深水大厚度換填砂加固地基在重力式碼頭中的應用

廖世強，陳汨梨

(1.中交四航局第三工程有限公司，湛江 529005；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

重力式碼頭兼具碼頭結構和擋土結構雙重功能，具有悠久的使用歷史，由于其優(yōu)越的耐久性，在幾種基礎結構中，通常會優(yōu)先考慮。但是重力式碼頭結構對地基承載力要求較高，在以往的國內外碼頭工程中，重力式碼頭多建在巖基、密實砂土或堅硬粘土等地質條件較好的地方。在過去的幾十年里，港口建設選址多數地質良好。隨著岸線開發(fā)力度的加大，越來越多的港口建設選址不得不面對較差的地質情況。在松散砂土、粘土、粉土等軟土地基上建造重力式碼頭，必須進行可靠的地基加固處理。對于軟弱地質，常用的加固處理方案有：碎石樁、擠密砂樁、水泥攪拌樁、高壓旋噴樁和開挖換填等。

振沖法[1]已被證明適用于中粗砂地基采用無填料振沖，我國《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ79-2012)[2]對振沖密實法的適用對象及條件作出如下規(guī)定：(1)適用于擠密處理松散砂土、粉土、粉質粘土、素填土、雜填土等地基，以及用于處理可液化地基。飽和粘土地基，如對變形控制不嚴格，可采用砂石樁置換處理；(2)對大型的、重要的或場地地層復雜的工程，以及對于處理不排水抗剪強度不小于20 kPa的飽和粘性土和飽和黃土地基，應在施工前通過現場試驗確定其適用性；(3)無填料振沖擠密法適用于處理粘粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基，在初步設計階段宜進行現場工藝試驗，確定不加填料振密的可行性，確定孔距、振密電流值、振沖水壓力、振后砂層的物理力學指標等施工參數。

對于重力式碼頭，以往的工程案例中多采用開挖換填方案，其中大噸級重力式碼頭多采用塊石作為換填料，如煙臺港西港區(qū)2.5萬t級碼頭工程，碼頭結構為重力式，采用換填塊石加固地基，換填最大深度至底標高-22.5 m；廣州港南沙港區(qū)三期工程15萬t級集裝箱碼頭，碼頭結構為重力式，采用換填塊石加固地基，換填最大深度至底標高-30.0 m；廈門港嵩嶼港區(qū)10萬t級集裝箱碼頭，采用重力式碼頭結構，換填塊石加固地基，換填厚度14～17 m。對于其他結構碼頭有采用換填砂加固地基案例，如廣州黃埔港新沙一期工程格型鋼板樁碼頭，樁區(qū)采用換填砂振沖加固地基，換填厚度4.5 m，標高為-12.5～-17.0 m，上覆最大水深16.0 m；深圳鹽田港一期鋼板樁碼頭，采用換填砂加固地基，換填厚度9 m，標高為-13.0～-23.0 m，上覆水深16.0 m；珠海高欄港國際集裝箱碼頭接岸圍埝拋石堤地基采用換填砂振沖加固，換填厚度12.5 m ,標高為-17.5～-32.0 m，上覆最大深水21.0 m。

按以往經驗，采用換填塊石的建設成本通常比較高，其石料采購，石料陸水運輸、水上拋石、水下夯實等成本均較高，另外換填塊石厚度較大時，通常需要分層拋石，分層夯實，分層數量多，拋石與夯實施工工期也比較長。

當碼頭施工現場附近有豐富的中粗砂砂源，采用中粗砂作換填料，并采用振沖法對換填砂振沖密實，采砂回填及振沖密實的施工成本將能大大降低，具有較大的優(yōu)勢。西非某港口擴建項目沉箱重力式碼頭基床地基進行了大規(guī)模超深換填砂加固實踐，取得良好的技術與經濟效果，可為類似項目的設計和施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

西非某瀉湖內港口擴建項目包含擴建3個集裝箱碼頭泊位，泊位總長1 312 m。碼頭結構設計水深-18.5 m，碼頭面高程+3.5 m，港池疏浚標高近期-16 m，遠期-18.0 m，后方填海造陸37.8萬m2。采用沉箱重力式結構，設有66件矩形沉箱，沉箱長19.35 m、寬16.0 m、高19.5 m，單件沉箱重約3 244 t。

2 地基與基礎方案設計

碼頭選址地質在深度方向上軟硬相間，在平面方向上強弱混雜，分布不均，持力層埋藏深。有淤泥層、細砂-粗砂層、松散砂層、密實砂層、粘土(局部夾雜腐木層)，部分粘土層、腐木層以及部分埋深較大的松散砂層不滿足重力式碼頭承載力及沉降的要求。設計采取大開挖換填中粗砂(含泥量≤5%)，并振沖密實的加固方案。換填砂基槽底寬均為23 m，換填深度以槽底地質的標貫擊數N≥15擊進行控制，換填砂振沖加固后表層2 m以下標貫擊數(SPT)N≥22擊。換填砂地基上采用厚度6 m的拋石基床，拋石基床后沿設置倒濾層，沉箱后方直接回填中粗砂。整個項目換填砂深度從-24.5～-43 m不等，相應厚度從0～18.5 m不等，換填砂總量約30萬m3。特征斷面如圖1。

圖1 碼頭換填砂地基典型斷面圖(單位：m)Fig.1 Typical cross-sectional view of the sand replacement foundation of the wharf

3 施工技術

3.1 超深換填基槽開挖與防回淤措施

基槽開挖過程、開挖后、回填砂前的防回淤控制是關鍵工序。槽底淤泥厚度過厚，造成回填砂后形成新的軟弱淤泥夾層，或出現流泥侵入換填砂層，導致換填砂含泥量超標，使換填砂振沖密實度達不到要求。基槽開挖按先清淤，后挖基槽，分段實施，快挖快填的原則實施。

基槽分段開挖前，先進行基槽周邊約150 m范圍內的清淤開挖，然后再開挖基槽。清淤開挖最后一層采取縱橫搭接半斗、不滿斗開挖，減少淤泥殘留。基槽開挖過程中每挖完一層，采用多波束測深儀測量，確保開挖邊線與邊坡滿足設計。采用多波束測量高差法、地質鉆機取樣法和水下柱狀淤泥取樣器取樣法等綜合技術監(jiān)測槽底及回填砂層間淤泥厚度，回填砂前槽底淤泥厚度按不大于20 cm進行控制。

3.2 深水回填砂

從提高振沖砂質量效果來分析，換填砂一次性回填，一次性振沖的工藝最佳，但通過試驗發(fā)現受水深、換填砂顆粒級配、含泥量、振沖器性能等影響，在深水換填砂振沖中，振沖器一次振沖深度比陸上或淺水振沖砂要小很多。100～180 kW電動振沖器一次振沖深度僅為4～5 m，230 kW液壓振沖器一次振沖深度約為7～8 m。換填層較厚時需采用分層回填，分層振沖的施工工藝?；靥顦烁甙椿靥詈穸?%～8%預留振沖沉降量。

回填砂采用耙吸船取砂，自行定位，開艙門直拋，或抓斗船取砂，開體駁運輸，定位駁船輔助定位，開體直拋回填?；靥钌盀橹写稚埃悮ず可?，含泥量均小于5%。對回填到基槽后通過鉆孔取樣篩分，并根據Mitchell 給出了適合于振沖加固的顆粒級配范圍曲線圖[3]繪制回填砂前后篩分曲線圖如圖2所示，從圖中可以看出，槽底附近的砂含泥量比回填前要變大，最大達12%，其余部位砂的細顆粒變少，含泥量更小，其原因是受水深水流的影響，回填砂在水中漂落過程中會產生一定的漂移，顆粒分離?？傮w來說，換填砂適合采用無填料振沖法加固。

圖2 換填砂回填前后取樣篩分曲線對比圖Fig.2 Comparison of sampling and screening curves before and after backfilling

3.3 深水振沖砂

(1)振沖施工船機。在平板駁船甲板上安裝履帶吊，履帶吊吊單臺振沖器進行振沖。由于振沖水深大，采取振沖器及導管全潛入水下的振沖工藝[4]。

(2)振沖參數。振點布置及點距、下插速度、底部留振時間，分段提升高度，分段留振時間等振沖參數與砂的質量、振沖器性能等有關[4-8]，通過現場試振得到較佳參數：振沖點采用正三角形布置，電動100～132 kW振沖器較佳點距2 m，電動180 kW振沖器較佳點距2.5 m，液壓V230型振沖器較佳點距3 m。振沖器下插速率控制在8～10 m/min。底部留振時間宜30 s，分段提升高度50 cm，分段留振時間30 s，并使電流或油壓達到試驗段的密實值。換填砂基槽底為砂質時，振沖頭宜插入基底約50 cm；基底為粘土時，振沖頭宜高于底面約50 cm，防止擾動基底。分層回填，分層振沖時，上下層搭接約1 m。

(3)振沖流程。工作船拋錨定位→吊立振沖器→振沖器對準點位→啟動振沖器并勻速下插→下插振沖器至振沖底高程→留振→(分段提升振沖器，分段留振，直至拔出砂面)→移動振沖器至下一振沖點位。

4 振沖加固效果

4.1 檢測方法

采用標準貫入試驗(SPT)檢驗振沖質量效果。回填完或振沖完成3 d后開始檢測，以實際貫入擊數為檢驗標準。檢測孔位布置在設計安放沉箱的角點及中部附近，標貫點位于砂面以下2 m、4 m、6 m……處，直至實際換填基底。

4.2 換填砂振沖前自然密實效果

測試段換填頂標高-24.5 m，換填底標高-32.0 m，層厚7.5 m，施工采用耙吸船取砂回填。在換填砂回填完成約1周時間后開始檢測，隨機抽檢8孔，勘察孔的振前SPT值(見表1)。從表中可看出，深水換填砂未經振沖加固的自然密實條件下SPT值離散性較大，最小值為4擊，最大值為24擊，均值12擊，絕大部分達不到設計要求的22擊。

表1 試驗段換填砂振前自然密實條件下SPT擊數抽查匯總表Tab.1 Summary table of random inspection of SPT strike number under natural compaction condition before sand filling and vibration in test section 擊

4.3 電動100 kW振沖器分層振沖效果

測試段采用100 kW電動振沖器振沖。最初采用一次回填，一次振沖的工藝，經試振發(fā)現該電動振沖器一次振沖深度4～5 m，達不到換填層厚。后采取挖除一層約3 m厚換填砂后，再按分層回填，分層振沖，分層檢測的工藝實施，最后整層一次驗收檢測。分層振沖一次振沖深度達到分層厚度，驗收檢測一次通過，檢測結果見表2。從表中SPT值來看，水下換填砂分層振沖的密實度有顯著的提高，大于設計要求值22擊。

表2 換填砂電動振沖器分層振后SPT擊數抽查匯總表Tab.2 Summary table of random inspection of SPT strike number after layered vibration of sand replacement electric vibroflot 擊

4.4 液壓230 kW振沖器分層振沖效果

最深換填段(換填頂標高-24.5 m，底標高為-43.0 m，厚度18.5 m)采用分3層回填及振沖工藝，控制層厚6.5 m。采用ICE公司生產的輸出功率相當于230 kW的液壓振沖器V230型進行振沖，施工過程順利，振后其中2個設計沉箱位內的8個檢測孔的SPT結果見表3。從SPT結果來看，V230型液壓振沖器的振沖效果要比電動振沖器更好，擊數更高，多數大于50擊。

表3 換填砂液壓振沖器分層振后SPT擊數抽查匯總表Tab.3 Summary table of random inspection of SPT strike number after layered vibration of sand-filling hydraulic vibrator 擊

整個換填區(qū)除存在極個別孔的個別標高處的SPT值達不到22擊，經一次復振后達標外，其他均一次振沖合格。

4.5 碼頭沉降特性

注：X負值代表沉箱向碼頭長度方向位移，Y正值代表向沉箱后沿方向位移圖3 41#沉箱沉降位移曲線圖Fig.3 Displacement curve of caisson 41#

換填砂加固段碼頭拋石基床厚度6 m，采用2 m厚分層拋石，分層夯實工藝施工。地基沉降與拋石基床壓縮沉降的監(jiān)測結果有如下沉降特性：大部分沉箱累計總沉降量為100～150 mm，少數沉箱沉降小于100 mm或大于150 mm，最大值180 mm。沉箱安裝完成經過一個潮漲潮落后開始監(jiān)測沉箱沉降，至箱內回填前沉降值均小于5 mm，占總沉降量2%；箱間倒濾井及箱內回填砂后有較大的沉降，沉降量占總沉降量為50%～55%；箱后回填砂后沉降又有較大發(fā)展，沉降量占總沉降量約28%；箱后回填砂振沖再次引起沉箱的沉降，占總沉降量約20%。多數沉箱頂出現后傾位移，少數沉箱出現前傾位移，位移值均小于30 mm。胸墻混凝土澆筑及胸墻后方回填完成后，胸墻累計沉降量4～8 mm。各施工荷載工況完成約15 d后沉降趨于基本穩(wěn)定，荷載發(fā)生變化后又會有沉降變化。

典型沉箱位沉降量及沉降曲線如下圖表所示，表4中沉箱編號38#～42#對應換填標高-24.5～-32.0 m加固區(qū)，沉箱編號80#～84#對應換填標高-24.5～-43.0 m加固區(qū)。圖3為41#沉箱沉降位移曲線。施工過程沉箱安裝預留沉降量150 mm，滿足預期。

表4 換填砂加固區(qū)碼頭沉降特征值Tab.4 Characteristic values of wharf settlement in the sand replacement and reinforcement area mm

5 結論

深水換填中粗砂地基未經振沖的自然密實狀態(tài)下的SPT值普遍為5～15擊，大于15擊的極少，水深對砂的自然密實度影響不大。采用振沖法可大幅提升深水換填砂的密實度，SPT值普遍達到30擊，部分甚至達50擊以上，滿足重力式碼頭地基需求。

在深水深基槽大厚度換填砂振沖中，當厚度較大時，一次性整層回填存在振沖困難，可采用分層回填、分層振沖、分層檢測的施工工藝。功率180 kW以內的電動振沖器一次振沖深度普遍為4～5 m，輸出功率230 kW的液壓振沖器一次振沖深度有6～7 m，施工中宜優(yōu)先采用液壓振沖器。

換填砂地基經振沖加固后地基承載力及密實度比較均勻，碼頭沉降比較均衡。箱內回填、箱后回填、箱后回填砂振沖3個工況下大部分沉降量釋放完成。胸墻澆筑前宜完成沉箱箱后回填砂的振沖。

對于持力層埋藏較深的碼頭選址，采取開挖深槽換填中粗砂并振沖加固地基可滿足建造大型沉箱重力式碼頭需求。換填用砂就地取材比換填塊石節(jié)省大量材料費，節(jié)省加固措施費用，加快施工進度，有良好的技術經濟效果。