超寬龍口分段同步合龍施工工藝創(chuàng)新與應(yīng)用研究

張志華

橫沙東灘圈圍(八期)工程5#龍口于2016年12月20日開始作合龍前準(zhǔn)備，計(jì)劃月底完成外側(cè)拋石堤1.0m高程以下拋石；2017年1月3日完成龍口中部作業(yè)墩臺(tái)構(gòu)筑，1月7日3個(gè)分龍口同步并與1#～4#龍口同期截流合龍；隨后,對(duì)龍口段堤身外棱體閉氣加固、加寬增高，1月15日龍口段堤身高程達(dá)5.5m，龍口合龍施工結(jié)束。5#龍口合龍應(yīng)用創(chuàng)新工藝，確保了工程施工總進(jìn)度、龍口合龍重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，施工過(guò)程安全順利，節(jié)約了工程成本，獲得了超預(yù)期效果?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹橫沙東灘圈圍（八期）工程5#龍口工程合龍情況，詳細(xì)闡述超寬龍口分段同步合龍新工藝的創(chuàng)新過(guò)程及其優(yōu)勢(shì)、施工方法，分析應(yīng)用成效并提出新工藝應(yīng)用相關(guān)建議，以期推介這項(xiàng)新工藝，促進(jìn)類似工程順利實(shí)施。

1.工程概況

1.1 工程位置

橫沙東灘圈圍（八期）工程位于橫沙島東側(cè)長(zhǎng)江北港，工程共分六個(gè)圍區(qū)，每個(gè)圍區(qū)設(shè)立獨(dú)立龍口，工程總平面及圍區(qū)龍口布置詳見圖1。

圖1 工程總平面及圍區(qū)龍口布置圖

1.2 自然條件

長(zhǎng)江口屬北亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，夏季多東南風(fēng)，冬季多西北風(fēng)，無(wú)霜期長(zhǎng)；冬季主要受到北方寒潮影響，夏季則經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)侵襲，冬季1、2月寒潮盛行風(fēng)向偏北,多年平均風(fēng)速6.5m/s，北風(fēng)最大9.2m/s。

1.3 潮汐情況

長(zhǎng)江口是中等強(qiáng)度潮汐河口，口外為正規(guī)半日潮，口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮，一日兩漲兩落，平均潮周期12小時(shí)25分，潮汐日不等現(xiàn)象明顯。該水域水流具有明顯往復(fù)流特性，每日二次漲潮流和二次落潮流。

1.3.1 龍口保護(hù)期潮型

根據(jù)施工進(jìn)度安排及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，龍口保護(hù)期計(jì)算潮型采用共青圩站非汛期10年一遇設(shè)計(jì)潮型詳見圖2。最高潮位4.92m，最低潮位0.66m，最大潮差4.20m，單小時(shí)最大漲幅達(dá)1.41m。

圖2 共青圩站非汛期10年一遇潮型

1.3.2 龍口合龍期潮型

大潮期最高潮位4.10m，最低潮位0.13m，潮差3.97m，小潮期最高潮位3.41m，最低潮位0.60m，潮差2.81m。

1.4 龍口設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，龍口保護(hù)期最大流速不應(yīng)超過(guò)3.0m/s；依據(jù)龍口設(shè)計(jì)潮型擬定5#龍口規(guī)模，并經(jīng)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)算得到最大流速。龍口設(shè)計(jì)指標(biāo)詳見表1。

表1 龍口設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.龍口合龍中出現(xiàn)問(wèn)題

橫沙東灘圈圍（八期）工程總進(jìn)度計(jì)劃，1#～5#龍口合龍啟動(dòng)于2016年12月18日。由于客觀原因（5#龍口前灘勢(shì)較高，船舶作業(yè)時(shí)間受限），至2016年12月25日，5#龍口施工進(jìn)度滯后計(jì)劃約5天。若5#龍口不能與其他龍口同期合龍，5#圍區(qū)水位將遠(yuǎn)高于其他圍區(qū)，較大水位差將會(huì)導(dǎo)致4#、3#、2#、1#隔堤相繼破壞,1#～5#圍區(qū)水面連通龍口合龍失敗，經(jīng)濟(jì)損失將達(dá)數(shù)億元。

解困途徑有二，一是加快5#龍口施工速度，二是放慢1#～4#龍口施工速度。

途徑一，若應(yīng)用傳統(tǒng)的龍口合龍施工工藝，即使增加人力物力，因受作業(yè)面（2個(gè)）限制施工進(jìn)度仍然無(wú)法加快。

途徑二，將推遲工程龍口合龍時(shí)間節(jié)點(diǎn)，龍口護(hù)底超期使用，大潮臨近護(hù)底安全難以保證。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn)，若護(hù)底失效，龍口段堤基在漲落潮流作用下短時(shí)間內(nèi)將被沖深近20m。

3.工藝創(chuàng)新及主要優(yōu)勢(shì)

3.1 工藝創(chuàng)新情況

3.1.1 工藝創(chuàng)新過(guò)程

當(dāng)龍口口門達(dá)到一定寬度（300m以上），采用土堤斷面難以進(jìn)占而需采用拋石堤進(jìn)占的口門稱為超寬龍口。5#龍口口門寬度400m屬超寬龍口，采用傳統(tǒng)的施工工藝存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。

面對(duì)困境，項(xiàng)目主持單位召集業(yè)內(nèi)專家集思廣益，草擬多種合龍施工工藝，并就工藝的實(shí)施條件、技術(shù)可行性、安全可靠性、進(jìn)度保證率、經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行比較、驗(yàn)算（詳見下兩節(jié)），最終選定“超寬龍口分段同步合龍”新工藝。即外側(cè)拋石堤達(dá)1.0m后迅速在龍口中部充構(gòu)筑兩座“作業(yè)墩臺(tái)”，墩臺(tái)將龍口分段成1#、2#、3#3個(gè)分龍口，然后3個(gè)分龍口同時(shí)平堵抬升，最后同步斷水合龍。龍口外側(cè)拋石堤施工圖詳見圖3，龍口“作業(yè)平臺(tái)”施工圖詳見圖4。

圖3 龍口外側(cè)拋石堤

圖4 龍口作業(yè)墩臺(tái)

3.1.2 龍口最大流速計(jì)算

墩臺(tái)構(gòu)成龍口過(guò)水?dāng)嗝鏈p小流速增大，應(yīng)對(duì)合龍過(guò)程中最大流速進(jìn)行驗(yàn)算。經(jīng)數(shù)模計(jì)算與實(shí)測(cè)驗(yàn)證，合龍過(guò)程中(中、大潮型）最大流速詳見表2、表3。

表2 合龍過(guò)程中中潮型龍口最大流速 單位：m/s

表3 合龍過(guò)程中大潮型龍口最大流速 單位：m/s

龍口合龍時(shí)間選擇在中潮期或小潮期。由表2可知，增加作業(yè)墩臺(tái)后龍口最大流速為2.91m/s，小于設(shè)計(jì)最大流速3.0m/s，龍口護(hù)底安全。

3.1.3 龍口塊石當(dāng)量直徑驗(yàn)算

構(gòu)筑墩臺(tái)導(dǎo)致龍口流速增大，流速增大直接影響龍口所用塊石單體重量，因此，需對(duì)龍口塊石當(dāng)量直徑進(jìn)行驗(yàn)算：

（當(dāng)ɑ≦φ時(shí)）

式中：

Vc—龍口臨界流速，取表3中最大流速3.30m/s；

Ke—穩(wěn)定系數(shù),墊層塊石直徑小于拋投其上塊石直徑時(shí)取0.7～1.0,墊層塊石直徑大于或等于拋投塊石直徑時(shí)取1.0～1.2,鋼筋籠等條形體取1.0；

g—重力加速度,g=9.81m/s；

γω—海水重度,kN/m3,取10.3kN/m3;

γb—拋投體容重,kN/m3,對(duì)花崗巖塊石,取26.0kN/m3;

D—塊石當(dāng)量直徑,m；

α—拋投體墊層傾角,約30°；

φ—堆石體休止角,約35°。

根據(jù)計(jì)算，墩臺(tái)施工前后塊石當(dāng)量直徑分別是310mm、401mm。合龍期間，由于塊石供應(yīng)緊張質(zhì)量難以保證，因此，項(xiàng)目部采用網(wǎng)兜石籠替代單體塊石，網(wǎng)兜石籠單體重量1～5t，滿足合龍期拋石堤穩(wěn)定要求。

3.2 工藝主要優(yōu)勢(shì)

3.2.1 加快施工進(jìn)度

超寬龍口合龍的傳統(tǒng)施工工藝包括平堵、立堵或平立堵3種。無(wú)論何種工藝，施工作業(yè)面只有兩個(gè)。因此，合龍過(guò)程中雖然人多設(shè)備多但是效率低下。新工藝的運(yùn)用，龍口中部增加兩個(gè)“作業(yè)墩臺(tái)”，施工作業(yè)面由2個(gè)增至6個(gè)，施工效率增加了2倍，施工進(jìn)度明顯加快。

3.2.2 保證施工安全

龍口合龍需要完成管袋鋪設(shè)及泥漿充填兩大操作，傳統(tǒng)施工工藝的施工順序由龍口兩端向中間推進(jìn)。由于超寬龍口口門寬度大，一端施工人員操作于岸上安全能夠保證；而另一端施工人員只能操作于輔助船上。由于龍口水流湍急，船舶晃動(dòng)大易傾覆人員易落水，安全存在隱患。而新工藝龍口中部構(gòu)筑了墩臺(tái)，分龍口口門寬度較小，施工人員均可操作管袋之上，安全有保障。另外，應(yīng)用新工藝后施工速度成倍加快龍口合龍時(shí)間減少，龍口護(hù)底使用期縮短安全風(fēng)險(xiǎn)減小。

3.2.3 節(jié)約工程成本

龍口合龍存在諸多無(wú)法預(yù)料風(fēng)險(xiǎn)，所以龍口合龍時(shí)間多選擇中小潮期。但是，中小潮期間時(shí)間短，為了減少風(fēng)險(xiǎn)，施工單位通常組織大量人員、設(shè)備（富裕量為理論量0.5～1倍），利用短暫潮期來(lái)完成合龍任務(wù)，縮短合龍時(shí)間就是節(jié)約工程成本，而新工藝的應(yīng)用最大優(yōu)勢(shì)就是加快合龍速度縮短合龍時(shí)間。

4.新工藝施工方法

4.1 合龍邊界條件

一是龍口段以外圍堤標(biāo)高外棱體達(dá)5.5m、內(nèi)棱體達(dá)3.8m、堤芯達(dá)到3.0m；二是龍口外側(cè)標(biāo)高拋石堤達(dá)5.5m、隔堤5.5m；三是圍區(qū)臨時(shí)排水口安裝完成，滿足排水要求；四是儲(chǔ)存砂、石量滿足合龍用量2倍以上；五是施工人員進(jìn)場(chǎng)數(shù)量為理論量1.5倍，安全技術(shù)交底完成；六是施工設(shè)備到位數(shù)量為理論量1.5倍，試運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4.2 施工流程圖

超寬龍口分段同步合龍施工工藝流程圖詳見圖5。

圖5 5#圍區(qū)龍口合龍施工工藝流程圖

4.3 施工方法

4.3.1 拋石堤高程1.0m下拋石施工

2016年12月25日，5#龍口拋石堤拋石加快，由兩端向中間連續(xù)拋投，相鄰段高差不大于50cm，12月31日全線高程達(dá)1.0m。

4.3.2 作業(yè)墩臺(tái)構(gòu)筑

拋石堤高程達(dá)1.0m,乘低潮期間構(gòu)筑作業(yè)墩臺(tái)，人工為主輔以船舶鋪設(shè)管袋，大功率泥漿泵遠(yuǎn)程輸送砂料充填管袋，管袋厚度50～100cm，充填率70%，每一個(gè)管袋袖口充填結(jié)束均須扎緊以免跑砂，2017年1月3日墩臺(tái)構(gòu)筑完成。

4.3.3 拋石堤高程1.0m～3.5m～5.5m拋石

墩臺(tái)充填同時(shí)，拋石堤繼續(xù)培厚增高，高程3.5m上部全線拋投網(wǎng)兜石籠以增強(qiáng)拋石堤穩(wěn)定與防浪效果，2017年1月5日拋石堤完成，具備較強(qiáng)防浪功能。

4.3.4 分龍口同步合龍

施工人員利用墩臺(tái)鋪設(shè)與固定管袋，管袋吹填過(guò)程可“就地休息”，2017年1月7日3個(gè)分龍口與1#～4#龍口同步合龍，按期完成“龍口合龍節(jié)點(diǎn)”計(jì)劃。

4.3.5 外棱體閉氣加固

外棱體合龍為水下施工，管袋錯(cuò)亂無(wú)序孔隙較多。因此，龍口合龍后應(yīng)立即閉氣加固，連續(xù)不間斷施工直到完全斷流，2017年1月9日閉氣加固施工結(jié)束。

4.3.6 內(nèi)棱體及堤芯砂吹填

為了保證土堤穩(wěn)定，外棱體閉氣加固同時(shí)構(gòu)筑內(nèi)棱體并填充堤芯砂，2017年1月11日，內(nèi)棱體及堤芯砂分別吹填至3.8m、3.0m高程，堤身穩(wěn)定得以保障。

4.3.7 堤身加高加固至5.5m高程

為了防止寒潮風(fēng)浪來(lái)襲，龍口合龍后繼續(xù)連續(xù)作業(yè)，增高培厚堤身，2017年1月15日，堤身全線達(dá)5.5m安全高程，至此，堤身已具備防御寒潮風(fēng)浪襲擊功能，龍口合龍施工結(jié)束。

4.3.8 拋石堤穩(wěn)定及龍口流速監(jiān)測(cè)

隨著拋石堤抬升外側(cè)沿堤流流速增大，堤前灘地出現(xiàn)沖溝，沖溝加寬增深對(duì)拋石堤穩(wěn)定構(gòu)成威脅；龍口流速隨龍口抬升而增大，甚至超過(guò)龍口安全流速；因此，拋石堤堤前灘勢(shì)變化、拋石堤（后期包括土堤）穩(wěn)定、龍口流速監(jiān)測(cè)是龍口合龍階段安全監(jiān)測(cè)中重要工作內(nèi)容。

在龍口合龍全過(guò)程中，專業(yè)測(cè)量人員連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示，堤身外側(cè)50m內(nèi)的沖溝最深達(dá)60cm，拋石堤穩(wěn)定；墩臺(tái)施工前后龍口最大流速由2.75m/s增至3.10m/s，超過(guò)最大安全流速時(shí)長(zhǎng)2h，對(duì)護(hù)底安全影響較小，龍口護(hù)底安全。

由于堤身土方完成后需等其沉降穩(wěn)定方可護(hù)面結(jié)構(gòu)施工，期間應(yīng)加強(qiáng)龍口段堤身安全穩(wěn)定監(jiān)測(cè)及管袋完好性檢查，發(fā)現(xiàn)堤身位移（水平與沉降）較大、管袋破損等現(xiàn)象應(yīng)查明原因消除隱患。

5.新工藝應(yīng)用效果

新工藝應(yīng)用不但改變了5#龍口前期施工進(jìn)度滯后的不利局面，實(shí)現(xiàn)了1#～5#龍口同步合龍節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，而且為工程項(xiàng)目節(jié)約了成本。同時(shí)，激發(fā)了一線人員創(chuàng)新思維，為后續(xù)超深龍口施工工藝的創(chuàng)新奠定了良好實(shí)踐基礎(chǔ)，應(yīng)用效果超過(guò)了預(yù)期。橫沙東灘圈圍（八期）工程5#龍口合龍實(shí)踐證明，“超寬龍口分段同步合龍”創(chuàng)新工藝在滿足一定條件的前提下對(duì)龍口合龍進(jìn)度提速十分有利，技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

6.新工藝應(yīng)用相關(guān)建議

6.1 應(yīng)用條件

口門寬度小于300m的龍口不宜應(yīng)用新工藝。若采用，因增加作業(yè)平臺(tái)施工反而延長(zhǎng)龍口合龍時(shí)間，對(duì)施工安全不利。

底高程較高或較低的龍口不宜應(yīng)用新工藝。前者，低潮期水深小，人工鋪袋方便，施工速度更快人員更安全。后者，墩臺(tái)構(gòu)筑難度大且占居龍口空間較多，龍口流速超過(guò)安全流速的概率增大時(shí)間增長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，新工藝應(yīng)用最適宜水深是1.5～4.0m。

外側(cè)無(wú)拋石堤防護(hù)的龍口不宜應(yīng)用新工藝。超寬龍口口門寬合龍施工時(shí)間長(zhǎng)，一般會(huì)經(jīng)歷大、中潮甚至寒流風(fēng)浪襲擊，若外側(cè)無(wú)防護(hù)，墩臺(tái)難以保全。

無(wú)足夠數(shù)量和具備遠(yuǎn)距離輸砂能力設(shè)備的龍口不宜應(yīng)用新工藝。由于超寬龍口中部墩臺(tái)位置與儲(chǔ)砂區(qū)距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)遠(yuǎn)距離輸砂設(shè)備，墩臺(tái)無(wú)法構(gòu)筑。若具備遠(yuǎn)距離輸砂能力設(shè)備數(shù)量較少，龍口合龍時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)合龍安全不利。

6.2 風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

龍口外側(cè)灘勢(shì)較高，施工船舶易擱淺而損壞，作業(yè)時(shí)間受限。

應(yīng)對(duì)措施：施工前通過(guò)水下地形測(cè)量選擇適宜航道避免船舶擱淺；項(xiàng)目部應(yīng)根據(jù)潮位變化安排合適船舶進(jìn)場(chǎng)作業(yè)切勿冒險(xiǎn)；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)配備足夠數(shù)量的大功率拖船以便應(yīng)急。

塊石（或網(wǎng)兜石籠）供應(yīng)強(qiáng)度不足，拋石堤不能連續(xù)施工出現(xiàn)高程低段區(qū)，低段區(qū)水流流速增大、過(guò)流時(shí)間延長(zhǎng)易造成護(hù)底排體損壞。

應(yīng)對(duì)措施：多渠道采購(gòu)塊石（或網(wǎng)兜石籠）最大限度保證供應(yīng)強(qiáng)度。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備足夠的應(yīng)急塊石（或網(wǎng)兜石籠）以便應(yīng)急，應(yīng)急備料非緊急情況嚴(yán)禁使用。另外，項(xiàng)目部應(yīng)高度關(guān)注海洋預(yù)報(bào)，選擇有利時(shí)機(jī)集中施工。

偶遇寒流風(fēng)浪增大，外側(cè)拋石堤不足于抵御風(fēng)浪襲擊存在垮塌風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對(duì)措施：現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備足夠數(shù)量網(wǎng)兜石籠（單體質(zhì)量不小于2000kg）、配備足夠數(shù)量船吊，出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)征兆及時(shí)拋投網(wǎng)兜石籠加固拋石堤。

拋石堤增高內(nèi)外水頭差增大，龍口流速長(zhǎng)期超過(guò)安全流速。

應(yīng)對(duì)措施：現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備足夠數(shù)量袋裝石子，風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)時(shí)拋投于拋石堤內(nèi)側(cè)填充塊石縫隙以減小龍口流速。