重力式碼頭沉箱后方回填優(yōu)化

◎ 涂國金 江西省路港工程有限公司

1.工程概況

某礦石碼頭位于港區(qū)第二港池北岸線以東，由1個20×104t泊位和2個25×104t泊位組成，碼頭前沿底標(biāo)高-18.5～-16.0m，碼頭主體為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共安裝A型方沉箱和B型方沉箱40個和8個，岸線總長715m。

該重力式碼頭地基處理難度大，為避免對沉箱結(jié)構(gòu)造成不利擾動，在沉箱后緣線25m范圍內(nèi)不得展開高強度地基處理。因此提出振沖法處理方案，對25m以外的地基則展開強夯，該方案下振動影響范圍滿足要求。為節(jié)省施工成本，于該重力式碼頭后方25m范圍內(nèi)回填粒徑0.075mm以下、含泥量不超出10%的砂料；而對其余區(qū)域，則回填粒徑0.075mm以下、含泥量在20%以內(nèi)的開山料。

該碼頭所在航道環(huán)保要求高，無法展開河砂大量開采，該方案下，碼頭沉箱后方回填施工所需砂料量大，砂料外購必將增大施工成本。為此，必須結(jié)合實際情況，進行施工方案優(yōu)化。

2.回填方案優(yōu)化設(shè)計

2.1 方案1：分層回填

在采取分層回填的優(yōu)化思路后，可達到砂料使用量減少的目的，同時對全部回填料展開地基處理，以避免發(fā)生不均勻沉降。就施工次序而言，應(yīng)先安裝沉箱，并施作拋石棱體；在沉箱后緣線25m以外回填開山料后夯實處理；待完成胸墻施工后，在沉箱后緣線25m以內(nèi)展開砂土和開山料分層回填，開山料分層厚度按2.0～2.5m確定，并通過夯錘錘擊密實；而開山料水上部分分層回填后進行振沖碾壓?；靥钌傲弦卜謱幽雺夯蛘駴_。

該優(yōu)化方案能大大減少重力式碼頭沉箱后方回填對砂料的使用量，并能有效避免強夯對沉箱的不利影響；但分層填筑施工過程復(fù)雜繁瑣，層次多，不利于工期控制。分層回填結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 分層回填結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 方案2：調(diào)整回填次序

通過調(diào)整碼頭沉箱后方回填次序，以減少砂料使用量。具體而言，在沉箱后方回填料破裂角內(nèi)回填粒徑0.075mm以下、含泥量10%以內(nèi)的砂料，振沖密實；其余區(qū)域則回填粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料，并強夯處理。就施工次序而言，先安裝沉箱，再施作拋石棱體，并回填沉箱后方開山料；將開山料回填邊界與破裂面的距離控制在3.0m以上；因回填邊坡較為陡峭，回填后必須及時強夯。與此同時，沉箱后方砂料回填施工過程并未展開，沉箱和開山料之間的空間可用作隔振溝[1]，有效阻隔邊坡回填對沉箱的不利影響。此后，施作胸墻，回填砂料，并分層振沖碾壓密實。

該優(yōu)化方案同樣能節(jié)省回填砂料用量，根據(jù)斷面面積粗略估計，砂料用量可比原方案減少50%左右，同時能使沉箱后方回填料強夯施工對沉箱的不利影響明顯減輕；工期較分層回填優(yōu)化方案短。優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3 方案3：快速低能夯實

沉箱安裝好后施作拋石棱體，在碼頭沉箱后方回填開山料，并將沉箱后緣線和坡頂線間的距離控制在13m左右，回填后及時強夯。此后，施作胸墻，待沉箱和胸墻間水域部分開山料回填高度升高至+2.5m時，展開快速低能強夯；同時在+2.5m以上分層回填開山料，直至+3.3m的交工標(biāo)高。該方案結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 快速低能夯實結(jié)構(gòu)示意圖

為展開該方案夯擊效果檢測，在施工現(xiàn)場使用粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料回填出一塊長和寬均為19m的試驗場地，并通過夯擊能36kJ的快速低能夯實機展開夯擊試驗[2]。按照2倍的設(shè)計荷載（即400kPa）對回填區(qū)地基展開夯擊，并分50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa、350kPa、400kPa等8級施荷，此后檢測承載力。隨機抽取4個試驗點，對應(yīng)的荷載沉降試驗結(jié)果見表1。

表1 快速低能夯實荷載沉降試驗結(jié)果

根據(jù)表中試驗結(jié)果，在采用快速低能強夯后地基處理效果良好，承載力能達到《港口工程地基規(guī)范》（JTS147-1-2010）要求，方案切實可行。

2.4 方案比選

該重力式碼頭沉箱后方原回填方案與三種優(yōu)化方案的比較見表2。由表可知，優(yōu)化方案3即快速低能夯實方案機械化水平高，地基承載力強度高，施工質(zhì)量好，且不使用砂料，使材料成本得以降低；同時大量使用開山廢料，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。

表2 重力式碼頭沉箱后方回填優(yōu)化方案比選

3.快速低能夯實施工控制

3.1 機械配置

快速低能夯實機主要通借助挖掘機或裝載機提供液壓動力，將夯擊錘提升至設(shè)計高度后瞬間釋放，夯錘在液壓蓄能及重力勢能[3]的共同作用下加速下落，并錘擊地面夯板，達到夯實地面的目的。該重力式碼頭沉箱后方回填開山料后，采用質(zhì)量3～9t的錘芯，按照1.2m的設(shè)計高度落錘，并按40次/min的頻次沖擊。夯擊能經(jīng)由錘套和錘腳后向待加固地基傳遞，夯擊能有效影響范圍可達4.0～5.0m。

該工程采用的RIC9型快速低能夯實機由K345B挖掘機提供液壓及行走動力，并配置有監(jiān)視器和監(jiān)控系統(tǒng)，能按照預(yù)先設(shè)定的施工參數(shù)自動控制施工過程，能大大減少能量損失；并能自動記錄各夯點夯擊數(shù)、夯擊過程中的能量輸出及沉降量，工作性能和工效有保證。

該重力式碼頭沉箱后方開山料回填所選用的RIC9型快速低能夯實機具備以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）高機動性。該型號夯實機安裝在液壓挖掘機上，能在作業(yè)位置間高速移動，并能一次夯實較大厚度。（2）可控性。夯實過程中，各夯點位置和各次的夯擊能可精確控制，并能通過事先設(shè)置最終夯沉量、最小夯沉量、夯擊次數(shù)等展開自動操作；夯擊能通過工作面直徑為1.2m的鋼錘腳向地基傳遞，可將能量傳遞損失降至最低。（3）安全性。該夯實機作業(yè)過程中，錘腳始終與工作面直接接觸，可有效避免碎片飛濺等潛在危險，并能確保周圍既有結(jié)構(gòu)、相鄰設(shè)備及現(xiàn)場施工人員的安全。（4）低能耗。該型號夯實機夯擊頻率可達20～60次/min，結(jié)合施工經(jīng)驗，在單點履帶式起重機夯擊10次，該夯實機夯擊55次的情況下，后者的工效約為前者的1.7倍，油耗僅為前者的80%。

3.2 夯擊施工

施工前徹底清理場地內(nèi)障礙物，并將表層松散土層碾壓初平，便于機械平穩(wěn)行走；同時應(yīng)在施工場地內(nèi)開挖排水溝，避免降雨期間發(fā)生地表積水。

在全站儀和測繩的輔助下按正方形布置夯擊點，1 段施工帶寬度控制在30m左右；根據(jù)挖機型號，處理寬度應(yīng)按6.0m確定；借助規(guī)格6.0m×6.0m的測繩測標(biāo)出首遍夯擊點位。完成首遍夯點布置后，快速低能夯實機就位，并將夯錘中心和夯點對準(zhǔn)，進行夯錘頂標(biāo)高測量。此后，啟動夯實機，將夯錘提升至設(shè)計高度后按試驗確定的夯擊次數(shù)連續(xù)展開單點夯擊施工，同時記錄夯擊錘頂標(biāo)高和實際沉降量。

考慮到該型號夯實機單點施工時必須保證作業(yè)的連續(xù)性，收錘標(biāo)準(zhǔn)有異于傳統(tǒng)夯擊。為保證擊實效果，應(yīng)在單點夯擊施工完成后增加10夯次，且當(dāng)10夯次沉降量不超出50mm、夯坑四周地面無明顯隆起時結(jié)束該夯點施工。

對于其余夯點，采用同樣操作展開夯擊施工。最后使用推土機填平夯坑，通過平地機整平后再碾壓密實。

在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，重復(fù)以上步驟完成3遍強夯，每次強夯之間的間隔根據(jù)填料中超靜孔隙水壓力消散時間確定。該重力式碼頭沉箱后方回填的開山料屬于多空隙高透水性材料，可展開連續(xù)夯擊。

3.3 質(zhì)量控制

3.3.1 施工機械控制

該重力式碼頭沉箱后方回填開山料使用RIC9型快速低能夯實機，其監(jiān)控系統(tǒng)能實時記錄各夯擊點的夯擊數(shù)、夯沉量及能量輸出值[4]。通過預(yù)設(shè)監(jiān)視器參數(shù)以自動控制夯實機，降低能量損失，提升工效。監(jiān)視器中所存儲的施工參數(shù)可直接下載并打印。此外，該夯實機可同時用作檢測工具，通過所記錄的各夯擊點夯沉量，對地基實時檢測。

RIC9型快速低能夯實機的液壓動力主要由K345B挖掘機提供，在夯擊錘高頻率提升期間，挖掘機液壓總泵會承受長期大負荷，故必須加強挖掘機型號及性能控制。

3.3.2 錘套及錘腳控制

在沖擊錘以較高頻率擊打錘套的過程中，錘套必然產(chǎn)生一定熱量，根據(jù)施工期間環(huán)境溫度，每施工2h后必須散熱2h；迫于工期要求，如果要連續(xù)施工，必須另外配置1套錘套與錘腳。

將2層橡膠墊墊設(shè)在錘套和錘腳內(nèi)，以起到緩沖和隔振作用。因夯擊施工強度高，橡膠墊破損快，故應(yīng)定期檢查橡膠墊破損程度，并配備足夠量的備件。

3.3.3 施工參數(shù)控制

因夯擊錘錘擊錘套和錘腳的頻率較高，故必須保證施工面平整度和錘腳水平度，防止因施工面不平整或錘腳傾斜而影響錘擊質(zhì)量和效果。

快速低能夯實機對單點夯擊施工時夯擊頻率高、速度快，單點連續(xù)作業(yè)的夯沉量必然與單點分次夯擊的檢測結(jié)果不符，故應(yīng)加強過程控制。

4.結(jié)論

綜上所述，該重力式碼頭沉箱后方回填粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內(nèi)的開山料切實可行；根據(jù)現(xiàn)場試驗，采用快速低能夯實工藝展開開山料地基處理，能取得較好的夯實效果，回填砂料用量大大節(jié)??；地基承載力高，施工質(zhì)量好，機械化水平高。回填施工后承載力、壓實度檢測結(jié)果表明，快速低能夯實工藝夯實能量高、機動靈活、影響深度大，對于重力式碼頭、路基、堤防加固及防滲處理等均具有普遍適用性。