土層間鈣質(zhì)結(jié)核物破碎工藝設(shè)計與施工

杜厚新　夏俊橋(中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042)

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土層間鈣質(zhì)結(jié)核物破碎工藝設(shè)計與施工

杜厚新夏俊橋
(中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042)

摘要：桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是一種采用負(fù)壓下沉的安裝工藝，在下沉過程中會遇到地質(zhì)中的硬土夾層或不規(guī)則零星分布的鈣質(zhì)結(jié)核物，需要對此進行處理。本文主要介紹一種新型單桶多倉基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)負(fù)壓下沉障礙物或夾層的破碎工藝，包括破碎方案的設(shè)計，施工的控制，為類似工程的設(shè)計施工提供了很好的借鑒。

關(guān)鍵詞：桶式基礎(chǔ)；鈣核；破碎；設(shè)計；施工

1　工程概況

連云港港徐圩港區(qū)防波堤直立式結(jié)構(gòu)東西兩堤總長8200m，防波堤主體結(jié)構(gòu)由390組桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成，桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需要穿過淤泥層并沉入粉質(zhì)粘土層1.5m~2m形成堤身結(jié)構(gòu)。

圖1　桶式結(jié)構(gòu)縱斷面圖

物探證實下沉土層的粘土層頂板附近存在強度較高的鈣質(zhì)結(jié)核物（30~40Mpa），鈣質(zhì)結(jié)核物的存在對桶體下沉構(gòu)成了實質(zhì)性障礙，不利于桶體的糾偏。根據(jù)地質(zhì)資料探明分布范圍較大的且成片鈣核區(qū)域有29處[2]，未查明的其它區(qū)域也存在局部鈣質(zhì)結(jié)核物，因此需要就整個施工區(qū)域的地質(zhì)異常情況提出處理措施。

圖2　鈣質(zhì)結(jié)核物

2　地質(zhì)分析

根據(jù)《連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程巖土工程勘察報告（施工圖設(shè)計階段）》，勘察地層均為第四系海相沉積物和沖洪積物，場地地層自上而下可以分為：

（1）全新統(tǒng)海相沉積(Q4m)：由淤泥組成，流塑，壓縮性極高，工程地質(zhì)性能極差。

（2）全新統(tǒng)沖積層（Q4al）：巖性為粘土、粉質(zhì)粘土，可塑，工程地質(zhì)條件一般。

（3）上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）：巖性為可～硬塑粘土、粉質(zhì)粘土，夾少量砂土，中密局部密實粉砂、中砂，該層工程地質(zhì)條件較好。

土層主要由淤泥、粘性土、砂性土組成。其中關(guān)系桶體下沉的土層包括：

層淤泥：灰色，流塑，滑膩，含少量貝殼殘片，局部夾粉砂薄層，層頂局部分布薄層流泥，層底夾薄層淤泥質(zhì)土。場區(qū)普遍分布，厚度：5.20-17.80m，平均10.24m；物理力學(xué)指標(biāo)推薦值W=65%，γ=15.8kN/m3，Es=1.60MPa，不固結(jié)不排水剪Cuu=4.42KPa，φuu=1.67°。該層為本場地特殊性土層，具高壓縮性，高觸變性，高含水量。

層粉質(zhì)粘土：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10～20cm直徑，0.5~1cm鈣核，最大鈣核直徑3cm，切面較光滑，韌性及干強度中等。場區(qū)普遍分布，厚度：0.50-10.30m，平均4.31m；層底標(biāo)高：-23.50～-12.42m，平均-18.51m；層底埋深：7.40-20.00m，平均14.88m。物理力學(xué)指標(biāo)推薦值W=26.0%，γ= 19.3kN/m3，直剪C=38.0kPa，Φ=11.0°。該層壓縮性中等，工程地質(zhì)性質(zhì)一般。

在淤泥層和粉質(zhì)粘土層之間普遍存在鈣質(zhì)結(jié)核物，結(jié)核物或零散分部，或成片分布，兩堤通過物探檢測異常區(qū)或鈣核成片分布有29處。

3　方案設(shè)計

由于桶體需要平衡的穿越鈣核夾層，因此需要對影響桶體下沉的部位進行處理。土層鈣核障礙物夾層雖然通過物探知道大致位置,現(xiàn)在的檢測手段還不能精確探明位置，因此要在直立堤安裝桶體的區(qū)域內(nèi)都要對鈣核障礙物進行探測與破碎，確體桶體能夠通過自重及負(fù)壓下沉到位。

3.1方案設(shè)計比選

（1）水下深層爆破：使用水上爆破船深層定位插藥包，通過爆炸將鈣核粉碎。

優(yōu)點：處理速度快，處理效果較好。

缺點：對海洋環(huán)境破壞較大，對下沉土體產(chǎn)生了擾動，影響桶體使用的穩(wěn)定性。

（2）桶壁埋設(shè)管道水沖：在桶體安裝下沉?xí)r，在沉入淤泥的外墻及隔墻上埋設(shè)鋼管，通過高壓氣體或高壓水將鈣核擊碎。

優(yōu)點：可以根據(jù)桶體下沉情況，可以選擇性地對鈣核障礙物進行清除，

缺點：工序復(fù)雜，成片鈣核可能無法擊碎；桶體下沉過程中由于上下通水或氣，負(fù)壓難以形成；對下沉土體有一定的擾動。

（3）振動破碎工藝：通過外部振動將鈣核破碎。

優(yōu)點：處理效果明顯，獨立施工對安裝不造成干擾

缺點：點位施工，施工速度慢。

通過三種方案比選，采用第三種方案，確保負(fù)壓施工與桶體安裝使用滿足設(shè)計受力要求。

3.2振動破碎方案設(shè)計

3.2.1振動破碎工藝設(shè)計

振動破碎采用振動錘錘擊帶有特制的鋼樁尖鋼管進行定點破碎。為提高施工效率，振動施工船選用三管砂樁船進行打設(shè)破碎。該船配置3套135#振動錘，錘重7.2噸，同時可打設(shè)3根沉管。

圖3　鈣核處理船

鈣核處理樁尖的設(shè)計充分考慮無掩蔽海域船舶沉樁不可避免的樁位偏差，樁尖投影外形設(shè)計成矩形，中間為鋼板格柵，沿長軸向長度1.8m，垂直長軸向長度1.1m，以確保樁心平面偏差不超過300mm垂直度偏差不超過3‰時，桶壁及隔墻沉落在震解區(qū)域。

樁尖寬度理論計算：桶壁厚300mm+偏差300mm×2+垂直度偏差3‰×24m=907.2mm；

樁尖長度理論計算：按樁心距1.7m考慮，1.7m+垂直度偏差3‰×24m=1.772m。因此，樁尖投影按1.8m×1.1m設(shè)計，可以滿足樁位偏差要求。

圖4　鈣核處理樁尖設(shè)計圖

3.2.2打設(shè)點位及標(biāo)高設(shè)計

根據(jù)打樁的能力與施工效率要求，樁的點位間距為沿桶體底部的輪廓線及倉格軸線方向1.7m。當(dāng)樁尖打設(shè)到淤泥層底表面標(biāo)高下1m即可。

圖5　樁位布置示意圖

4　鈣核處理施工控制

4.1工藝流程

圖6　施工工藝流程圖

4.2測量控制

平面控制采用不受天氣影響、全天候作業(yè)的“海工工程遠(yuǎn)距離GPS沉樁定位系統(tǒng)”進行樁位。施工前將擬處理區(qū)的設(shè)計樁心坐標(biāo)、輸入接收機內(nèi)，利用放釋功能進行定位，在顯示器上顯示實時樁位數(shù)據(jù)圖形同時也顯示設(shè)計沉設(shè)樁位、偏差值,實現(xiàn)GPS信號在控制屏幕上平穩(wěn)真實的反映，用以指揮準(zhǔn)確對準(zhǔn)擬施工樁位。

樁位數(shù)據(jù)錄入后，屏幕顯示的樁位如下圖所示：

圖7　測量控制圖

由于本項目振動沉管施工完成后，無法對施工后的樁位進行復(fù)測校核，施工過程中的樁位控制及記錄數(shù)據(jù)將做為驗收對象。為避免偶然操作失誤或人為偏差導(dǎo)致漏打或打偏，本項目采用了2套GPS定位系統(tǒng)，2個樁位顯示屏，兩組獨立的測量記錄人員，互相校核，并以樁尖到達(dá)底標(biāo)高的時點顯示的樁心坐標(biāo)為依據(jù)，實時繪制樁尖實際覆蓋區(qū)域圖。在一個桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)區(qū)處理完成后，將繪制的覆蓋區(qū)域圖與設(shè)計桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桶壁隔墻投影圖進行重疊校核，如有未覆蓋到的區(qū)域，將進行補打處理。

施工前，測量施工員要精確計算出每個桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的中心設(shè)計坐標(biāo)及每個桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的樁位坐標(biāo)。并予以校核。

4.3振動沉管樁施工

施工船舶配置4個以上的5噸錨。進入施工現(xiàn)場，先用船上的GPS大致定位拋錨，再用2套GPS定位系統(tǒng)進行精準(zhǔn)定位。根據(jù)潮流情況船舶駐位應(yīng)盡可能避免橫流。最終要求是駁船在施工時要平穩(wěn)。施工船先拋成八字開錨。根據(jù)海況及施工情況，再確定是否補加錨纜，穩(wěn)住船舶。

樁架的垂直度主要依靠船艙壓載水來調(diào)節(jié)，通過樁架上的重錘角度儀確認(rèn)，GPS指揮移船至計算樁位與實際樁位重合后開始下樁、壓樁入土，再次核對計算樁位與實際樁位，誤差在允許范圍后開啟振動錘沉樁?，F(xiàn)場指揮用對講機確認(rèn)堤根水尺顯示的實時水位并換算樁尖深度，指揮沉管振動下沉，記錄員觀測記錄樁管刻度、對應(yīng)的電流值及各類異常情況。樁尖到位后記錄此時的實際樁位。振動拔管，完成一個樁位的鈣核處理。移船重復(fù)上述步驟處理下一個樁位。

5　施工主要事項

由于夾層及障礙物的特殊性及改造船舶費用較大，在工藝設(shè)計完成后首先實施了工藝驗證試驗，驗證成功后用該工藝進行船機改造及工程施工。

船舶定位是工程關(guān)鍵，選用氣象條件較好的天氣施工。

由于地質(zhì)特殊性該工藝能較好的滿足大部分鈣核的處理，當(dāng)遇到特殊障礙物難以清除時需要換裝尖頭或平面樁尖進行特殊處理。

根據(jù)地質(zhì)資料在鈣核沒有成片分部的區(qū)域可以進行初步試探，試探與地質(zhì)吻合后在資料上無鈣核區(qū)域可不進行連續(xù)處理，加快施工速度。

在遇到成片鈣核或障礙物時進行加密處理。

6　結(jié)束語

（1）采用專用船舶處理鈣質(zhì)結(jié)核物提前實施，船舶駐位遠(yuǎn)離了安裝和接高區(qū)域，具有獨立性與其他工序無干擾。

（2）在物探反射區(qū)曾遇到成片分布的鈣質(zhì)結(jié)核物，本工藝實施了連續(xù)處理，處理后桶式結(jié)構(gòu)下沉順利下沉到位。

（3）在物探非反射區(qū)后期實際施工中采用了間隔初步試打查勘，查勘沒有成片分布時則實施下一個桶式結(jié)構(gòu)位置的查勘，發(fā)現(xiàn)連續(xù)分布再行密集處理，該調(diào)整大大提高了施工效率。

（4）為該工藝設(shè)計的多種樁頭滿足了不同地質(zhì)條件下施工的需要，同樣提高了施工效率和效果。

目前在碼頭、橋梁、防波堤、船塢等工程中采用了多筒組合或單桶多倉的插入式桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該類結(jié)構(gòu)是采用混凝土、鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等材料制作的，該類結(jié)構(gòu)無底有蓋，通過倉內(nèi)沖氣進行浮游運輸，利用自重、水壓力和排氣、排水形成的負(fù)壓沉入土中。在下沉過程中當(dāng)遇到土體中堅硬夾層時依靠上述力量無法穿過，當(dāng)局部遇到土中的堅硬障礙物體時會產(chǎn)生傾斜并阻礙插入式結(jié)構(gòu)進一步下沉。本工藝采用船舶、樁架、樁管和振動錘系統(tǒng)，配置樁管，安裝測量系統(tǒng)進行精確定位和導(dǎo)向。通過振動錘帶動樁管向下振沉，破碎樁尖在錘擊力的作用下將土層中的堅硬夾層、堅硬障礙物等破碎或擠出，成功的解決了自沉或負(fù)壓下沉插入式結(jié)構(gòu)遇到堅硬障礙物無法進入的問題，破除自沉或負(fù)壓下沉插入式結(jié)構(gòu)遇到的障礙，拓寬了該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用的地質(zhì)條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，連云港港東西直立堤設(shè)計圖及設(shè)計說明[R],2014.2,GJ-2011-0256

[2]上海巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司,連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程水上物探工作成果報告[R],2012.7.28, 2012-W-036

[3]江蘇連云港地質(zhì)工程勘查院，連云港港徐圩港區(qū)防波堤工程巖土工程勘察報告[R],2011.4,2010-K-166

[4]鄭鐵民，秦蘊珊.黃東海淺水區(qū)海底鈣質(zhì)結(jié)核及其成因的研究[J],沉積學(xué)報,1986,4(02):47-57.

中圖分類號：U656.35

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006—7973（2016）02-0060-03