箱筒型基礎結構在水運工程中應用的檢測程序和方法

孫百順 張勇（交通運輸部天津水運工程科學研究所天津300456）

箱筒型基礎結構在水運工程中應用的檢測程序和方法

孫百順 張勇（交通運輸部天津水運工程科學研究所天津300456）

通過對箱筒型基礎結構的特點和作用機理的論述，結合箱筒型基礎結構在水運工程中應用的實踐，提出箱筒型基礎結構的檢測程序和方法，對于箱筒型基礎結構在水運工程中的應用具有重要指導意義。

箱筒型基礎結構水運工程檢測

0 引言

箱筒型基礎結構由桶形基礎發(fā)展而來，桶形基礎作為一項技術來研究開始于20世紀50年代。桶形基礎最初應用于系泊的負壓錨樁，在很多系泊系統(tǒng)中得到成功運用。中國高等院校、設計單位等科技人員運用理論分析、數(shù)值模擬、物理模型試驗等研究手段，利用桶形基礎作用機理并吸納鋼筋混凝土大直徑圓筒在港口工程中應用的經驗，提出箱筒型基礎結構。箱筒型基礎結構由2～4組鋼圓筒經拼裝焊接頂板形成整體的鋼制箱筒型基礎結構，采用陸上加工制作過駁船運或水中浮運的方式運到工程現(xiàn)場，運用抽真空負壓下沉的方法沉入海底作為結構基礎使用。2003年10月由建設單位和施工單位將箱筒型基礎結構在天津港北大防波堤工程東外堤南端的延長線上進行了首次試驗，[1]獲得了部分工程經驗。在首次試驗獲得成功的基礎上于2005年10月又進行了典型施工，證實了箱筒型基礎結構在工程中的成功應用。此后，箱筒型基礎結構在碼頭工程、人工島工程、海底管線防護工程中作為結構基礎使用都獲得了成功。[2-3]本文結合工程應用實際，對箱筒型基礎結構在水運工程中應用的檢測程序和方法進行論述。

1 箱筒型基礎結構

箱筒型基礎結構就是由鋼板經焊接形成的多組鋼圓筒，再經拼裝焊接頂板形成整體，形狀如箱筒的鋼結構構件。因其多作為結構基礎使用，因此稱為箱筒型基礎結構。鋼圓筒是由鋼板經拼裝卷板焊接形成的大直徑鋼結構圓筒，多組鋼圓筒再經拼裝組合焊接頂板形成整體，就成為一組鋼箱筒。為保證結構整體的穩(wěn)定性，一組鋼箱筒一般由4個鋼圓筒組成。

2 箱筒型基礎結構特點及作用機理

2.1 箱筒型基礎結構特點

箱筒型基礎結構由圓筒組成，無底有蓋，即沒有底板，只有頂板，且頂板為一整體與各圓筒焊接，將圓筒組成整體結構；相鄰圓筒間外側焊接肋板并與頂板焊接成一體，圓筒與圓筒之間、圓筒與頂板之間都通過焊接相連，形成整體結構。

箱筒型基礎結構無底有蓋，垂直吊放到水中靠自重下沉至一定深度后達到平衡，即結構物重力等于浮力（筒壁產生的實浮力與筒內氣體排開水體產生的氣浮力之和）。[4]鋼箱筒下水后就形成一個整體封閉結構，每個圓筒內部及圓筒間形成獨立的封閉空腔。向封閉空腔內抽氣，箱筒內氣量減少，氣體壓強減小，在大氣壓的作用下箱筒就下沉，水面上筒體高度將減小，箱筒內水面以下筒體的高度將增加，空腔內封閉氣體壓強將增大，箱筒下沉一定深度后達到新的平衡；向封閉空腔內充氣，情況相反。可以利用鋼箱筒氣浮體這一特點來控制其浮態(tài)，保證浮運穩(wěn)定。

箱筒拖運到施工現(xiàn)場就進行就位下沉，打開箱筒各空腔抽真空閥門，開啟真空泵從箱筒內向外抽水和抽氣，使箱筒內壓力低于箱筒外壓力，即相對于箱筒外壓力而言箱筒內為負壓，箱筒在自重和負壓共同作用下就開始下沉。箱筒頂板入水以后，受到水頭壓力，增加其下沉作用力。由于抽真空負壓的存在，箱筒內土體孔隙水在負壓作用下自下向上流，使箱筒內土體受到向上的滲透力，減少了筒端阻力和筒壁側摩阻力，負壓同時增大了下沉作用力使箱筒下沉比僅靠壓載變得容易。由于箱筒在工程中作為基礎使用，其上部有上部結構，所以在施工中可以安放上部結構作為壓載來增加其下沉作用力，即用抽真空負壓和壓載相結合的方法使鋼箱筒下沉到位。

2.2 箱筒型基礎結構作用機理

箱筒結構下沉完成后，箱筒內土體固結與箱筒共同作用起到穩(wěn)定的結構基礎作用。箱筒頂板與土體有較大的接觸面，且箱筒側壁與土體相互作用產生側摩阻力，使箱筒能承受很大的豎向荷載。箱筒圓筒間外側焊接肋板使箱筒成為整體結構，圓筒內側和外側也分別焊有加強肋板，筒間肋板提高了箱筒的抗屈能力，同時，箱筒內土體由于抽真空孔隙水減少加速固結，和箱筒外土體共同作用具有較大的抗傾作用。同時，由于箱筒下沉抽真空形成負壓還可以抵抗海水的上浮力作用，提高箱筒的抗拔力。

3 箱筒型基礎結構的應用過程

箱筒型基礎結構在工程中應用需要經過加工制作、氣密性檢驗、浮運/托運、就位下沉、上部結構安放等過程。

4 箱筒型基礎結構檢測程序和方法

箱筒型基礎結構加工制作及應用過程需要進行原材料（包括鋼板、焊材、涂裝材料）檢測、焊接檢測、結構尺寸檢測、除銹檢測、涂裝檢測、氣密性檢測、抽氣系統(tǒng)檢測、浮運系統(tǒng)檢測、就位位置檢測等過程，分別采用相應的檢測方法。

4.1 原材料檢測

箱筒型基礎結構是由鋼板焊接而成的鋼結構，箱筒型基礎結構原材料檢測包括鋼材檢測、焊接材料檢測和涂裝材料檢測。

4.1.1 鋼材檢測鋼材的品種、規(guī)格、性能應符合現(xiàn)行國家產品標準和設計要求。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢查方法為檢查質量合格證明文件及檢測報告。

鋼板厚度及允許偏差應符合產品標準要求。檢查數(shù)量為每一品種、規(guī)格的鋼板抽查5處；檢驗方法為用游標卡尺量測或超聲波測厚儀測試。

型鋼的規(guī)格尺寸及允許偏差符合其產品標準的要求。檢查數(shù)量為每一品種、規(guī)格的型鋼抽查5處；檢驗方法為用鋼尺和游標卡尺量測。

鋼材的表面外觀質量應符合國家現(xiàn)行有關標準的規(guī)定，當鋼材的表面有銹蝕、麻點或劃痕等缺陷時，其深度不得大于該鋼材厚度負允許偏差值的1/2；鋼材表面的銹蝕等級應符合現(xiàn)行國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 8923[5]規(guī)定的C級及C級以上；鋼材端邊或端口處不應有分層、夾渣等缺陷。

鋼材的力學性能檢驗主要為屈服點、抗拉強度、伸長率、冷彎等項目。檢驗數(shù)量為屈服點、抗拉強度、伸長率、冷彎檢驗項目取樣每批1個；取樣方法為在鋼板寬度1/4處切取拉伸、彎曲試件；檢驗方法為抽取同批的鋼材加工成試件，進行鋼材力學性能試驗，按照《金屬拉伸實驗方法》GB 228[6]和《金屬彎曲試驗方法》GB 232[7]執(zhí)行。當被檢驗鋼材的屈服點或抗拉強度不滿足要求時，應補充取樣進行拉伸試驗。補充試驗應將同類構件同一規(guī)格的鋼材劃分為一批，每批抽樣3個。

4.1.2 焊接材料檢測焊接材料的品種、規(guī)格、性能應符合國家產品標準和設計要求。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查。檢驗方法為檢查焊接材料的質量合格證明文件及檢驗報告。

焊條外觀不應有藥皮脫落、焊芯生銹等缺陷，焊劑不應受潮結塊。檢查數(shù)量為按量抽查1%，且不應少于10包；檢驗方法為觀察檢查。

4.1.3 涂裝材料檢測鋼結構防腐涂料、稀釋劑和固化劑等材料的品種、規(guī)格、性能等應符合現(xiàn)行國家產品標準和設計要求。防腐涂料的型號、名稱、顏色及有效期應與其質量證明文件相符。開啟后不應存在結皮、結塊、凝膠等現(xiàn)象。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢驗方法為檢查產品的質量合格證明文件、中文標志及檢驗報告。

4.2 焊接檢測

碳素結構鋼應在焊縫冷卻到環(huán)境溫度、低合金結構鋼應在完成焊接24 h以后，進行焊縫探傷檢驗。

設計要求全焊透的一、二級焊縫應采用超聲波探傷進行內部缺陷的檢驗，超聲波探傷不能對缺陷做出判斷時，應采用射線探傷，其內部缺陷分級及探傷方法應符合現(xiàn)行國家標準規(guī)定。

焊縫表面不得有裂紋、焊瘤等缺陷。一級、二級焊縫不得有表面氣孔、夾渣、弧坑裂紋、電弧擦傷等缺陷。且一級焊縫不得有咬邊、未焊滿、根部收縮等缺陷。檢查數(shù)量為每批同類構件抽查10%，且不應少于3件；被抽查的構件中，每一類型焊縫按條數(shù)抽查5%，且不少于1條；每條檢查1處，總抽查數(shù)不應少于10處。檢驗方法為觀察檢查或使用放大鏡、焊縫量規(guī)和鋼尺檢查，當存在疑義時，采用滲透或瓷粉探傷檢查。

4.3 尺寸檢測

鋼構件加工尺寸偏差應符合《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》GB 50205[8]規(guī)定。檢查數(shù)量為每個構件檢查；檢查方法為用鋼尺量測；檢查內容包括鋼圓筒直徑、高度，頂板長度、寬度及對角線長度。每個尺寸在構件3個部位量測，取3處測試值的平均值作為該尺寸的代表值。

4.4 除銹檢測

鋼材表面不應有焊渣、焊疤、灰塵、油污、水和毛刺。檢查數(shù)量為按構件數(shù)抽查10%，且同類構件不應少于3件。檢查方法為用鏟刀檢查和用現(xiàn)行國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》GB 8923[5]規(guī)定的圖片對照觀察檢查。

4.5 防腐涂料涂裝檢查

鋼結構防腐涂料涂裝遍數(shù)、涂層厚度均應符合設計要求。檢查數(shù)量為按構件數(shù)抽查10%，且同類構件不應少于3件。檢驗方法為用干漆膜測厚儀檢查。每個構件檢測5處，每處的數(shù)值為3個相距50mm測點涂層干漆膜厚度的平均值。

構件表面不應誤涂、漏涂，涂層不應脫皮和返銹等。涂層應均勻、無明顯皺皮、流墜、針眼和氣泡等。檢查數(shù)量為全數(shù)檢查；檢驗方法為觀察檢查。

鋼結構處在有腐蝕介質環(huán)境或外露且設計有要求時，應進行涂層附著力測試，在檢測處范圍內，當涂層完整程度達到70%以上時，涂層附著力達到合格質量標準的要求。檢查數(shù)量為按構件數(shù)抽查1%，且不應少于3件，每件測3處。檢驗方法為按照現(xiàn)行國家標準GB/T 1720《漆膜附著力測定法》[9]執(zhí)行。

4.6 氣密性檢測

箱筒型基礎結構是利用抽真空負壓下沉到設計標高作為結構基礎使用，抽真空負壓下沉的成功關鍵是保證鋼箱筒結構的氣密性。若氣密性不好出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，鋼箱筒浮運就不能保證安全，浮運到現(xiàn)場也無法下沉到位，只能進行補焊。在施工水域現(xiàn)場進行補焊存在較大的施工風險和安全風險，因此，箱筒型基礎結構在浮運前必須進行氣密性檢測。

氣密性檢測過程：鋼箱筒起吊下水后靠自重下沉，由于鋼箱筒有頂板，形成密封空腔，在浮力作用下，鋼箱筒就浮在水面。若鋼箱筒氣密性完好，在不進行抽氣或充氣的情況下，鋼箱筒平穩(wěn)地浮在水面，吃水深度不變。若鋼箱筒發(fā)生傾覆，且吃水深度變大，說明鋼箱筒存在漏氣現(xiàn)象，應查找漏氣之處并進行檢測重新焊接。為了更好的進行氣密性檢測，打開抽氣閥門通過抽氣管道從鋼箱筒封閉空腔內抽出空氣，達到施工中抽真空的真空度，檢驗鋼箱筒的氣密性。若氣密性完好，則可以進行托運；若存在漏氣現(xiàn)象，應找出漏氣之處，將鋼箱筒起吊到陸地重新進行焊接，經X射線檢驗符合規(guī)范要求后重新進行氣密性檢測，氣密性檢驗需要24 h，即保證24 h氣密性完好。氣密性檢測合格后進行托運的準備。

氣密性檢測方法為吊放下水抽氣檢測；檢測數(shù)量為每個箱筒都檢測。

4.7 抽氣系統(tǒng)檢測

鋼箱筒抽氣系統(tǒng)包括抽氣管道、抽氣閥門和抽氣泵，抽氣管道的檢查主要是焊接檢查，保證焊接質量完好，在抽真空中密封性完好。抽氣閥門檢測主要檢測閥門啟閉性能，即開啟關閉性能的完好性；抽氣泵的檢測主要為抽氣泵功能檢測，即抽氣達到的功能效果。

檢測方法為打開抽氣閥門和抽氣泵進行檢測；檢測數(shù)量為每件都檢測。

4.8 托運設施檢測

托運設施包括托運船舶、托纜、系筒纜繩。托運船舶需符合海事局關于船舶航行要求的條件，托纜滿足托纜拉力的要求，系筒纜繩滿足拉力要求。

檢測方法為檢查船舶營運證、纜繩拉力；檢測數(shù)量為逐項檢測。

4.9 箱筒型基礎結構就位位置檢測

箱筒型基礎結構位置檢測包括平面位置和垂直度檢測。平面位置檢測主要是中心點和軸線位置檢測，檢測方法為采用GPS或全站儀進行，通過對箱筒型基礎結構中心點和軸線兩端點坐標進行測量來控制。根據(jù)《港口工程質量檢驗評定標準》（JTJ 221-1998）[10]局部修訂規(guī)定，中心點允許偏差50mm。垂直度檢測采用經緯儀或全站儀進行，主要在結構下沉過程中進行控制，其允許偏差為1/250。相鄰箱筒齒槽錯牙允許偏差30mm，筒頂高差允許偏差30mm，接縫寬度允許偏差30mm。

檢測數(shù)量為逐件進行檢測。

5 結語

本文結合箱筒型基礎結構在水運工程中應用的實踐，對箱筒型基礎結構的作用機理和應用過程進行了論述，提出了箱筒型基礎結構的檢測程序和方法，對箱筒型基礎結構在工程中應用具有指導和借鑒意義?！?/p>

[1]彭增亮.箱筒型基礎結構氣浮托航的穩(wěn)性計算[J].中國港灣建設，2007（1）：15-19.

[2]孫百順，田雙珠，張勇，等.箱筒型基礎在人工島工程中的應用[J].水運工程，2007（1）：80-83.

[3]王朝輝.箱筒型基礎結構在海底管線防護中的應用[J].水運工程，2007（2）：93-96.

[4]別社安，徐元錫，祝業(yè)浩，等.大圓筒結構的充氣浮運方法[J].港工技術，2001（2）：21-24.

[5]GB 8923，涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級[S].

[6]GB 228，金屬拉伸實驗方法[S].

[7]GB 232，金屬彎曲試驗方法[S].

[8]GB 50205，鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范[S].

[9]GB/T 1720，漆膜附著力測定法[S].

[10]JTJ 221-1998，《港口工程質量檢驗評定標準》局部修訂[S].

2011-03-09