江陰港區6#、7#泊位基床設計要點

■王 赟

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

1 工程概況

本工程位于江陰港區規劃的6#、7#泊位，地處福建省興化灣中部北岸的福清江陰島壁頭角海域。本工程的建設規模：建設2個5萬噸級集裝箱碼頭泊位（碼頭水工結構按靠泊20萬噸級集裝箱船舶設計）以及相應配套設施，設計年通過能力為80萬標準箱。碼頭采用大型重力式沉箱結構，單個沉箱重2716噸。

本工程于2007年動工基槽已基本開挖完成，K0+000～K0+260段基床已拋填，由于各種原因本工程于2011年停工。2015年建設單位重新啟動該項目，建設單位委托我單位在已建成部分工程基礎上重新進行施工圖設計。

2 基床設計要點

本工程基床設計要點在于：（1）已開挖基槽及已拋填的基床回淤嚴重，如何確定回淤物的工程量。為確保回淤物工程量計算準確，對已開挖基槽及已拋填的基床進行補充勘察和測量。（2）對基槽及已拋填拋石基床表面的回淤物進行清除且不應破壞已拋填的拋石基床，回淤物清除需徹底以防出現夾層影響基床穩定。（3）合理確定錘夯與爆夯的分界，滿足5#泊位安全的前提下盡可能采用質量好、造價低、工期短的爆夯法。

2.1 現有清淤方法

根據補充勘察及測量資料顯示，基槽回淤最大達7.6m、拋石基床回淤最大達6m。基槽及拋石基床的清淤一般采用泥漿泵進行清淤，但泥漿泵清淤效率較低（廈門港海滄港區21#泊位工程用2臺抽泥泵清淤，7天清理出10m斷面范圍）難以滿足本工程的工期要求；清淤也可采用專業的清淤船舶進行如絞吸式挖泥船和耙吸式挖泥船，但專業船舶費用較高且已拋填拋石基床表面淤泥清理時拋石會對絞刀或耙頭產生破壞；抓斗挖泥船可清除較厚的回淤物，由于抓斗結構限制清淤會有殘留，為確保拋石基床的抗滑穩定需將拋石基床的回淤物清除干凈，殘留回淤物需用其他方法清除。

通過分析工程現狀，比較各種清淤方案后，本工程基床清淤擬采用抓斗挖泥船清除大部分回淤物后采用氣舉反循環工藝對基床拋石頂面殘留的淤泥進行清除。具體施工順序如下：（1）采用6m3抓斗挖泥船先對前沿拋石基床邊坡進行開挖。（2）再對拋石基床拋石后側邊坡進行開挖。（3）對基床頂面的淤泥進行初步清理。（4）使用氣舉反循環工藝對基床拋石表面殘留的淤泥進行清除。

圖1 基床斷面施工示意圖

2.2 氣舉反循環原理

氣舉反循環是我國20世紀90年代引進推廣的新技術，主要應用于成孔鉆進和樁基清孔。氣舉反循環原理：高壓氣體噴出風管后攪動淤泥與海水混合形成泥漿，高壓氣體與泥漿混合，分散在導管內形成許多氣泡，這些氣泡受到泥漿向上的浮力并帶動泥漿向上運動，并且在上升過程中壓力降低，體積增大。因此在氣液混合段下方形成負壓，由該段下部的泥漿不斷補充，回淤的淤泥在泥漿運動的帶動下進入導管，隨泥漿排出孔外，形成一個連續穩定的運動過程。

圖2 氣舉反循環清淤示意圖

2.2.1 施工機械設備參數驗算

如氣舉反循環原理清淤示意圖所示，則作用于風管底部液面上內外液體柱壓力差可按下式計算：

ΔP=ρw×h1-ρn(h1+h2)=(ρw-ρn)h1-ρn×h2

式中,ΔP——內外液體柱壓力差（kPa）；

ρw——導管外海水與淤泥混合密度（kg/m3），取1.1×103kg/m3；

ρn——導管內氣液混合物密度，取0.9×103kg/m3；

h1——導管底部到海面的深度（m），平均低潮位為1.46m取h1=19m；

h2——海面到導管內泥漿頂面高度差（m），取2m。

經計算可得ΔP=2kPa＞0，可產生氣舉反循環。

正是這個壓力差，驅動導管內風管底口以上的水、空氣、泥沙混合物沿導管上升，并克服循環過程中的各種阻力，形成反循環。考慮到供氣管道的壓力損失，故空氣壓力可按下式計算：

P=ρn×h1/102+Ps

式中，P——反循環所需空氣壓力（MPa）；

ρn——導管內氣液混合物密度，取0.9×103kg/m3；

h1——導管底部到海面的深度（m），取19m；

Ps——供氣管道壓力損失，一般取0.05～0.1MPa，取Ps=0.1MPa。

經計算可得P=0.27MPa，本次施工所使用的螺桿空氣壓縮機其額定排氣壓力：2.41MPa＞0.27MPa，可滿足本工程氣舉反循環工藝清淤施工的要求。

2.2.2 清淤效果

施工過程中氣舉反循環排出的水、空氣、泥沙混合物接入泥駁，通過在泥駁船上觀察導管出水口的抽出的水質情況，來判定是否將該點淤泥清除干凈。經過試驗段K0+000～K0+035施工總結，每點抽吸時間約為3min，水質顏色由原來的渾濁變為與海水顏色一致，該區域的拋石基床表層殘留的淤泥清除干凈，每個斷面清淤完成后，利用水砣和潛水員配合來檢驗清淤的質量，通過水砣可明顯感覺到敲擊到塊石，試驗段清淤后經潛水員探摸已無泥沙殘留，清淤效果良好。

2.2.3 清淤注意事項

根據試驗段的清淤效果和現場實際情況，清淤施工過程中應注意以下幾點：

（1）注意移管和移船的距離，移管的間距需控制在1m以內，移船時必須保證2m的搭接寬度，保證不存在漏清區域。

（2）每點作業時，當出水口水質清澈后，應繼續保持作業1min，確保每點的淤泥都能徹底清除干凈。

（3）拋石基床清淤完成后應及時將基床拋填至設計標高，防止拋石基床再度回淤。

2.3 爆夯與錘夯分界

本工程相鄰的5#泊位在生產運營，基床夯實施工會對5#泊位產生一定影響，設計時考慮采用錘夯和爆夯相結合的方法進行基床密實。爆夯工藝與錘夯工藝比較，爆夯工藝具有基床密實度好、施工質量有保證、造價低、工期短等優點，在滿足安全的前提下盡可能使用爆夯工藝。

根據《水運工程爆破技術規范》（JTS204-2008），水下爆破夯實單包藥量可按下式計算：

Q=q0abHη/n

式中，q0——爆破夯實單耗，指爆破壓縮單位體積拋石體所需的藥量（kg/m3），取 4.0～5.5kg/m3，取 5kg/m3；

a——藥包間距（m），取3m；

b——藥包排距（m），取3m；

H——爆破夯實前石層的平均厚度（m），取5.5m；

ΔH——爆破夯實后石層頂面的平均沉降量（m）；

η——夯實率（%），η=ΔH/H×100%，設計夯沉率取15%；

n——為爆夯遍數，取3遍。

經計算Q=12.4kg。

爆破振動安全允許距離可按下式計算：

R=（K/V）1/aQ1/3

式中，K——與爆破點值計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數，堅硬巖石K取值為50～150，取120；

V——保護對象所在地質點振動安全允許速度（cm/s），重力式碼頭允許安全振速為 5～8cm/s，取 6.5cm/s；

Q——炸藥量（kg），齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，考慮采用延時爆破，取120kg；

a——衰減指數，1.3～1.5，取1.4。

經計算R=39.6m，設計中6#泊位與5#泊位延伸段相接的50米段拋石基床采用錘夯法夯實，其余段拋石基床采用爆夯法夯實可滿足爆破振動安全允許距離。

設計時以6#泊位基床為研究對象進行造價測算，碼頭基床錘夯單價為29.95元/m2。爆夯與5#泊位延伸段安全距離不同時所采用的爆夯施工方法不一樣，當距離近時采用小藥量多遍爆夯法，當距離遠時采用大藥量單遍爆夯法，各種安全距離下爆夯單價如表1所示：

表1 爆夯單價

根據測算單價，對不同的安全距離6#泊位基床密實的造價進行估算，結果如表2所示：

表2 估算結果

估算結果表明，6#泊位基床爆夯與5#泊位延伸段的安全距離在60m時基床密實造價最低。

根據調研，采用爆夯和錘夯法處理相同工程量的基床時，錘夯法所需的工期約為爆夯法所需工期的2.2倍，但在安全距離小時爆夯法所需工期較錘夯法長。安全距離為50m時基床密實造價相對較低、工期滿足要求、施工對5#泊位運營影響小、施工較易。綜合工期、造價、工程質量、施工難度等因素，本工程設計時爆夯與錘夯分界取距5#泊位延伸段50m是合理的。

3 結語

本文對已拋填基床回淤物的清除方法進行研究，采用了氣舉反循環工法進行清淤，該工法主要應用于成孔鉆進和樁基清孔，在我省水運工程中清淤應用尚屬首例，氣舉反循環工法具有清淤效果好、效率高、費用低、設備簡單等優點，在今后基槽及基床清淤中可作為新工法推廣應用。

本文對拋石基床爆夯與錘夯分界進行了研究，影響分界的因素較多，如結構安全、工期、造價、工程質量、施工難度等，針對不同工程應具體分析各影響因素，合理選擇爆夯與錘夯分界。爆夯法具有基床密實度好、施工質量有保證、造價低、工期短等優點，當各影響因素均滿足要求時，盡可能采用爆夯法密實基床。

[1]JTS165-2013，海港總體設計規范[S].北京：人民交通出版社，2014.[2]JTS167-2-2009，重力式碼頭設計與施工規范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]JTS204-2008，水運工程爆破技術規范[S].北京：人民交通出版社，2008.

[4]興化灣（全灣）數值模擬波浪數學模型研究報告[R].天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

[5]福州港江陰港區6#、7#泊位工程施工圖[R].福建：福建省交通規劃設計院，2015.