簡(jiǎn)述重力式碼頭沉箱后方回填優(yōu)化設(shè)計(jì)

谷告柏，李強(qiáng)強(qiáng)，樊亮亮

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

重力式碼頭沉箱結(jié)構(gòu)后方臨近結(jié)構(gòu)物的回填部分難以采用強(qiáng)度較大的地基處理方式，為了達(dá)到預(yù)期的回填處理的效果，一般采用回填中粗砂或者塊石。英標(biāo)中規(guī)定，對(duì)于重力式結(jié)構(gòu)后方的回填區(qū)域采用回填砂，需要考慮地基處理方式對(duì)于重力式結(jié)構(gòu)的影響[1]。我國(guó)的《港口工程地基規(guī)范》[2]主要介紹的地基處理方式有換填法、排水固結(jié)法、輕型真空井點(diǎn)法、強(qiáng)夯法、振沖法和水下深層水泥攪拌法等，但沒(méi)有特意針對(duì)重力式碼頭后方回填的方式進(jìn)行描述。

對(duì)于某些項(xiàng)目所在地，由于環(huán)保要求高海砂開(kāi)采難度大或者采砂工藝較為落后，砂石料的成本較高，從而導(dǎo)致沉箱后方回填砂石料的成本較大。本文依托喀麥隆克里比二期項(xiàng)目，結(jié)合快速低能夯實(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)多個(gè)回填方案的設(shè)計(jì)和施工對(duì)比，提出采用普通的開(kāi)山料作為沉箱后方的回填材料，提出了新的實(shí)施方案，有效節(jié)約了項(xiàng)目成本。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于喀麥隆克里比地區(qū)，項(xiàng)目分為一期已完工工程和二期擴(kuò)建工程，其中一期工程包含一個(gè)5萬(wàn)t級(jí)的集裝箱泊位和一個(gè)4萬(wàn)t級(jí)的多用途泊位，一期岸線總長(zhǎng)度達(dá)615 m；二期工程包含一個(gè)7 萬(wàn)t級(jí)和一個(gè)10 萬(wàn)t 級(jí)的集裝箱泊位，二期岸線總長(zhǎng)度為715 m。碼頭結(jié)構(gòu)采用沉箱重力式結(jié)構(gòu)[3]，相關(guān)斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 項(xiàng)目典型斷面示意圖

由于項(xiàng)目所在地的環(huán)保要求較高和地理位置限制，難以大量開(kāi)采海砂和河沙，碼頭后方回填區(qū)域的造價(jià)較高。

2 碼頭后方回填方案

基于碼頭的結(jié)構(gòu)形式，本項(xiàng)目在原案的基礎(chǔ)上提出了三種優(yōu)化方案，并對(duì)三種優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行對(duì)比，最后得出一種最優(yōu)的回填處理方案。

2.1 后方回填原案

在碼頭原案的地基處理方案中，沉箱后緣線25m范圍內(nèi)考慮到地基處理對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)的安全性影響，無(wú)法采用強(qiáng)度較大的地基處理方案。原案在該范圍內(nèi)采用振沖法這種振動(dòng)影響小的方法進(jìn)行地基處理，并且要求回填料采用含泥量（粒徑小于0.075 mm）不超過(guò)10 %的中粗砂。

因此，原案碼頭后方25m 范圍內(nèi)一定坡度的回填中粗砂，其他區(qū)域回填含泥量（粒徑小于0.075 mm）不超過(guò)20 %的開(kāi)山料。距離沉箱后緣線25 m范圍內(nèi)采用振沖法進(jìn)行地基處理的施工，25 m 范圍以外采用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理。該設(shè)計(jì)方案較為傳統(tǒng)，碼頭后方需要大量的中粗砂進(jìn)行回填處理，詳細(xì)方案見(jiàn)圖1。

2.2 后方回填優(yōu)化方案1

優(yōu)化方案1 為了達(dá)到減少用砂的目的，采用分層回填的施工方法，對(duì)全部回填料進(jìn)行地基處理，以防止不均勻沉降的發(fā)生，相關(guān)的方案見(jiàn)圖2。

圖2 后方回填優(yōu)化方案1

具體的施工順序?yàn)椋?/p>

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③在距離沉箱后緣線25 m 以后的區(qū)域回填開(kāi)山料，并進(jìn)行強(qiáng)夯；

④胸墻施工；

⑤沉箱后緣線25 m 范圍內(nèi)分層交替回填開(kāi)山料和砂土；開(kāi)山料水下部分分層厚度2.0 m～2.5 m，采用沉箱基床類似的方式進(jìn)行錘夯密實(shí)處理；開(kāi)山料水上部分則分層回填并進(jìn)行振動(dòng)或者沖擊碾壓密實(shí)；回填砂則進(jìn)行振沖或分層碾壓處理。

該方案一定程度上減少了碼頭后方回填砂量的使用，同時(shí)可以基本確保強(qiáng)夯對(duì)沉箱不產(chǎn)生影響；但缺點(diǎn)是施工較為繁瑣。

2.3 后方回填優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2 的主體思路為改變沉箱后方的回填順序，從而達(dá)到減少用砂量的目標(biāo)。該方案沉箱后回填料的破裂角以內(nèi)回填中粗砂，并采用振沖的地基處理方式；其他區(qū)域回填開(kāi)山料，并采用強(qiáng)夯的地基處理方式，詳細(xì)的斷面圖如圖3。

圖3 后方回填優(yōu)化方案2

該優(yōu)化方案的具體施工順序?yàn)椋?/p>

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③后方回填開(kāi)山料，開(kāi)山料的回填邊界線距離破裂面至少3 m 以上，且回填邊坡盡量偏陡，回填后進(jìn)行強(qiáng)夯處理。此時(shí)沉箱后方的回填砂尚未進(jìn)行，開(kāi)山料和沉箱之間可作為隔震溝使用，強(qiáng)夯施工對(duì)沉箱的影響較??；

④胸墻施工；

⑤回填砂，振沖和分層碾壓處理。

該方案可以節(jié)省大量的回填砂，從斷面上可以粗略看到相對(duì)原案至少可以減少一半左右的用砂量，并且可以大幅減小后方回填料的強(qiáng)夯施工對(duì)沉箱的影響；同時(shí)，這種工序的改變幾乎不會(huì)引起工期和費(fèi)用的增加。

2.4 后方回填優(yōu)化方3

1）優(yōu)化方案

方案3 采用快速低能夯實(shí)這種新的地基處理工藝[4]，大量的優(yōu)化碼頭后方的回填砂用料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)該方案進(jìn)行了驗(yàn)證，詳細(xì)方案見(jiàn)圖4。

圖4 后方回填優(yōu)化方案3

該優(yōu)化方案的具體施工順序?yàn)椋?/p>

①沉箱安裝；

②拋石棱體施工；

③后方回填開(kāi)山料，回填坡頂線距離沉箱后緣線約13m，回填后進(jìn)行強(qiáng)夯；

④胸墻施工；

⑤沉箱、胸墻和已強(qiáng)夯區(qū)之間的水域部分回填開(kāi)山料至標(biāo)高+2.5 m，采用快速低能夯實(shí)密實(shí)的工藝對(duì)填料今天夯實(shí)；

⑥+2.5 m 以上分層回填開(kāi)山料至交工標(biāo)高 +3.3 m。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用含泥量（粒徑小于0.075 mm）低于20 %的開(kāi)山料回填出一塊19 m×19 m 的試驗(yàn)場(chǎng)地，采用夯能為36 kJ 的快速低能夯實(shí)機(jī)進(jìn)行快速低能夯實(shí)試驗(yàn)，夯點(diǎn)的作業(yè)布置圖見(jiàn)圖5。

圖5 夯點(diǎn)作業(yè)布置圖

根據(jù)本項(xiàng)目的規(guī)范要求[5]，碼頭后方地基處理的承載力要求達(dá)到200 kPa 的強(qiáng)度要求。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用兩倍的設(shè)計(jì)荷載對(duì)快速低能夯實(shí)后的回填區(qū)進(jìn)行地基承載力檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)采用 400 kPa 的荷載，并分8 級(jí)施加荷載，隨機(jī)抽取的四個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的P-S 曲線見(jiàn)圖6、圖7、圖8 和圖9。

圖6 試驗(yàn)一區(qū)P-S 曲線

圖7 試驗(yàn)二區(qū)P-S 曲線

圖8 試驗(yàn)三區(qū)P-S 曲線

圖9 試驗(yàn)四區(qū)P-S 曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果可知，快速低能夯實(shí)的地基處理方案對(duì)于含泥量（粒徑小于0.075 mm）低于20 %的開(kāi)山料的地基處理效果可以達(dá)到規(guī)范的要求，方案可行。

2.5 三種回填優(yōu)化方案的對(duì)比

根據(jù)四種方案的對(duì)比可知，方案沉箱后方一定范圍內(nèi)的回填砂和回填開(kāi)山料的用量見(jiàn)表1。

表1 各方案工程量對(duì)比表

根據(jù)對(duì)比可知，結(jié)合快速低能夯實(shí)工藝可以有效地減少碼頭后方回填砂量的用料，提供一套在地材受限的情況下有效的重力式碼頭后方地基處理方案，有效節(jié)省了項(xiàng)目的成本。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)詳細(xì)的方案對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）沉箱后方可以采用含泥量（粒徑小于 0.075 mm）小于20 %的開(kāi)山料進(jìn)行后方回填處理。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，快速低能夯實(shí)工藝對(duì)于含泥量（粒徑小于0.075 mm）小于20 %的開(kāi)山料的地基處理效果可以達(dá)到碼頭后方地基承載力200 kPa 的處理效果。

3）本文通過(guò)方案優(yōu)化，提出一種可以有效減少碼頭后方回填砂用量的設(shè)計(jì)和施工方案，為類似工程提供了寶貴的設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工優(yōu)化的參考。