠重力和負壓下沉的施工工藝高度集成，具有自動化程度高、工藝簡單、操作方便、易于控制等優(yōu)點，本工藝在類似結(jié)構(gòu)下沉中具有普適性。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程工程可行性研究報告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程初步設(shè)計[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[3]曹永勇.新型桶式基礎(chǔ)防波堤在負壓下沉中的穩(wěn)定性試驗[J].水運工程，2014（7）：41-45. CAO Yong-yong.Stability tests for new bucket-based breakwaqter driven by negative pressure[J].Port&Waterway Engineering,2014 (7):41-45.

[4]李武，吳青松，陳甦，等.桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試驗研究[J].水利水運工程學(xué)報，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability test of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

Sinking techniques and monitoring of bucket-based structure positioning

XIA Jun-qiao1,FAN Xu-zheng-bo1,LI Wu2*
（1.Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222044,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The new type of bucket-based structure,which is made up of a single bucket and multiple cabins,need to form the major structure of upright breakwater when it sinking into soil.Traditional hammer sinking is not feasible.We analyzed the resistance and potential dynamic force and finds out the bucket can be sunk by its gravity and vacuum pressure.In practice,the bucket controlling process is achieved by two opposite pulling barges,the special measurement positioning system is developed and the positioning sinking construction is monitored and guided.Exhausting,dewatering and vacuum sinking with specialized positioning monitor systems are adopted to sink the bucket.Monitoring data demonstrates this technology can meet the demands of the installation of a bucket.

single bucket with multiple cabins;bucket-based structure installation;vacuum sinking;sinking techniques

U656.22；U655.4

B

2095-7874（2016）03-0073-05

10.7640/zggwjs201603016

2016-01-12

江蘇省科技支撐計劃項目（BE2013663）；江蘇省交通運輸科技項目（2013Y20）

夏俊橋（1977—），男，安徽阜陽人，高級工程師，從事港口與航道工程管理和技術(shù)管理、研究工作。*通訊作者：李武，E-mail：liw@theidi.com