插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤施工關(guān)鍵技術(shù)

練學(xué)標(biāo)，陳雄

（中交三航局有限公司江蘇分公司，江蘇　連云港　222042）

插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤施工關(guān)鍵技術(shù)

練學(xué)標(biāo)，陳雄

（中交三航局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042）

新型插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工都擁有各自的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并首次應(yīng)用在連云港徐圩防波堤工程。文章主要通過(guò)對(duì)預(yù)制、場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)及出運(yùn)、氣浮及負(fù)壓下沉等施工過(guò)程分析，提出無(wú)底混凝土桶體底模板工藝技術(shù)、混凝土氣密性施工技術(shù)、桶體場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)技術(shù)、桶體氣浮施工技術(shù)、桶體負(fù)壓下沉施工技術(shù)、桶體安裝控制系統(tǒng)等關(guān)鍵施工技術(shù)，工程取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，為該結(jié)構(gòu)的推廣使用提供理論與實(shí)踐參考。

插入式；桶式基礎(chǔ)；無(wú)底；氣??；負(fù)壓；氣密性

1　工程概況

連云港徐圩港區(qū)防波堤工程為東西兩堤，東防波堤全長(zhǎng)12 509.35 m，西防波堤全長(zhǎng)9 804.18 m，其中采用插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的東防波堤長(zhǎng)4 675.81 m，西防波堤長(zhǎng)3 437.28 m，均在防波堤的外側(cè)口門(mén)段，桶體總數(shù)量為390個(gè)，最大預(yù)制安裝單件重量3 200 t[1]。

插入式桶式基礎(chǔ)防波堤主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)桶體為非雙向?qū)ΨQ、單桶多艙。每一組桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由1個(gè)帶頂板的基礎(chǔ)桶體和2個(gè)上部圓筒組成。基礎(chǔ)桶體呈橢圓形，桶內(nèi)通過(guò)隔板劃分為9個(gè)隔艙。2個(gè)上部圓筒坐落在基礎(chǔ)桶體頂板上，通過(guò)頂板上的杯口圈梁連接。該桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一桶多倉(cāng)的新型結(jié)構(gòu)尚沒(méi)有應(yīng)用先例。+3.5 m以下標(biāo)高部分為預(yù)制安裝基礎(chǔ)桶體，也是本工程施工的核心。+3.5 m以上部分為水上現(xiàn)澆接高圓筒、現(xiàn)澆檔浪墻、預(yù)制安裝走道板及現(xiàn)澆堤頂?shù)缆?，詳?jiàn)圖1[2]。

2　工程主要特點(diǎn)

1）環(huán)保綠色施工，節(jié)能減排

新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在專業(yè)預(yù)制廠預(yù)制成型，氣浮運(yùn)輸及負(fù)壓安裝是充分利用液體、氣體的特點(diǎn)進(jìn)行施工，與其它結(jié)構(gòu)相比，無(wú)需對(duì)基床進(jìn)行大開(kāi)挖或爆破施工，對(duì)海洋的影響最小。同時(shí)施工投入的船機(jī)設(shè)備較少，節(jié)能減排，綠色環(huán)保。

圖1　桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure of bucket-based breakwater

2）節(jié)約資源

本工程主要的資源為鋼筋混凝土原材及少量的護(hù)底石，全斷面每延米所需消耗的資源為拋石堤及砂被堤結(jié)構(gòu)的20%以內(nèi)，大大地節(jié)約資源，便于快速組織施工。

3）施工效率高

桶式結(jié)構(gòu)在專業(yè)預(yù)制廠預(yù)制，共有4條線28個(gè)臺(tái)座，預(yù)制能力為20～22件/月，桶體氣浮及安裝自動(dòng)化程度高且可以多點(diǎn)同時(shí)安裝，4—10月份平均安裝大約20件/月，11—次年3月份平均安裝10件/月以上，全年可以安裝200件以上，施工效率明顯，并且無(wú)需接岸施工。

4）安全可靠

桶式結(jié)構(gòu)防波堤在吹填段需進(jìn)入混砂層1.5～2.0 m，非吹填段進(jìn)入混砂層0.5 m以上，根據(jù)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果滿足施工及使用穩(wěn)定性要求[3]，且整個(gè)施工過(guò)程危險(xiǎn)作業(yè)少，自動(dòng)運(yùn)行化程度高，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較低。

5）美觀壯觀

該結(jié)構(gòu)施工完成后線條順直美觀，且后期變形相對(duì)斜坡式防波堤較小，建成后成為海上一道壯麗的風(fēng)景線。

6）投資節(jié)省

本結(jié)構(gòu)防波堤與拋石堤、砂被堤及沉箱結(jié)構(gòu)相比要節(jié)約投資10%以上，且施工成本易控。

3　自然條件及地質(zhì)

3.1海洋水文氣象條件

設(shè)計(jì)高水位5.41 m，設(shè)計(jì)低水位0.47 m，極端高水位6.56 m，極端低水位-0.68 m。

水文測(cè)驗(yàn)表明徐圩港區(qū)附近的各測(cè)點(diǎn)外側(cè)為旋轉(zhuǎn)流，近岸流場(chǎng)長(zhǎng)短軸呈順岸方向。夏季漲潮流速大于落潮流速。漲潮平均流速0.3～0.87 m/s，落潮平均流速0.3～0.71 m/s。

桶體裝船、起浮移運(yùn)就位要選取適當(dāng)?shù)母叱彼?，確保作業(yè)時(shí)間，船舶在海上作業(yè)的條件為波高≤1 m，風(fēng)≤5級(jí)，水流≤0.7 m/s。

3.2地質(zhì)條件

①層淤泥:灰色，流塑，層頂局部分布薄層流泥，層底夾薄層淤泥質(zhì)土。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度:5.20~17.80 m，平均10.24 m。該層為本場(chǎng)地特殊性土層，具高壓縮性，高觸變性，高含水量，工程地質(zhì)性質(zhì)極差。

②層粉質(zhì)黏土:黃褐色～灰黃色，可塑，局部含鐵錳質(zhì)氧化物，夾粉土、粉砂薄層，與淤泥底板交界處多夾厚10～20 cm直徑0.5~1 cm鈣質(zhì)結(jié)核物（簡(jiǎn)稱鈣核），最大鈣核直徑3 cm，切面較光滑，韌性及干強(qiáng)度中等。場(chǎng)區(qū)普遍分布，厚度: 0.50~10.30 m，平均4.31 m。該層壓縮性中等，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。

桶體要插入②層粉質(zhì)黏土中，在淤泥層底部與②層粉質(zhì)黏土中存在鈣核，會(huì)影響桶體下沉，需要進(jìn)行處理。

4　主要施工方法

防波堤施工主要流程:基礎(chǔ)桶體預(yù)制→桶體氣囊搬運(yùn)至半潛駁→拖輪拖半潛駁至下潛坑→半潛駁下潛（中間進(jìn)行氣密性檢查）→調(diào)整桶體氣壓至浮游穩(wěn)定吃水→桶體出駁→桶體氣浮→浮運(yùn)至安裝位置→定位負(fù)壓下沉至設(shè)計(jì)要求?；A(chǔ)桶體下沉穩(wěn)定后現(xiàn)澆接高上層圓筒，再進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施施工。

桶體主要出運(yùn)方法:桶體預(yù)制過(guò)程中的場(chǎng)內(nèi)采用電動(dòng)小車搬運(yùn)，桶體出運(yùn)至半潛駁采用鋼托盤(pán)氣囊搬運(yùn)工藝。桶體氣浮出駁浮運(yùn)采用起重船移錨拖運(yùn)工藝。

桶體安裝的主要船機(jī)設(shè)備:5 000 t半潛駁2艘，200 t全旋轉(zhuǎn)起重船1艘，安裝定駁1艘，2 238 kW（3 000 Hp）港作拖輪1艘，錨艇2艘。自運(yùn)控制系統(tǒng)3~4套。

5　施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1無(wú)底混凝土桶體底模板工藝技術(shù)

為了同時(shí)滿足氣囊和小車在場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)，且裝拆方便，通過(guò)多種方案比選，底?？v向兩側(cè)采用固定模板，用混凝土預(yù)制塊或鋼結(jié)構(gòu)固定箱梁底模。中間為方便小車與氣囊行走采用活動(dòng)模板，采用機(jī)械千斤頂支撐箱梁底模，見(jiàn)圖2。

圖2　底模板組裝圖Fig.2　Assembly of bottom template

5.2混凝土氣密性施工技術(shù)

桶體在氣浮及負(fù)壓過(guò)程中氣密性要求非常高，外桶壁≥80 kPa、內(nèi)桶壁≥30 kPa，且不能出現(xiàn)漏氣漏水現(xiàn)象。

5.2.1氣密性混凝土原材料

水泥:硅酸鹽水泥P.Ⅱ52.5。細(xì)集料:潔凈河沙，細(xì)度模數(shù)2.7。粗集料:粒徑5~25 mm，含泥量≤1%，針片狀顆粒含量≤9%。粉煤灰:Ⅰ級(jí)。礦渣粉:S95。減水劑:聚羧酸高性能減水劑HJSX-A。

5.2.2氣密性混凝土的配合比設(shè)計(jì)

1）混凝土的水膠比0.38，砂率42%，水泥213 kg/m3，細(xì)集料748 kg/m3，粗集料1 083 kg/m3，粉煤灰85 kg/m3，礦渣粉128 kg/m3，水162 kg/m3，減水劑6 kg/m3。

2）混凝土拌和物的含氣量≤2%。

3）泵送混凝土，坍落度為160~200 mm。

5.2.3氣密性混凝土施工要求

1）投料順序:先將水泥、摻和料、細(xì)骨料干拌1.5 min，至拌和均勻后加入粗骨料、水、外加劑，再攪拌1.5~2 min至混凝土均勻一致。

2）采用插入式振搗器振搗，宜采用斜向振搗，不宜采用垂直振搗。

3）2臺(tái)泵車同時(shí)對(duì)稱澆筑，混凝土分層澆筑間隔時(shí)間需小于混凝土的初凝時(shí)間。

4）及時(shí)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。連續(xù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于12 d。5℃以下施工時(shí)應(yīng)采取冬季施工的措施。

5）模板不設(shè)體內(nèi)對(duì)拉，混凝土分層處設(shè)置止水帶、壓槽并鑿毛。

5.3桶體場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)技術(shù)

通過(guò)小車、氣囊、氣墊、水墊等常用大型構(gòu)件場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)工藝比較，電動(dòng)小車場(chǎng)內(nèi)搬運(yùn)優(yōu)勢(shì)明顯，具有自動(dòng)頂升、電動(dòng)操作的功能，搬運(yùn)效率高，在桶體預(yù)制過(guò)程中可以提前搬移，提高了臺(tái)座利用效率，加快了施工進(jìn)度，同時(shí)安全性能高，占用場(chǎng)地小，容易維護(hù)保養(yǎng)。

5.4桶體氣浮施工技術(shù)

桶體氣浮施工的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)主要有氣浮的浮游穩(wěn)定計(jì)算、氣浮過(guò)程中桶體的平衡氣壓調(diào)節(jié)及氣浮拖帶的方法。

當(dāng)桶體的重力、桶體在水中排水產(chǎn)生的浮力、桶體內(nèi)空氣壓縮形成的氣壓力三者相等時(shí)，桶體氣浮，桶體氣浮移運(yùn)時(shí)需滿足浮游穩(wěn)定的要求[4]。新型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)浮游穩(wěn)定性計(jì)算根據(jù)模型試驗(yàn)

式中:n為結(jié)構(gòu)單元的格艙數(shù)；ρ為浮游穩(wěn)定定傾半徑；YG為結(jié)構(gòu)重心位置；YC為結(jié)構(gòu)初始浮心位置；YG-YC為結(jié)構(gòu)定傾半徑。

同時(shí)還需滿足下桶體頂部干舷高度≥80 cm。

5.5鈣核處理方案設(shè)計(jì)

鈣核處理通過(guò)爆破及振動(dòng)破碎等方法的比較，振動(dòng)破碎方法雖然效率不高，但對(duì)原狀土破壞最小，且能夠滿足負(fù)壓下沉的工藝要求。為了提高破碎效率，采用三管砂樁船進(jìn)行定點(diǎn)打設(shè)鋼管，鋼管下端設(shè)計(jì)專門(mén)破碎樁頭進(jìn)行振動(dòng)破碎（圖3）。修正形成計(jì)算公式（1）。

圖3　鈣核處理圖Fig.3　Calcium-core processing

5.6負(fù)壓下沉過(guò)程中的糾偏技術(shù)

在桶體負(fù)壓下沉過(guò)程中由于水流、波浪及土質(zhì)不均衡等原因，會(huì)產(chǎn)生偏斜，糾偏貫穿下沉的整個(gè)過(guò)程。糾偏的關(guān)鍵技術(shù)主要有:負(fù)壓形成技術(shù)、桶體各倉(cāng)氣壓數(shù)據(jù)采集、桶體高差數(shù)據(jù)采集、桶體糾偏工藝技術(shù)。

桶體的負(fù)壓是通過(guò)抽取桶內(nèi)的水及空氣形成負(fù)壓，桶體氣壓數(shù)據(jù)是通過(guò)電磁閥內(nèi)傳感器進(jìn)行采集。桶體標(biāo)高數(shù)據(jù)通過(guò)控制平臺(tái)四角的GPS獲得（圖4），桶體糾偏通過(guò)調(diào)節(jié)各倉(cāng)的氣壓來(lái)實(shí)施，當(dāng)控制平臺(tái)四角GPS測(cè)量的高程差≥20 cm時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整氣壓通過(guò)啟閉排水閥電源與閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.7桶體安裝控制系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)安裝過(guò)程施工控制要求進(jìn)行分析，自主研發(fā)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)啟閉閥門(mén)、操作簡(jiǎn)單直觀、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，為工程安全高效的施工提供了技術(shù)保證。

圖4　操作平臺(tái)示意圖Fig.4　Sketch of operating platform

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)的分析研究與運(yùn)用，徐圩防波堤施工進(jìn)展順利，每月預(yù)制及安裝數(shù)量≥20件，防波堤單月進(jìn)尺≥400 m，施工效率及經(jīng)濟(jì)效益明顯，施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及使用要求。獲得兩項(xiàng)施工專利技術(shù)，形成了桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工成套施工技術(shù)，形成預(yù)制、出運(yùn)及安裝3個(gè)工法，為該結(jié)構(gòu)形式在防波堤、碼頭、橋梁、圍堤護(hù)岸、海上風(fēng)電基礎(chǔ)等工程的推廣應(yīng)用提供了理論與實(shí)踐參考。

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程施工圖[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Construction plans of Lianyungang Xuwei Harbor east vertical structure breakwater[R]. 2012.

[2]中交第三航務(wù)工程局有限公司徐圩港區(qū)東防波堤工程DZLSG2標(biāo)段項(xiàng)目部.連云港港徐圩港區(qū)直立式結(jié)構(gòu)東防波堤工程施工組織設(shè)計(jì)[R].2013. Xuwei Harbor East Breakwater DZL-SG2 Tenders Project Department of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction organization design of Lianyungang Xuwei Harbor east vertical structure breakwater[R].2013.

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

[4]祝業(yè)浩，倪國(guó)平，吳風(fēng)亮.防波堤箱筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)氣浮拖運(yùn)與負(fù)壓下沉工藝[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2005（5）:40-43. ZHU Ye-hao,NI Guo-ping,WU Feng-liang.Technology for towing of pneumatically floated cylindrical substructures and installing with negative pressure for breakwaters[J].China Harbour Engineering,2005(5):40-43.

Key construction technology of plug-bucket-based structure breakwater

LIAN Xue-biao,CHEN Xiong
（Jiansu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Both the innovative design and construction of the plug-bucket-based structure have their respective intellectual property rights,and have been applied into the breakwater project of Xuwei Port in Lianyungang for the first time.By analyzing the construction processes of the precast,transfer and shipping in the precast yard,gas floating and the installing with negative pressure,we put forward the bottomless concrete bucket model process technology,the concrete air-tightness construction technology,the bucket transfer in precast yard technology,the bucket gas floating construction technology,the bucket installing with negative pressure construction technology,the bucket installation and control system and other key construction technologies.This project has gained good social and economic benefits,which provide theoretical and practical references for the popularization and application of this structure.

plug;bucket-based;bottomless;gas floating;negative pressure;air-tightness

U653.4

B

2095-7874（2016）02-0049-04

10.7640/zggwjs201602012

2015-09-30

2015-11-18

練學(xué)標(biāo)（1967—），男，江蘇建湖人，教授級(jí)高級(jí)工程師，總工程師，港口工程專業(yè)。E-mail:13812323806@163.com