土層間鈣質結核物破碎工藝設計與施工

杜厚新　夏俊橋(中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042)

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土層間鈣質結核物破碎工藝設計與施工

杜厚新夏俊橋
(中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇連云港222042)

摘要：桶式基礎結構是一種采用負壓下沉的安裝工藝，在下沉過程中會遇到地質中的硬土夾層或不規則零星分布的鈣質結核物，需要對此進行處理。本文主要介紹一種新型單桶多倉基礎結構負壓下沉障礙物或夾層的破碎工藝，包括破碎方案的設計，施工的控制，為類似工程的設計施工提供了很好的借鑒。

關鍵詞：桶式基礎；鈣核；破碎；設計；施工

1　工程概況

連云港港徐圩港區防波堤直立式結構東西兩堤總長8200m，防波堤主體結構由390組桶式基礎結構組成，桶式基礎結構需要穿過淤泥層并沉入粉質粘土層1.5m~2m形成堤身結構。

圖1　桶式結構縱斷面圖

物探證實下沉土層的粘土層頂板附近存在強度較高的鈣質結核物（30~40Mpa），鈣質結核物的存在對桶體下沉構成了實質性障礙，不利于桶體的糾偏。根據地質資料探明分布范圍較大的且成片鈣核區域有29處[2]，未查明的其它區域也存在局部鈣質結核物，因此需要就整個施工區域的地質異常情況提出處理措施。

圖2　鈣質結核物

2　地質分析

根據《連云港港徐圩港區防波堤工程巖土工程勘察報告（施工圖設計階段）》，勘察地層均為第四系海相沉積物和沖洪積物，場地地層自上而下可以分為：

（1）全新統海相沉積(Q4m)：由淤泥組成，流塑，壓縮性極高，工程地質性能極差。

（2）全新統沖積層（Q4al）：巖性為粘土、粉質粘土，可塑，工程地質條件一般。

（3）上更新統沖洪積層（Q3al+pl）：巖性為可～硬塑粘土、粉質粘土，夾少量砂土，中密局部密實粉砂、中砂，該層工程地質條件較好。

土層主要由淤泥、粘性土、砂性土組成。其中關系桶體下沉的土層包括：

層淤泥：灰色，流塑，滑膩，含少量貝殼殘片，局部夾粉砂薄層，層頂局部分布薄層流泥，層底夾薄層淤泥質土。場區普遍分布，厚度：5.20-17.80m，平均10.24m；物理力學指標推薦值W=65%，γ=15.8kN/m3，Es=1.60MPa，不固結不排水剪Cuu=4.42KPa，φuu=1.67°。該層為本場地特殊性土層，具高壓縮性，高觸變性，高含水量。

層粉質粘土：黃褐色～灰黃色，可塑，局部含鐵錳質氧化物，夾粉土、粉砂薄層，與淤泥底板交界處多夾厚10～20cm直徑，0.5~1cm鈣核，最大鈣核直徑3cm，切面較光滑，韌性及干強度中等。場區普遍分布，厚度：0.50-10.30m，平均4.31m；層底標高：-23.50～-12.42m，平均-18.51m；層底埋深：7.40-20.00m，平均14.88m。物理力學指標推薦值W=26.0%，γ= 19.3kN/m3，直剪C=38.0kPa，Φ=11.0°。該層壓縮性中等，工程地質性質一般。

在淤泥層和粉質粘土層之間普遍存在鈣質結核物，結核物或零散分部，或成片分布，兩堤通過物探檢測異常區或鈣核成片分布有29處。

3　方案設計

由于桶體需要平衡的穿越鈣核夾層，因此需要對影響桶體下沉的部位進行處理。土層鈣核障礙物夾層雖然通過物探知道大致位置,現在的檢測手段還不能精確探明位置，因此要在直立堤安裝桶體的區域內都要對鈣核障礙物進行探測與破碎，確體桶體能夠通過自重及負壓下沉到位。

3.1方案設計比選

（1）水下深層爆破：使用水上爆破船深層定位插藥包，通過爆炸將鈣核粉碎。

優點：處理速度快，處理效果較好。

缺點：對海洋環境破壞較大，對下沉土體產生了擾動，影響桶體使用的穩定性。

（2）桶壁埋設管道水沖：在桶體安裝下沉時，在沉入淤泥的外墻及隔墻上埋設鋼管，通過高壓氣體或高壓水將鈣核擊碎。

優點：可以根據桶體下沉情況，可以選擇性地對鈣核障礙物進行清除，

缺點：工序復雜，成片鈣核可能無法擊碎；桶體下沉過程中由于上下通水或氣，負壓難以形成；對下沉土體有一定的擾動。

（3）振動破碎工藝：通過外部振動將鈣核破碎。

優點：處理效果明顯，獨立施工對安裝不造成干擾

缺點：點位施工，施工速度慢。

通過三種方案比選，采用第三種方案，確保負壓施工與桶體安裝使用滿足設計受力要求。

3.2振動破碎方案設計

3.2.1振動破碎工藝設計

振動破碎采用振動錘錘擊帶有特制的鋼樁尖鋼管進行定點破碎。為提高施工效率，振動施工船選用三管砂樁船進行打設破碎。該船配置3套135#振動錘，錘重7.2噸，同時可打設3根沉管。

圖3　鈣核處理船

鈣核處理樁尖的設計充分考慮無掩蔽海域船舶沉樁不可避免的樁位偏差，樁尖投影外形設計成矩形，中間為鋼板格柵，沿長軸向長度1.8m，垂直長軸向長度1.1m，以確保樁心平面偏差不超過300mm垂直度偏差不超過3‰時，桶壁及隔墻沉落在震解區域。

樁尖寬度理論計算：桶壁厚300mm+偏差300mm×2+垂直度偏差3‰×24m=907.2mm；

樁尖長度理論計算：按樁心距1.7m考慮，1.7m+垂直度偏差3‰×24m=1.772m。因此，樁尖投影按1.8m×1.1m設計，可以滿足樁位偏差要求。

圖4　鈣核處理樁尖設計圖

3.2.2打設點位及標高設計

根據打樁的能力與施工效率要求，樁的點位間距為沿桶體底部的輪廓線及倉格軸線方向1.7m。當樁尖打設到淤泥層底表面標高下1m即可。

圖5　樁位布置示意圖

4　鈣核處理施工控制

4.1工藝流程

圖6　施工工藝流程圖

4.2測量控制

平面控制采用不受天氣影響、全天候作業的“海工工程遠距離GPS沉樁定位系統”進行樁位。施工前將擬處理區的設計樁心坐標、輸入接收機內，利用放釋功能進行定位，在顯示器上顯示實時樁位數據圖形同時也顯示設計沉設樁位、偏差值,實現GPS信號在控制屏幕上平穩真實的反映，用以指揮準確對準擬施工樁位。

樁位數據錄入后，屏幕顯示的樁位如下圖所示：

圖7　測量控制圖

由于本項目振動沉管施工完成后，無法對施工后的樁位進行復測校核，施工過程中的樁位控制及記錄數據將做為驗收對象。為避免偶然操作失誤或人為偏差導致漏打或打偏，本項目采用了2套GPS定位系統，2個樁位顯示屏，兩組獨立的測量記錄人員，互相校核，并以樁尖到達底標高的時點顯示的樁心坐標為依據，實時繪制樁尖實際覆蓋區域圖。在一個桶式基礎結構區處理完成后，將繪制的覆蓋區域圖與設計桶式基礎結構桶壁隔墻投影圖進行重疊校核，如有未覆蓋到的區域，將進行補打處理。

施工前，測量施工員要精確計算出每個桶式基礎結構的中心設計坐標及每個桶式基礎結構的樁位坐標。并予以校核。

4.3振動沉管樁施工

施工船舶配置4個以上的5噸錨。進入施工現場，先用船上的GPS大致定位拋錨，再用2套GPS定位系統進行精準定位。根據潮流情況船舶駐位應盡可能避免橫流。最終要求是駁船在施工時要平穩。施工船先拋成八字開錨。根據海況及施工情況，再確定是否補加錨纜，穩住船舶。

樁架的垂直度主要依靠船艙壓載水來調節，通過樁架上的重錘角度儀確認，GPS指揮移船至計算樁位與實際樁位重合后開始下樁、壓樁入土，再次核對計算樁位與實際樁位，誤差在允許范圍后開啟振動錘沉樁。現場指揮用對講機確認堤根水尺顯示的實時水位并換算樁尖深度，指揮沉管振動下沉，記錄員觀測記錄樁管刻度、對應的電流值及各類異常情況。樁尖到位后記錄此時的實際樁位。振動拔管，完成一個樁位的鈣核處理。移船重復上述步驟處理下一個樁位。

5　施工主要事項

由于夾層及障礙物的特殊性及改造船舶費用較大，在工藝設計完成后首先實施了工藝驗證試驗，驗證成功后用該工藝進行船機改造及工程施工。

船舶定位是工程關鍵，選用氣象條件較好的天氣施工。

由于地質特殊性該工藝能較好的滿足大部分鈣核的處理，當遇到特殊障礙物難以清除時需要換裝尖頭或平面樁尖進行特殊處理。

根據地質資料在鈣核沒有成片分部的區域可以進行初步試探，試探與地質吻合后在資料上無鈣核區域可不進行連續處理，加快施工速度。

在遇到成片鈣核或障礙物時進行加密處理。

6　結束語

（1）采用專用船舶處理鈣質結核物提前實施，船舶駐位遠離了安裝和接高區域，具有獨立性與其他工序無干擾。

（2）在物探反射區曾遇到成片分布的鈣質結核物，本工藝實施了連續處理，處理后桶式結構下沉順利下沉到位。

（3）在物探非反射區后期實際施工中采用了間隔初步試打查勘，查勘沒有成片分布時則實施下一個桶式結構位置的查勘，發現連續分布再行密集處理，該調整大大提高了施工效率。

（4）為該工藝設計的多種樁頭滿足了不同地質條件下施工的需要，同樣提高了施工效率和效果。

目前在碼頭、橋梁、防波堤、船塢等工程中采用了多筒組合或單桶多倉的插入式桶式基礎結構，該類結構是采用混凝土、鋼筋混凝土、鋼結構等材料制作的，該類結構無底有蓋，通過倉內沖氣進行浮游運輸，利用自重、水壓力和排氣、排水形成的負壓沉入土中。在下沉過程中當遇到土體中堅硬夾層時依靠上述力量無法穿過，當局部遇到土中的堅硬障礙物體時會產生傾斜并阻礙插入式結構進一步下沉。本工藝采用船舶、樁架、樁管和振動錘系統，配置樁管，安裝測量系統進行精確定位和導向。通過振動錘帶動樁管向下振沉，破碎樁尖在錘擊力的作用下將土層中的堅硬夾層、堅硬障礙物等破碎或擠出，成功的解決了自沉或負壓下沉插入式結構遇到堅硬障礙物無法進入的問題，破除自沉或負壓下沉插入式結構遇到的障礙，拓寬了該類結構應用的地質條件。

參考文獻：

[1]中交第三航務工程勘察設計院有限公司，連云港港東西直立堤設計圖及設計說明[R],2014.2,GJ-2011-0256

[2]上海巖土工程勘察設計研究院有限公司,連云港港徐圩港區防波堤工程水上物探工作成果報告[R],2012.7.28, 2012-W-036

[3]江蘇連云港地質工程勘查院，連云港港徐圩港區防波堤工程巖土工程勘察報告[R],2011.4,2010-K-166

[4]鄭鐵民，秦蘊珊.黃東海淺水區海底鈣質結核及其成因的研究[J],沉積學報,1986,4(02):47-57.

中圖分類號：U656.35

文獻標識碼：A

文章編號：1006—7973（2016）02-0060-03