空氣幕助沉法在桶式防波堤施工中的應(yīng)用

莊嚴(yán) 杜友先

中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，中國·江蘇 連云港 222042

1 引言

目前國際海上防波堤桶體在下沉安裝時(shí)，大多數(shù)是依靠基礎(chǔ)桶體的自重，利用其下端刃腳破開土層，使桶體部分沉入土層中形成相對(duì)密封空間，然后通過預(yù)埋抽氣管道抽取桶體內(nèi)各個(gè)隔倉的氣體，利用桶體內(nèi)部和外部的壓力差，使下桶體逐步沉入至海床內(nèi)設(shè)計(jì)深度以完成桶體安裝。該方法適用于淤泥質(zhì)條件且下沉深度較淺的情況，但是當(dāng)遇到粉質(zhì)粘土、砂類土硬夾層或不均勻的地質(zhì)，下沉深度較深的情況，該方法難以使桶體下沉至指定標(biāo)高。

論文立足于上海國際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)小洋山北作業(yè)區(qū)防波堤工程，針對(duì)該海域巖土層多為淤泥粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂的地質(zhì)條件，以及桶體下沉深度要求較深的工況。對(duì)一種桶式防波堤空氣幕減阻助沉施工技術(shù)進(jìn)行探討。

2 工程概況

小洋山北作業(yè)區(qū)防波堤工程結(jié)構(gòu)方案采用桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤，由多組桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元排列組成。每一組結(jié)構(gòu)單元由一個(gè)下桶體和上桶體組成，下桶主尺寸為36.6 m×20 m×10 m。桶壁厚400 mm，下桶頂蓋板厚500 mm，桶內(nèi)通過隔板劃分12 個(gè)隔艙，隔板厚300 mm。上桶體尺寸為20 m×13.6 m×9 m，桶壁厚400 mm。所有桶體均在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行預(yù)制施工，通過半潛駁運(yùn)輸至指定海域進(jìn)行下沉安裝。

3 施工工況特點(diǎn)

本工程位于中國東部沿海長(zhǎng)江口與杭州灣交界處崎嶇列島海區(qū)小洋山北側(cè)，東向至北向?yàn)檩^開闊的海域，西北向距陸地也有一定距離。洋山海區(qū)屬于屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，全年受冬夏季風(fēng)影響，四季分明，夏熱氣溫較高且降水充沛，冬季寒冷潮濕。作業(yè)區(qū)水域漲、落潮平均流速約0.56 m/s～0.86 m/s，最大流速約1.01 m/s～1.53 m/s。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，施工區(qū)域海床淺部主要存在的地基土層有灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、灰色黏土、灰黃色粉質(zhì)黏土、灰黃色粉細(xì)砂，且存在地質(zhì)不均勻夾雜硬質(zhì)土層的現(xiàn)象。防波堤桶體在下沉過程中需穿越淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。綜上所述該施工區(qū)域海床地質(zhì)條件較差，土層在外部荷載作用下易發(fā)生沉降、變形，桶體下沉過程中在地質(zhì)分布不均勻的區(qū)域易出現(xiàn)下沉困難、偏移等現(xiàn)象[1]。

4 空氣幕減阻助沉施工方法

4.1 桶體下沉系數(shù)計(jì)算

桶體下沉過程中，必須克服桶體外壁與土間摩阻力（此處不考慮地層對(duì)底腳的反力），桶體自重與桶體外壁摩阻力的比值稱為下沉系數(shù)K。通常按下式計(jì)算：

式中

Q—桶體自重（kN）

T—下桶體外壁與土間摩阻力（kN），通常按下式計(jì)算：

T=L?f

式中

L—下桶體外周長(zhǎng)（m）

h—下桶體終沉深度（m）

f—下桶體外壁與土層的摩擦力（kN/m2）

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程在計(jì)算中取f=14kN/m2；

本工程桶體混凝土總方量約1485 m3，鋼筋混凝土重度取=25kN/m3，該桶體總重力為37125kN。

經(jīng)計(jì)算桶體下沉系數(shù)K 為0.76，該數(shù)值越小則代表桶體下沉越困難，通常使用的防波堤桶體下沉系數(shù)平均值在1.15～1.25 之間。結(jié)合本工程施工海域的地質(zhì)情況，在桶體下沉施工中采用空氣幕減阻助沉法來輔助桶體下沉。

4.2 桶體空氣幕系統(tǒng)布置

空氣幕減阻助沉系統(tǒng)及其施工方法，其特點(diǎn)是通過預(yù)埋在下桶體外壁中的橫縱氣管向氣龕進(jìn)行送風(fēng)，氣龕內(nèi)單向出氣的橡膠皮環(huán)向桶壁外噴射氣流，氣流沿外壁上升，帶動(dòng)桶體外壁周圍土顆粒翻滾，使得桶體周圍的砂類土發(fā)生液化，粘性土則形成泥漿薄膜，從而達(dá)到減小土體對(duì)桶壁表面摩阻力的目的，使桶體順利下沉。

4.2.1 桶壁預(yù)埋管路

桶壁內(nèi)預(yù)埋管布置有預(yù)埋橫向支管和預(yù)埋豎管。預(yù)埋橫向支管和預(yù)埋豎管均采用φ20mmPVC 管，水平管是為糾偏而設(shè)，若干組預(yù)埋橫向支管預(yù)設(shè)在桶體直線段外壁內(nèi)，相鄰兩根預(yù)埋橫向支管通過三通與一根豎向預(yù)埋豎管相連，預(yù)埋橫向支管上開有φ3mm 的噴氣孔，下沉施工前進(jìn)行壓氣試驗(yàn)，檢查各個(gè)氣孔是否通暢。

圖1 空氣幕減阻助沉系統(tǒng)管路及氣龕立面布置圖

4.2.2 氣龕安裝

氣龕是空氣幕減阻助沉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)施，它直接決定空氣幕的實(shí)施效果以及桶體的下沉質(zhì)量。氣龕是一種預(yù)設(shè)在桶體外壁上的倒梯形凹槽，空氣幕出氣孔便位于氣龕正中央，氣龕對(duì)噴氣孔有保護(hù)作用，并有利于噴氣孔射出的高壓氣體擴(kuò)散，沿桶體外壁上升，形成均勻完整的氣幕。常見的氣龕形狀有圓錐形、倒梯形。本工程采用倒梯氣龕。氣龕均勻設(shè)置在桶體外壁的混凝土表層內(nèi)，相鄰兩層氣龕交錯(cuò)布置，氣龕在離桶體底部2 m 處開始布置，在水平方向以及垂直方向均按照1.5 m 間距預(yù)埋設(shè)置。為便于調(diào)節(jié)氣壓和糾偏，全部氣龕沿桶體周向劃分為4 個(gè)組，每組均有獨(dú)立的開關(guān)閥門、氣壓表以及預(yù)埋豎管供氣。

4.2.3 壓風(fēng)設(shè)備及總管安裝

空氣幕減阻助沉系統(tǒng)在桶體安裝平臺(tái)上設(shè)置了一套壓風(fēng)設(shè)備，壓風(fēng)系統(tǒng)決定著空氣幕的出氣量以及出氣效果。它是由壓風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)氣罐、氣壓表、閥門、壁中預(yù)埋豎管、氣龕、壁中預(yù)埋橫向支管等部分組成。壓風(fēng)機(jī)是提供高壓氣體的設(shè)備，儲(chǔ)氣罐貯存高壓氣體，防止壓力驟然降低，影響壓氣效果，起到穩(wěn)定風(fēng)壓的作用。

桶體供氣預(yù)埋豎管共計(jì)4 根，供氣預(yù)埋豎管與儲(chǔ)氣罐相連，分別布置在桶體的直線段及圓弧段。通過三通連接到每組供氣系統(tǒng)的預(yù)埋橫向支管，在每組供氣系統(tǒng)上均設(shè)有閥門和氣壓表，以便獨(dú)立調(diào)節(jié)氣壓，通過每組供氣系統(tǒng)的不均衡供氣來達(dá)到糾偏下沉的效果。

4.2.4 防堵措施

圖2 空氣幕減阻助沉系統(tǒng)壓風(fēng)系統(tǒng)布置圖

空氣幕減阻助沉系統(tǒng)在使用過程中，由于氣龕直接與周圍土體接觸，在關(guān)閉或減弱供氣的階段，泥沙極易堵塞氣龕內(nèi)的氣孔，將極大影響空氣幕系統(tǒng)的應(yīng)用效果。為解決氣孔堵塞問題，本工程采用了兩種防堵措施，一是在噴氣孔上安裝單向橡膠皮環(huán)防止堵塞，從源頭盡量避免泥沙進(jìn)入供氣系統(tǒng)，二是在氣管兩端設(shè)置泥沙沉淀筒，使進(jìn)入的泥沙被收集起來，減小對(duì)供氣系統(tǒng)的影響。

4.3 桶體空氣幕系統(tǒng)助沉

防波堤桶體在預(yù)制場(chǎng)地內(nèi)預(yù)制完成并達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，采用氣囊及剛底托，通過上船通道將其搬運(yùn)至半潛駁上，上船作業(yè)完成后，由半潛駁運(yùn)送到下沉施工海域。

當(dāng)防波堤桶體運(yùn)輸至指定位置并通過GPS 精確定位后，開啟浮運(yùn)氣囊閥門放氣使桶體下沉，浮運(yùn)氣囊放氣完畢后拆除氣囊，接著打開桶體各隔艙的放氣閥門緩慢放氣，使桶體繼續(xù)下沉，當(dāng)桶體下沉至距海床泥面30 cm 時(shí)，關(guān)閉排氣閥門停止放氣作業(yè)，測(cè)量人員通過安裝在上桶體的四個(gè)GPS 測(cè)量點(diǎn)再次確認(rèn)桶體結(jié)構(gòu)位置滿足設(shè)計(jì)要求后，打開排氣閥門排氣使得下桶體進(jìn)入海床泥層。

隨著桶體開始入土，桶體依靠自重克服底腳反力及外壁周邊摩阻力而下沉。但由桶體下沉系數(shù)的分析可知，當(dāng)桶體進(jìn)入更深更堅(jiān)硬的土層后，僅靠自重下沉已經(jīng)很困難，本工程施工中采用空氣幕法助沉，當(dāng)桶體入泥一定深度后，隨即啟動(dòng)壓風(fēng)機(jī)，通過從預(yù)埋橫向支管上的噴氣孔內(nèi)噴出的氣體沿桶壁向上快速運(yùn)動(dòng)，形成一層均勻完整的氣幕，減小由于土層壓力所形成的桶體側(cè)壁摩阻力，提高下沉系數(shù)，協(xié)助桶體下沉，通過操作平臺(tái)四個(gè)角上的GPS數(shù)據(jù)收集器，獲得桶式構(gòu)件的位置情況，下沉期間每10～20 min 測(cè)量一次桶體位置，當(dāng)桶體進(jìn)入終沉階段時(shí)，及時(shí)關(guān)閉空氣幕以免造成桶體超沉。

4.4 桶體空氣幕系統(tǒng)糾偏

桶體在下沉過程中遇到不均勻的地質(zhì)條件容易發(fā)生傾斜，空氣幕減阻助沉系統(tǒng)通過分組設(shè)置的預(yù)埋橫向支管，有針對(duì)性地關(guān)閉部分閥門，進(jìn)行局部壓氣調(diào)節(jié)，減少或增加氣體從氣龕中地噴出量，單邊破壞桶體外壁摩阻力，使桶體處于兩側(cè)外壁摩阻力不均衡狀態(tài)，從而達(dá)到糾偏效果。桶體下沉安裝過程中，在上桶體四個(gè)角安裝有GPS 數(shù)據(jù)收集器，實(shí)時(shí)測(cè)量桶體下沉過程以及終沉后的偏差數(shù)據(jù)，并匯總分析。試驗(yàn)桶安裝測(cè)量結(jié)果表明，四個(gè)測(cè)量點(diǎn)最大偏差數(shù)值為61 mm，符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。通過數(shù)據(jù)分析表明，空氣幕系統(tǒng)糾偏效果良好[2]。

5 結(jié)語

桶式防波堤空氣幕減阻助沉施工方法的成功實(shí)施，可填補(bǔ)復(fù)雜地質(zhì)條件下防波堤桶式下沉施工的相關(guān)技術(shù)的空白，并對(duì)以后類似的施工奠定良好技術(shù)基礎(chǔ)，并且促進(jìn)了該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的成熟，能夠大幅提高施工進(jìn)度，降低成本，在施工安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、效率較國際同類技術(shù)水平相比均有很大優(yōu)勢(shì)。