沉管隧道碎石基床平臺式整平船半漂浮插樁整平技術(shù)研究

潘偉，鄭秀磊，金文良，王斌磊

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；3.深中通道管理中心，廣東 中山 528400；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

沉管隧道基礎(chǔ)的整平處理對沉管施工精度和施工后沉降問題影響很大，且與沉管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性密切相關(guān)?，F(xiàn)階段隧道基礎(chǔ)整平方法主要分為先鋪法和后鋪法兩種，其中先鋪法可控性強，能夠適應(yīng)惡劣的施工環(huán)境，但對基床整平設(shè)備的先進性要求很高；后鋪法施工使沉管著床后的坡度調(diào)整更具備靈活性，但在施工自然條件較差的情況下，采用后鋪法施工的精確度、經(jīng)濟性方面存在一定的問題[1-5]。

1 工程地質(zhì)條件

深中島隧工程基礎(chǔ)采用先鋪法碎石基床，隧址位置地質(zhì)條件復雜，隧址區(qū)自西向東分為軟弱地基處理區(qū)、基巖區(qū)、天然地基區(qū)，其中軟弱地基區(qū)采用DCM樁進行加固處理。采用DCM樁加固后的地基存在強度高且豎向上強度分布不均勻的特點，DCM樁無側(cè)限抗壓強度檢測結(jié)果及分布圖見表1和圖1。

表1 DCM樁無側(cè)限抗壓強度試驗檢測結(jié)果Table 1 Test results of unconfined compressive strength of DCM pile

圖1 DCM樁60 d無側(cè)限抗壓強度分布圖Fig.1 Distribution diogroin of ancanfired compressire strength of DCM pile at 60 d

2 深中通道的“穿刺”問題

如果按照常規(guī)整平船全漂浮整平技術(shù)插樁方式進行插樁整平施工，插樁過程中會出現(xiàn)大幅、高頻的穿刺，對整平船船機設(shè)備安全及長期使用造成影響。

平臺式整平船在插樁過程中，出現(xiàn)樁腿突然下沉的情況時，通常稱之為發(fā)生“穿刺”現(xiàn)象。其原因一般是由于相對較“軟”地層位于較薄但較堅硬的地層之下。插樁過程中，隨著船體逐漸抬升，插樁力不斷增加，強度相對較高部分的DCM樁會被壓碎，由于DCM樁在豎向上存在強度不均勻的情況，樁腿可能會迅速穿過下方較“軟”部分，而發(fā)生“穿刺”現(xiàn)象[6]。

在深中通道E1和E2管節(jié)整平船插樁過程中，出現(xiàn)了高頻率、大幅度的穿刺情況，累計出現(xiàn)穿刺情況74次，最大穿刺深度為1.72 m。當樁腿荷載大于1 800 t時，最大穿刺深度為1.72 m，穿刺次數(shù)為59次；當樁腿荷載小于1 800 t時，最大穿刺深度為0.43 m，穿刺次數(shù)為15次，樁腿荷載和穿刺情況如圖2所示。結(jié)合船舶性能及施工場區(qū)潮差情況，確定半漂浮插樁樁腿最大荷載為1 800 t。為了盡可能降低“穿刺”現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高人員設(shè)備的安全性，研發(fā)了一種半漂浮插樁整平技術(shù)，這種整平技術(shù)可為其他類似工程提供借鑒和指導。

圖2 DCM區(qū)全抬升插樁整平樁腿穿刺情況統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical diagram of pile leg puncture in DCM area for full lifting and pile penetration

3 半漂浮插樁整平技術(shù)原理

半漂浮插樁整平技術(shù)即船體不完全抬離水面，通過保證一定程度船體的吃水，增加船體浮力，達到減小樁腿荷載的目的。半漂浮插樁整平主要需解決以下3個穩(wěn)定性問題：1）施工過程中，保證船體平面位置不會發(fā)生移動；2）半漂浮整平過程中，保證樁腿不再出現(xiàn)下沉問題；3）半漂浮整平過程中，保證船體不會出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。

3.1 平面穩(wěn)定控制分析

半漂浮插樁整平施工中，水中船體主要受水平方向水流力、波浪力和風阻力影響。為確保整平船施工過程中平面位置不發(fā)生變化，可通過整平船自帶錨纜系統(tǒng)抵抗船體所受水平力。根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[7]，水流力Fv可按式（1）進行計算：

式中：Fv為水流力，kN；Cw為總阻力系數(shù)，按照矩形梁取2.32；ρ為海水的密度，取1.025 t/m3；A為迎流面積（流向按照155°，整平船方向為34°）；V為流速，取1.5 m/s。計算得水流力為767 kN。

風阻力Ra可參考GD 02—2012《海上拖航指南》[8]，按式（2）進行計算：

式中：ρ為空氣密度，取1.22 kg/m3；V為風速，根據(jù)施工最大風速取值，此處取13.8 m/s；Ai為受風面積，取2 234.4 m2；Cs為受風面積Ai的形狀系數(shù)，按照類似結(jié)構(gòu)物取1.5。計算得風阻力為251kN。

波浪平均漂移力Fw可按規(guī)則波考慮，參考《港工建筑物》[9]，按式（3）進行計算：

式中：ρ為水密度，海水取1.025 t/m3；d為船體吃水深度，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；L為與波浪正交的船舶或結(jié)構(gòu)物的長度；H為規(guī)則波波高，取1.0 m。計算得漂移力為80 kN。

按照最不利工況計算（水流力、波浪力和風阻力受力方向一致），整平船最大受力為1 098 kN。通過計算得漂浮狀態(tài)施工時整平船按照圖3所示。錨纜角度受力時，可知錨纜受力最大為45 t時，能夠抵抗船舶所受風、浪、流所產(chǎn)生的合力，滿足抗流要求，整平船可保持平面位置相對不變。

圖3 整平船受力示意圖Fig.3 Force diagram of leveling ship

3.2 樁腿下沉穩(wěn)定分析

為了保證船體在插樁完成后不發(fā)生下沉，只需通過控制整平施工過程中的單根樁腿荷載F2不超過插樁完成后單根樁腿最大荷載F1，即F1＞F2，即通過插樁時的超壓載，可達到控制樁腿不再下沉的目的。其中F1和F2按式（4）、式（5）進行計算[10]：

式中：G插樁為插樁過程壓載水量，t；G整平為整平過程壓載水量，t；h插樁為插樁過程船體最小吃水高度，m；h整平為整平過程船體吃水高度，m。船體荷載約為8 000 t，排水量可通過整平船靜水力表查得，此處船體吃水每米排水量約為2 000 t。

3.3 船體上浮穩(wěn)定性分析

船體是否會出現(xiàn)上浮主要考慮的是潮位上漲（船體吃水增加）造成的浮力增加及波浪浮托力造成的影響[11]。綜合潮差和船體最小吃水量等因素分析，經(jīng)理論計算和現(xiàn)場試驗，通過增加壓載水量的方式，可以控制單根樁腿所受最小荷載為750 t。結(jié)合現(xiàn)場整平船作業(yè)條件，最大有效波高為1 m時，波浪對單側(cè)船體產(chǎn)生的上浮力為536 t，受上浮力影響的單根樁腿受力為536/2=268 t。施工過程中單根樁腿所受支反力最小值為750 t，遠大于波浪上浮力，因此可確保整平船半漂浮施工時不產(chǎn)生上浮。整平船簡圖及受波浪情況示意圖見圖4。

圖4 整平船簡圖及受波浪情況示意圖Fig.4 Sketch map of leveling ship and schematic diagram of wave conditions

綜上，通過控制施工過程中的錨纜受力、插樁時進行超壓載和壓載水調(diào)配控制船體負浮力等方式能保證半漂浮整平船平面及豎向穩(wěn)定，確保半漂浮施工正常進行。

4 壓載水調(diào)配技術(shù)

為保證船體豎向穩(wěn)定性，需要對船體壓載水進行調(diào)配，主要有潮位上漲時增加壓載水和潮位下降時減少壓載水兩種情況。壓載水調(diào)整過程中應(yīng)保證樁腿荷載小于吃水為H0時的樁腿荷載，且船體自重和壓載水重量應(yīng)大于船體排水量和波浪浮托力。整平船通過壓載水調(diào)配可滿足漲落潮期間的施工作業(yè)要求，無需等待平潮施工。其中，壓載水總量M的上、下限值應(yīng)滿足：

式中：F波為船體所受波浪浮托力；F0為船體最小吃水時樁腿荷載；N為樁腿數(shù)量；Ms為船體自重；V為對應(yīng)吃水的船體排水量，可通過靜水力表查得；ρ水為海水密度；g為重力加速度。

深中通道項目中半漂浮整平船壓載水調(diào)配依靠整平船配置的4臺壓載水泵，每臺壓載泵效率為500 t/h。外循環(huán)期間，采用2臺壓載泵進行加水作業(yè)，當壓載水量大于800 t后，切換至內(nèi)循環(huán)，改用4臺壓載泵同時加載。

深中通道隧址海域潮差最大約為3 m，最高潮位吃水約4.5 m，壓載水總量4 000 t，此時地基壓力=（8 000+4 000-4.5×2 000）/4=750 t；最低潮船體吃水為1.5 m，壓載水總量400 t，此時地基壓力=（8 000+400-1.5×2 000）/4=1 350 t。整個過程地基壓力為750～1 350 t。依據(jù)上述計算原則，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，深中通道半漂浮整平壓載水調(diào)配方案及船體吃水深度細化后的壓載水量調(diào)配方案按表2、表3執(zhí)行。

表2 整平壓載水調(diào)配方案Table 2 Leveling ballast water allocation scheme

表3 細化后壓載水量調(diào)配方案Table 3 The refined ballast water allocation scheme

5 半漂浮插樁整平技術(shù)效果驗證

針對深中通道前期全抬升插樁出現(xiàn)的“穿刺”問題，在后續(xù)DCM區(qū)管節(jié)施工過程中提出并采用了半漂浮插樁整平技術(shù)，現(xiàn)對半漂浮插樁整平技術(shù)施工流程及效果進行介紹。

5.1 施工流程

整平船進場施工前，首先在施工錨地完成整平船測控系統(tǒng)校核，校核無誤后組織整平船進場就位，錨系按照預先設(shè)置好的錨位坐標完成拋錨作業(yè)。就位完成后將船體絞移至預設(shè)船位，并確保錨纜受力。開始進行插樁作業(yè)，具體插樁步驟如下：

1）插樁前打入2 000 t壓載水，同時下放4根樁腿至泥面（根據(jù)實測泥面高程提前調(diào)整樁腿下放長度，確保同時入泥）。

2）待船體出現(xiàn)傾斜時改為對角插樁。采用慢速抬升至船體吃水2 m后穩(wěn)定10 min，此時樁腿對地基壓力為（10 000-2×2 000）/4=1 500 t。

3）穩(wěn)定10 min后繼續(xù)對角插樁，每抬升10 cm，穩(wěn)定5 min。直至樁腿支反力達到1 800 t或者吃水為1.5 m，此時樁腿對地基壓力為（10 000-1.5×2 000）/4=1 750 t。

4）支反力達到1 800 t后穩(wěn)定10 min，觀察樁腿底部高程無變化后，排掉壓載水1 400 t，穩(wěn)定10 min。觀察樁腿底部高程變化情況，此時樁腿對地基壓力為（10 000-1 400-1.5×2 000）/4=1 400 t。

5）樁腿底部高程無變化后，移動大小車沿月池四周行走一圈，確保大小車行走過程樁腿底部高程無沉降。

6）再排200 t壓載水，此時單樁腿的地基壓力為（10 000-1 600-1.5×2 000）/4=1 350 t。

7）根據(jù)潮位調(diào)整船體吃水至施工高度，船體吃水=1.5 m+當前潮位-單船位施工期間最低潮位。

此時認為插樁步驟基本完成。插樁完成后將船體高度調(diào)整至施工高度，此步驟應(yīng)根據(jù)表2和表3船體壓載水調(diào)整方案進行壓載水調(diào)配。船體高度調(diào)整完畢后開始下放拋石管，調(diào)整進料口位置，開始整平作業(yè)。插樁和整平期間，為保證船舶穩(wěn)定和安全，應(yīng)配合對樁腿傾斜和位移以及船體傾斜和運動姿態(tài)等進行監(jiān)測，并設(shè)置預警值。

5.2 施工效果

統(tǒng)計深中通道后續(xù)DCM區(qū)管節(jié)（E3—E5）插樁過程中的穿刺情況，結(jié)果如圖5所示。可知采用半漂浮插樁整平技術(shù)后，樁腿穿刺次數(shù)和最大穿刺深度均明顯減少，最大穿刺深度由1.72 m下降至0.6 m。穿刺次數(shù)由單管節(jié)平均60余次降低至單管節(jié)不足4次，效果顯著。且由于插樁時船體無需全部抬離水面，減少了插樁時間，提高了施工效率，同時半漂浮整平精度仍滿足設(shè)計要求。

圖5 E3—E5管節(jié)半漂浮插樁整平穿刺情況統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical diagram of E3-E5 semi floating pile penetration leveling and puncture

6 結(jié)語

依托深中通道島隧工程項目，針對工程實踐中出現(xiàn)的整平船樁腿“穿刺”問題，提出一種平臺式整平船半漂浮插樁整平技術(shù)。通過控制施工過程中的錨纜受力、插樁時超壓載和壓載水調(diào)配控制船體負浮力等方法，保證了平臺式整平船在半漂浮插樁整平施工階段的穩(wěn)定性，增強了整平船對惡劣施工環(huán)境的適用性。經(jīng)實踐證明半漂浮整平方法利用整平船自身浮力，能夠有效減小樁腿地基壓力，從而降低樁腿底部地基“穿刺”的風險，在保證施工精度的前提下提高了船機設(shè)備的安全性，對復雜地質(zhì)條件下平臺式整平船施工具有重要借鑒意義。