重力式沉箱碼頭拋石基床灌漿工藝技術(shù)研究

林黎陽(yáng) 牛飛 中張?jiān)缛?/p>

摘 要：南方某重力式沉箱結(jié)構(gòu)碼頭，原設(shè)計(jì)塊石基床采用錘夯密實(shí)，由于該碼頭下穿某高鐵隧道，考慮隧道的安全性，此工程與下穿高鐵隧道交叉段（涉鐵段）基床施工采用灌漿密實(shí)方案，此方案不產(chǎn)生任何振動(dòng)或夯擊能量，避免了錘夯或振動(dòng)基床施工可能對(duì)下方隧道結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)該段碼頭沉降數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，涉鐵段基床灌漿取得了良好的加固密實(shí)效果。

關(guān)鍵詞：基床灌漿 加固 重力式 沉箱結(jié)構(gòu) 涉鐵

1.概況

南方某采用不帶卸荷板沉箱結(jié)構(gòu)的重力式碼頭，前沿底標(biāo)高-12.8m，碼頭基礎(chǔ)采用全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層做結(jié)構(gòu)持力層，基床采用10～100kg塊石，分層錘夯密實(shí)。碼頭岸線459m，共設(shè)置25個(gè)沉箱，采用平接方式安裝，沉箱單重1540t，底寬11.2m（含前趾長(zhǎng)），長(zhǎng)度19.885m，高14.3m，趾長(zhǎng)1m，縱橫向分隔數(shù)為5×2，單個(gè)沉箱重1540t，箱格內(nèi)回填砂。沉箱后回填拋石棱體，頂寬2m，頂高程與沉箱同高為1.5m，棱體后依次設(shè)二片石墊層、混合倒濾層及土工布，棱體后方到碼頭前沿40m范圍內(nèi)回填砂并振沖密實(shí)。（見(jiàn)圖1）

高鐵隧道在碼頭正下方穿過(guò)，碼頭涉鐵段長(zhǎng)度160m，取整后為7#～#14沉箱，碼頭基礎(chǔ)與隧道頂面最近處垂直距離25.8m，且均為巖層。據(jù)鐵路系統(tǒng)某研究院評(píng)估結(jié)論：“針對(duì)碼頭地基夯實(shí)施工方案所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)下方隧道的影響，以工程地質(zhì)條件相近的南方某港口新建工程地基處理實(shí)測(cè)研究成果為基礎(chǔ)，用類比方法對(duì)本工程隧道處的振動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè)，就振動(dòng)速度、加速度及位移而言，基床錘夯對(duì)下方隧道結(jié)構(gòu)安全影響不大。但考慮高鐵隧道的安全性建議工程該段基床施工采用灌漿方案，進(jìn)一步減少基床施工對(duì)下方隧道結(jié)構(gòu)的影響?！?/p>

在此背景下，急需一個(gè)能滿足鐵路部門要求的工程方案。經(jīng)調(diào)研了解，國(guó)內(nèi)外常規(guī)的基床夯實(shí)主要為錘夯密實(shí)及爆破夯實(shí)，爆夯不能用于此項(xiàng)目，錘夯需天窗期施工，均不可行?；踩舨缓粚?shí)工程質(zhì)量將不符合規(guī)范要求，而采用沉箱壓載方式，工期又需增長(zhǎng)半年以上，對(duì)業(yè)主的繁忙的業(yè)務(wù)造成較大影響不可行。而水利工程中的升漿基床采用預(yù)埋導(dǎo)管，將水泥砂漿灌入基床內(nèi)的方式可減少基床的沉降量，在船塢、水利大壩等工程中均有應(yīng)用。為減少本碼頭建設(shè)對(duì)高鐵的影響，使本碼頭工程順利實(shí)施，通過(guò)論證、調(diào)研、比選等方式，形成基床灌漿關(guān)鍵技術(shù)研究成果，為類似工程的實(shí)施提供借鑒。

2.灌漿方案

2.1基床灌漿目的

灌漿法由于加固效果顯著、施工設(shè)備簡(jiǎn)單、施工迅速和工程造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)在陸上地基處理中得到廣泛使用。本工程擬通過(guò)對(duì)灌漿目標(biāo)及施工條件等進(jìn)行分析，采取一定的技術(shù)改進(jìn)措施，將陸上壓力灌漿工藝引入水下施工環(huán)境，在重力式碼頭的拋石基床加固中進(jìn)行應(yīng)用。

基床灌漿是通過(guò)灌漿管在已安裝完沉箱的拋石基床空隙內(nèi)壓注水泥砂漿，水泥砂漿凝固后和級(jí)配塊石形成一定強(qiáng)度的固結(jié)體，增加基床整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減小基床本身的沉降量，控制沉箱基礎(chǔ)沉降達(dá)到規(guī)范要求。由于地基承載力可滿足設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)基床進(jìn)行灌漿處理的目的僅是增加其密實(shí)度，減少使用期的殘余沉降。

2.2施工工藝

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目實(shí)際情況的分析及對(duì)類似工程案例的研究，擬對(duì)涉鐵段（7#～#14）共計(jì)8個(gè)沉箱的拋石基床采用灌漿加固工藝，沉箱預(yù)制時(shí)這8件沉箱預(yù)埋直徑130mm的鋼管作為后期灌漿通道，安裝沉箱后通過(guò)預(yù)埋鋼管對(duì)基床進(jìn)行灌漿密實(shí)的工藝處理基床，此方案不產(chǎn)生任何振動(dòng)或夯擊能量，從而避免了錘夯或爆破振動(dòng)有可能對(duì)隧道產(chǎn)生的隱患。為盡量減少灌漿后沉降，基床灌漿需在對(duì)應(yīng)沉箱安放且該沉箱內(nèi)填砂全部完成后進(jìn)行。其余非涉鐵段沉箱基床采用傳統(tǒng)的錘夯工藝進(jìn)行密實(shí)，分層夯實(shí)厚度不超過(guò)2m，夯沉率為10%。

工藝流程：拋石基床施工→沉箱安裝→沉箱內(nèi)回填砂→施工平臺(tái)搭設(shè)→施工設(shè)備就位→鉆孔→混凝土攪拌船制備砂漿→灌漿施工→漿面觀測(cè)→施工結(jié)束起拔壓漿管。

工序安排：先進(jìn)行基床灌漿與兩邊過(guò)渡段（6#、15#沉箱）基床的夯實(shí)處理，然后再進(jìn)行灌漿段的施工。

注漿孔布置：每個(gè)沉箱設(shè)置18個(gè)注漿孔，分3排設(shè)置在壁板節(jié)點(diǎn)。預(yù)制沉箱時(shí)在隔墻內(nèi)分別預(yù)埋注漿管，注漿管采用內(nèi)徑為130 mm鋼管，由于沉箱高度較大，因此沉箱隔墻內(nèi)預(yù)埋管的垂直度應(yīng)嚴(yán)格控制（要求垂直度偏差不大于0.1%），確保鉆機(jī)順利下鉆。

灌漿施工：灌漿壓力暫定 0.3 ～ 1.0MPa?；补酀{時(shí)，砂漿經(jīng)攪拌站生產(chǎn)后泵送至儲(chǔ)漿槽，再由3臺(tái)砂漿泵連接軟管壓入注漿管內(nèi)，通過(guò)預(yù)埋鋼管注入基床塊石空隙中。壓漿過(guò)程中，密切注意灌漿壓力，當(dāng)壓力上升，同時(shí)出現(xiàn)漿液壓不下去時(shí)，將壓漿管提升20cm 繼續(xù)壓漿，依次循環(huán)，直至壓漿管提至基床頂面漿液壓不下去為止，以保證砂漿由底到頂充分灌注、填充在塊石間。在相應(yīng)部位施工中，采用潛水員水下探摸檢查，沉箱四周基床表面有砂漿溢出，基床空隙漿液充填飽滿。升漿結(jié)束起拔注漿管，并轉(zhuǎn)至下一個(gè)施工區(qū)域。需注意的是灌漿施工時(shí)盡可能選擇平潮時(shí)段進(jìn)行。

2.3防漏漿措施

為保證砂漿水下灌注時(shí)，不發(fā)生漏漿而導(dǎo)致升漿不飽滿，需采用土工布進(jìn)行全方位的包裹：a、沉箱后側(cè)基床坡面增加鋪設(shè)土工布包裹，并壓入沉箱底部1m，拋石坡腳延長(zhǎng)1m；b、各沉箱安裝接縫處的基床頂面增加鋪設(shè)土工布，土工布寬度2m，以安裝縫為中心各壓入沉箱底部1m；c、7#沉箱與6#沉箱的基床分界處，14#沉箱與15#沉箱的基床分界處，分別增加鋪設(shè)隔離土工布，鋪設(shè)方式同沉箱后側(cè)基床坡面土工布；d、土工布上方拋石或拋砂壓蓋，防治漿壓過(guò)大而漏漿；e、灌漿過(guò)程中注意觀察漿液面上升情況，并派潛水員下水檢查，如發(fā)現(xiàn)漏漿點(diǎn)，利用砂袋、土工布進(jìn)行水下封堵處理。

3.試驗(yàn)研究

3.1灌漿段基床石料空隙率試驗(yàn)及規(guī)格優(yōu)化

原設(shè)計(jì)基床拋石規(guī)格10～100kg塊石。為保證砂漿在水下石料縫隙中流動(dòng)充盈適宜，并且不易離析，石料需有較佳空隙率。經(jīng)調(diào)研，大連船舶重工海洋工程、大連中遠(yuǎn)6萬(wàn)噸級(jí)船塢、大連新船重工30萬(wàn)噸級(jí)大塢、大連小塢工程、葫蘆島渤船大塢、三亞船塢等，升漿塊石粒徑大多為8～20cm左右，同時(shí)按照《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS257-2008）中要求，升漿塊石空隙率應(yīng)在40%以上。

塊石空隙率試驗(yàn)：選用擬進(jìn)行灌漿段基床拋石的8～20cm塊石進(jìn)行空隙率試驗(yàn)，并計(jì)算設(shè)計(jì)灌漿量，輔助控制基床升漿質(zhì)量。

采用水填充塊石空隙的方法計(jì)算塊石空隙率：選用一個(gè)箱子，先用塊石填滿箱子，再往箱子空隙中注滿水，用空隙水體積除以箱子容積，即得到塊石空隙率。共進(jìn)行3次試驗(yàn)，空隙率結(jié)果分別為42.0%、41.2%、41.9%，相差較小，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，三次結(jié)果平均值41.7%，則該8～20cm塊石空隙率約為41.7%，滿足水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)試驗(yàn)情況對(duì)灌漿段基床石料規(guī)格由10～100kg塊石變更優(yōu)化為8～20cm塊石；灌漿量按空隙率41.7%進(jìn)行設(shè)計(jì)估算。

3.2砂漿配合比試驗(yàn)

灌漿砂漿采用某工程實(shí)例的配合比進(jìn)行試配，砂漿要求及配合比如下：砂漿流動(dòng)度為（18±2）s；砂漿膨脹率0.5%～1%；初凝時(shí)間為12～14h，終凝時(shí)間小于23.5h；砂漿28天抗壓強(qiáng)度≥20Mpa。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)砂漿配合比試驗(yàn)，檢測(cè)砂漿流動(dòng)度，觀查砂漿是否離析，并檢測(cè)符合要求的配合比的7天強(qiáng)度（大于30Mpa）、24小時(shí)膨脹率（0.6%）及凝結(jié)時(shí)間（初凝13h，終凝15h），得到的符合設(shè)計(jì)要求砂漿配合比如表1。

水：水泥：砂：減水劑：膨脹劑=0.43：1：1：0.008：0.010。 根據(jù)試驗(yàn)情況，按此配合比生產(chǎn)的砂漿流動(dòng)性較好，性能較穩(wěn)定，在水中具有較好的抗離析性能，滿足設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

因基床灌漿所用砂漿具有較高的流動(dòng)性，中粗砂顆粒重量較大，在高流動(dòng)性的砂漿中容易下沉，造成砂漿離析。因此灌漿砂漿應(yīng)使用粒徑不大于2.5mm的細(xì)砂，禁止使用中粗砂，細(xì)度模數(shù)1.6～2.2。

4.灌漿效果

施工完成后，為檢驗(yàn)灌漿效果，從2個(gè)方面進(jìn)行分析： （1）通過(guò)施工中灌入基床的水泥砂漿用量與拋石基床空隙率的比較推斷漿液是否充填飽滿；在漿液不外流的條件下，灌漿總量應(yīng)達(dá)到對(duì)應(yīng)沉箱基床拋石總量的40%以上。（2）通過(guò)對(duì)沉箱的沉降觀測(cè)數(shù)值檢驗(yàn)是否符合設(shè)計(jì)要求；設(shè)計(jì)要求灌漿結(jié)束至沉箱后方回填完期間累計(jì)沉降值不大于100mm。

4.1灌漿量統(tǒng)計(jì)

表2中設(shè)計(jì)灌漿量按41.7%計(jì)算，從表中實(shí)際灌漿總量可計(jì)算為41.9%，與設(shè)計(jì)基本吻合，證明灌漿效果良好。

4.2沉降觀測(cè)結(jié)果

從沉箱安裝后經(jīng)歷一個(gè)潮水開(kāi)始對(duì)沉箱沉降進(jìn)行觀測(cè)，每周觀測(cè)2～3次。相應(yīng)的施工時(shí)間段如下：1）7#～14#沉箱在安裝3～5月后進(jìn)行了灌漿施工，灌漿前均已完成沉箱內(nèi)回填砂施工；2）7#～14#沉箱在基床灌漿施工2～3月后進(jìn)行胸墻施工；3）7#～14#沉箱在基床灌漿施工后6個(gè)月后沉降穩(wěn)定。觀測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表3。

從表3中可以看出，經(jīng)過(guò)灌漿灌漿后沉箱的沉降量很?。?.0～4.0mm），后經(jīng)過(guò)胸墻等上部結(jié)構(gòu)施工、加載，沉降量增大，但也控制在25mm之內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求不大于100mm，灌漿加固效果較好。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）7#～14#沉箱基床實(shí)際灌漿總量41.9%，與設(shè)計(jì)41.7%基本吻合，證明灌漿效果良好。

（2）7#～14#每個(gè)沉箱基床的實(shí)際灌漿量與設(shè)計(jì)灌漿量差異較大，首先是因?yàn)槊總€(gè)沉箱基床拋石厚度即拋石量不同，其次7#～14#沉箱之間每個(gè)沉箱基床分界處沒(méi)有鋪設(shè)隔離土工布，在進(jìn)行其中某個(gè)沉箱基床灌漿時(shí)，水泥砂漿會(huì)滲入周邊沉箱基床中，灌漿量受灌漿施工順序的影響較大。

（3）7#～14#沉箱在基床灌漿施工后到上部結(jié)構(gòu)施工完成直至沉降穩(wěn)定累計(jì)沉降量為13.5～20.8mm，平均沉降量為18.2mm，灌漿后總沉降量未超過(guò)設(shè)計(jì)沉降量100mm，灌漿加固效果良好。

（4）7#～14#沉箱自安裝到上部結(jié)構(gòu)施工完成直至沉降穩(wěn)定后累計(jì)沉降量為136.8～229.5mm，平均沉降量為179.1mm，灌漿段基床拋石整平時(shí)預(yù)留25cm沉降量是合適的，不同沉箱之間沉降量差異可通過(guò)胸墻底層、面層施工時(shí)進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整，確保碼頭面平整。

（5）7#～14#沉箱在基床灌漿后胸墻施工前沉降量很小（2.0～4.0mm），沉降量主要集中在胸墻施工后，主要是因?yàn)樾貕炷潦┕ぜ白灾貙?duì)沉箱加載的影響，產(chǎn)生了加大的沉降（11.5～18.5mm），但也屬于可控范圍的沉降。

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