淺灘海域超深淤泥層軟基處理施工工藝探討

章途鑫 溫州市交通工程管理中心

陳亦佳 溫州市交通工程管理中心

洪賽偉 中國鐵建港航局集團有限公司

1.引言

我國浙東南沿海島嶼區(qū)，場地地貌可細(xì)分為沖海積平原地貌、潮間帶地貌二種類型，其中，潮間帶地貌主要為潮灘（俗稱“海涂”），灘面坡度不一，其中，個別地區(qū)有超深淤泥層覆蓋，灘面較陡，工程性質(zhì)極差，容易出現(xiàn)滑移、坍塌。若在潮間帶地貌區(qū)域圍海造地或修建海堤，需要對該海域淤泥層軟基進行加固處理，其中，由于施工簡便，質(zhì)量可靠，造價低，采用塑料排水板作為排水固結(jié)通道，上部分級加載石料作為壓載體已成為普遍方法。為了克服超深塑料排水板打設(shè)困難，減少軟基滑移質(zhì)量事故，現(xiàn)對“淺灘海域超深淤泥層軟基處理施工工藝”進行探討。

工藝參照工程實例如下：

某項目圍堤采用C型塑料排水板作為排水固結(jié)通道，打設(shè)深度為原泥面下去27 m～40 m，排水板間距為1.0m，正方形布置，要穿透淤泥層，淤泥層厚度為22m～28m，打入黏土層5m～12m。排水板上部分級加載開山石作為堆載體且形成圍堤堤身。具體情況見圖1。

2.工藝原理

工藝原理主要包括砂墊層、砂被及軟體排沖灌、塑料排水板插打與堆載料分級加載等。

砂墊層沖灌后，開始打設(shè)塑料排水板，排水板根據(jù)地形情況采用水上插板船或陸上插板機進行插打。插板船、軌道式插板機由基座、塔架、插管及振動錘等組成，一般由DZ40型振動錘作為插打動力，排水板穿入插管中，插管插入淤泥層后，排水板由淤泥的握裹力留在淤泥中，插管由卷揚機提起；履帶液壓式插板機由360挖機改裝而成，由挖機、主機架、鏈條驅(qū)動裝置和插管等組成，挖機前臂換成主機架，打設(shè)動力為挖機液壓油泵帶動鏈條轉(zhuǎn)動使插管下沉或拔起。

圖1 圍堤斷面圖

圖2 砂被墊層、砂被及軟體排沖灌工藝流程圖

圖3 插板船/機插打排水板工藝流程圖

排水板插打后，覆蓋砂被，上部堆載石料要分級分層加載，加載分為水上拋石與陸上拋石。本工法參照工程中設(shè)計高程0.0m以下采用水上拋石，水上拋石施工采用定位駁定位、平板駁運輸、裝載機與反鏟拋填；設(shè)計高程0.0m以上采用陸上拋石，陸上拋石在堤心石出水面后進行，自卸車運輸，反鏟理坡。

3.工藝流程和操作要點

3.1 施工工藝流程

圖4 雙塔架插板船

圖5 履帶液壓式插板機

主要步驟為：測量放線→沖灌兩層袋裝砂墊層→打設(shè)塑料排水板→沖灌一層袋裝砂被、覆蓋編織土工布、軟體排→拋石棱體、回填開山石至-5.0 m→間歇2個月→拋石棱體、回填開山石至-2.0m→間歇2個月→拋石棱體、回填開山石至+1.0m→+1.0m平臺護面→間歇2個月→回填開山石至+4.0m→+2.0m平臺護面→間歇2個月→上部結(jié)構(gòu)，其中間歇時間2個月為暫定時間。

3.2 施工工藝操作要點

3.2.1 砂墊層、砂被及軟體排沖灌

（1）具體工藝流程

砂墊層、砂被及軟體排沖灌均采用對拉船工藝，其中，軟體排通常采用鋪排船工藝，本工法參照工程軟體排較少，為降低成本及探索新方法，對軟體排施工進行了大膽嘗試，也取得了較好的效果。具體工藝流程見圖2。

（2）操作要點

①袋裝砂袋體加工成長方形，其尺寸寬度以圍堤斷面為準(zhǔn)，同時考慮沖灌時收縮量和相鄰袋體的搭接量，增加一定的富裕量。

②袋裝砂袋體加工時留出充填管口(采用雙層袖口)，管口均勻布置，袖口直徑為30cm。充填完成后，將袖口扎緊。

③沖灌袋采用35支3股錦綸線包縫法縫制，工業(yè)縫紉機縫合4道（先縫1道，折疊后縫3道），拼縫寬度5～10cm，相鄰拼接縫間距大于2m，充填口數(shù)量根據(jù)袋體尺寸、沖灌料粒徑和沖灌壓力確定。

④為防止袋體展布時被風(fēng)吹起以及使袋體定位和沉放更加準(zhǔn)確，輔以錨拉工藝將袋體四角同時繃緊。

⑤充填時先充袋體四角，在充填過程中要經(jīng)常檢查出泥管口的泥砂堆積情況，及時調(diào)整出泥管口位置，不斷調(diào)整充泥袖口。

⑥充填袋的充盈度應(yīng)控制在85%左右，每層的厚度要滿足設(shè)計要求。

3.2.2 塑料排水板插打

（1）具體工藝流程如圖3。

（2）設(shè)備選型要點

塑料排水板插打設(shè)備主要有插板船、履帶液壓式插板機及軌道式插板機等，實物見圖4、圖5。

淺灘海域超深淤泥層軟基處理設(shè)計排水板入泥深度較深，本參照工程長度為27 m～40 m，潮間帶淺灘地形坡度較大，地勢起伏不平，高潮時水深較淺，低潮時露出水面，排水板打設(shè)采用水上插板船或者陸上插板機，滿足此施工條件的水上插板船噸位較大，吃水較深，在此區(qū)域容易擱淺；陸上插板機塔架較高，容易傾覆。

圖6 水上拋石工藝流程圖

本參照工程根據(jù)不同地形情況分別采用了雙塔架插板船、單塔架插板船、履帶液壓式插板機及軌道式插板機進行施工，首先確定出對水上、陸上插打設(shè)備進行選擇的高程分界線，參照工程該分界線為高程+0.8m，+0.8m以下需采用水上插板船施工，+0.8m以上需采用陸上插板機施工；插板船的適用條件主要是船舶吃水、打設(shè)深度及海況要滿足要求；履帶液壓式插板機更適用于地勢起伏不平、地塊不規(guī)則、海風(fēng)較大的區(qū)域；軌道式插板機適用于地勢平坦、地塊規(guī)則、風(fēng)力較小的區(qū)域。

雙塔架插板船工效最高，軌道式插板機施工條件較好，效率較高；履帶液壓式插板機在水陸分界線岸側(cè)淺灘區(qū)域趕低潮露灘插打，效率較低。另外，由于插板船設(shè)備復(fù)雜，人力投入較多，成本較高；插板機設(shè)備簡單，人力投入較少，成本較低，其中軌道式插板機成本最低?？傊煌灏逶O(shè)備各有自身的優(yōu)、缺點，關(guān)鍵是要因地制宜，采用適用的設(shè)備。

圖7 分級加載示意圖

圖8 主堤D-D斷面整體穩(wěn)定計算斷面圖（施工期，十字板）

3.2.3 堆載料分級加載

（1）具體工藝流程如圖6。

（2）分級加載設(shè)計

排水板插打后，覆蓋一層砂被及土工布，然后，進行上部石料加載，加載要分級分層進行，按高程控制，加載高程要考慮施工期沉降量，預(yù)留沉降量根據(jù)現(xiàn)場原位觀測成果確定，每一級加載應(yīng)分層均勻加載，分層厚度為1m。

加載全過程中必須嚴(yán)格控制堤身變形，每一級加載必須在前一級加載堤身已經(jīng)穩(wěn)定（變形允許范圍內(nèi)）后方可進行。在拋填過程中嚴(yán)禁超速、超載。

主堤拋石加載主要分五級進行，第一級為護底塊石、拋石棱體、回填開山石至-5.0m標(biāo)高，加載厚度約2 m，分2層拋填；第二級為拋石棱體、回填開山石至-2.0m標(biāo)高，加載厚度約3m，分3層拋填；第三級為拋石棱體、回填開山石至+1.0 m標(biāo)高，加載厚度約3m，分3層拋填；第四級為回填開山石至+4.0m標(biāo)高，加載厚度約3m，分3層拋填；第五級為+4.0m以上開山石回填，加載厚度約1m，分1層拋填，每一級加載完后應(yīng)間隙2個月再加載下一級。具體加載示意圖見圖7。

（3）建模分析，預(yù)測滑動面

淤泥層軟基較敏感，加載時監(jiān)測數(shù)據(jù)會超標(biāo)報警，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)報警可能是由于局部區(qū)域加載過多（無整體失穩(wěn)風(fēng)險），也可能是由于整體區(qū)域加載過多或排水固結(jié)效果較差（有整體失穩(wěn)風(fēng)險），僅僅依靠施工經(jīng)驗，很難判斷，容易釀成滑移事故。本工法采取建模分析、預(yù)測滑動面的思路對圍堤穩(wěn)定性進行計算分析，以彌補單獨依靠施工經(jīng)驗的不足。

圍堤整體穩(wěn)定計算采用費倫紐斯條分法，根據(jù)加載情況，利用巖土工程分析軟件Slide進行計算，計算結(jié)果示例見圖8。

同時，定期觀測堤身側(cè)向位移，對土體側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。

將圍堤整體穩(wěn)定計算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，若圍堤整體預(yù)測滑動面與土體側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)具有較大的擬合性，則圍堤有整體失穩(wěn)風(fēng)險，需要特別注意；若圍堤整體預(yù)測滑動面與土體側(cè)向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)無擬合性，則圍堤無整體失穩(wěn)風(fēng)險，監(jiān)測數(shù)據(jù)超標(biāo)報警代表是局部區(qū)域的問題，然后參考加載情況，分析原因，原因一般為局部加載過多、大潮影響或運輸車通行等。

最后，根據(jù)軟基變形的級別與原因，綜合分析，及時作出施工調(diào)整或采取控制措施，保證圍堤安全。

（4）精細(xì)化分級加載操作要點

本工法通過對土體沉降、側(cè)向位移及孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，針對超深淤泥層排水固結(jié)與滑移規(guī)律，制定了“精細(xì)化分級加載”的施工方法：分級加載總體思路為先拋外側(cè)，再拋內(nèi)側(cè)；先拋護腳塊石，再拋堤心石，分級分層加載，分段流水施工；外側(cè)反壓荷載務(wù)必先拋。

①由于分層厚度較薄，水上拋填應(yīng)采用平板駁運輸、拋填（開體駁無法保證1m厚度），另外使用單獨的一條平板駁作為定位駁，船上帶有定位系統(tǒng)，定位駁定好位后，拋石船靠泊拋石。

②加載應(yīng)分段拋填，流水作業(yè)，每段長度根據(jù)供料情況確定，先外側(cè)后內(nèi)側(cè)。

③選擇典型部位進行試拋作業(yè)，確定不同水深、不同區(qū)域的水流對塊石作用產(chǎn)生的偏移量數(shù)據(jù)，以便用于施工改正。在施工過程中經(jīng)常分析石體落位偏差情況，并及時作出調(diào)正。

④拋石控制的原則是寧低勿高，減少超拋塊石處理的工作量。

⑤拋石過程中可用傳統(tǒng)測深方法勤測水深，適時對拋填效果進行檢測修正。

⑥加載時，先在監(jiān)測斷面處拋填，取得監(jiān)測數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)后續(xù)施工。

⑦加載時，務(wù)必先保證外側(cè)低洼處反壓加載厚度，再進行內(nèi)側(cè)拋填。

⑧淤泥層軟基較敏感，加載初期監(jiān)測數(shù)據(jù)會頻繁超標(biāo)報警，尤其是剛出水面時，要減少分層厚度，可采用每層0.5m進行加載，自卸車運輸時，減少車載量降低動荷載對軟基的影響。

4.結(jié)語

（1）潮間帶淺灘水深較淺，地形坡度較大，排水板深達40m，采用國內(nèi)超高塔架插板船插打，高潮時沖灘，低潮時坐灘，并且配合超高塔架履帶式液壓插板機插打，成功克服了惡劣的地形條件。

（2）對比以往同類工程，加載時，不能判斷軟基側(cè)向變形的級別與原因，完全靠經(jīng)驗，容易釀成滑移事故，本工法根據(jù)地質(zhì)特征，進行建模分析，判斷淤泥層基礎(chǔ)薄弱區(qū)域，預(yù)測基礎(chǔ)滑動面，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析加載情況，能夠準(zhǔn)確判斷出軟基變形的級別與原因，從而能夠及時作出施工調(diào)整和控制措施，保證圍堤安全。

（3）本工藝通過對土體沉降、側(cè)向位移及孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，針對超深淤泥層排水固結(jié)與滑移規(guī)律，制定了“精細(xì)化分級加載”的施工方法：分級加載總體思路為先拋外側(cè)，再拋內(nèi)側(cè)；先拋護腳塊石，再拋堤心石，分級分層加載，分段流水施工；外側(cè)反壓荷載務(wù)必先拋。本工藝參照工程圍堤堤身拋石層較厚，最大處厚達10 m，再加上4.5m沉降量，最終堤身拋石層厚14.5m，拋石加載分5級15層進行，通過精細(xì)化控制，大大減小了軟基的側(cè)向變形。