重力式煤碼頭沉箱后方回填優化設計

趙燕

（江西省港航設計院有限公司，江西 南昌330008）

重力式碼頭沉箱結構后方與結構物較為臨近的區域回填施工無法采用大強度地基處理方式，為保證回填處理效果，通?；靥顗K石或中粗砂。我國《港口工程地基規范》對排水固結、換填、輕型真空井點法、振沖、強夯等地基處理方法作出了規定，但無重力式碼頭沉箱后方回填的相關規定，造成多數此類項目在應用中粗砂回填施工過程中，因環保要求海砂開采難度增大，或因采砂工藝落后，使砂石料成本明顯增大，也因此造成煤碼頭沉箱后方砂石料回填施工成本增加。為此，必須努力探索重力式碼頭沉箱結構后方回填優化方案，以達到提升地基承載力及節省施工成本的目的。

1 工程概況

某煤碼頭工程結合總平面布置，近期擬建一個5萬噸級散貨泊位。碼頭總長度為290m，通過引堤連接碼頭后方陸域，建設輸煤廊道向廠區供煤，引堤總長1315m。遠期擬在近期基礎上浚深為10 萬噸級散貨泊位。碼頭頂面設計標高為5.70m。考慮遠期擴建，水工結構按10 萬噸級設計。碼頭前沿泥面設計高程近期為-14.0m，遠期為-16.0m。水工建筑物結構安全等級為二級，設計使用年限為50年。

結合工藝設備荷載特點及遠期發展使用要求，根據地質資料及水文、施工等方面因素，考慮到碼頭后方將來可能的陸域回填，重力式結構更為適宜。為此本階段碼頭結構采用連片式重力沉箱結構，引堤采用拋石斜坡堤結構。

2 回填方案

基于連片式重力沉箱碼頭結構形式，在原方案的基礎上提出另外三種碼頭沉箱后方回填方案，并對各種方案的設計要求進行比較分析。

2.1 碼頭沉箱后方回填原方案

考慮到沉箱結構受到地基處理的影響，在沉箱后緣線25m 以內均不能采用大強度地基處理方案。原回填方案通過振沖法處理地基，振動影響小，且要求粒徑0.075mm 以下中粗砂回填料中含泥量不得超出10%。出于施工成本控制方面的考慮，在該煤碼頭后方25m 區域內回填中粗砂，其余區域回填含泥量20%以內、粒徑0.075mm 以下開山料。沉箱后緣線25m 區域內地基處理采用振沖法，25m 區域以外地基處理則采用強夯法。該回填方案下，碼頭沉箱后方所回填的中粗砂量較大。

2.2 優化方案一

為減少中粗砂使用量，并通過分層回填施工，為避免出現不均勻沉降，應對所有回填料均進行地基處理。就施工順序而言，應先安裝沉箱，再施作拋石棱體，將開山料回填至與沉箱后緣線相距25m 的范圍內并強夯；完成胸墻施工后再將開山料和中粗砂按2.0～2.5m 層厚分層交替回填至距離沉箱后緣線25m 區域內水下，并應用沉箱基床方式錘夯密實；水上部分開山料分層回填，并振沖碾壓密實。

這一方案能大大減少碼頭沉箱后方中粗砂回填量，并能避免強夯施工對沉箱可能產生的不利影響，但施工過程較為繁瑣。

2.3 優化方案二

為調整和優化煤碼頭沉箱后方回填次序，并減少中粗砂使用量，可以考慮將中粗砂回填在沉箱后方回填料破裂角以內區域，并振沖處理；開山料回填在其余區域，強夯處理。就施工順序而言，先安裝沉箱，再施作拋石棱體，開山料回填時回填邊界與破裂面的距離不得少于3.0m，回填后按要求強夯。以沉箱和開山料之間的間隔為隔震溝，可緩解強夯施工對沉箱的不利影響。胸墻施工結束后回填中粗砂，并按要求振沖、分層碾壓。

此方案能使中粗砂回填量大大減少，所減少的用砂量約為原方案用砂量的1/2 左右，且天然隔震溝的存在能緩解煤碼頭沉箱后方回填料強夯施工對沉箱的不利影響；而且這種強夯施工和中粗砂回填次序的調整不會對工程費用和工期造成不利影響。

2.4 優化方案三

該方案應用快速低能夯實地基處理工藝，可使煤碼頭沉箱后方回填料性能大大優化。就施工順序而言，先安裝沉箱，再施作拋石棱體，將開山料回填后使沉箱后緣和坡頂線距離控制在13m 左右，并強夯；胸墻施工結束后將開山料回填至沉箱、已強夯區域及胸墻之間的水域，回填至標高達到2.5m 后應用快速低能夯實工藝進行填料夯實處理；再將開山料分層回填至設計標高3.3m。

考慮到該方案所用的快速低能夯實地基處理工藝為新工藝，可借鑒的設計經驗較少，為此必須進行現場試驗。應用粒徑0.075mm 以下、含泥量20%以內的開山料回填出一塊長×寬為19.00m×19.00m 的實驗場地，并通過36kJ 低能夯實機快速夯實。夯擊點的布置情況具體見圖1，實驗場地共劃分為1～4 四個區域。根據相關規范及設計要求，該重力式煤碼頭沉箱后方地基承載力至少應為200kPa。試驗結束后按照設計荷載值的兩倍進行夯實回填區實際地基承載力檢測，即檢測荷載為400kPa，分八級依次施加。

圖1 夯點布置圖（單位：m）

在1 區隨機抽取1 個試驗點的試驗荷載P～位移量S 曲線具體見圖2。由圖中試驗結果可知，試驗荷載分別取100kPa、200kPa、300kPa、400kPa 時，對應的位移量分別為2.6mm、6.3mm、7.8mm 和10.4mm，表明，快速低能夯實地基處理工藝對于粒徑0.075mm 以下、含泥量20%以內的開山料地基處理效果符合規范要求。

圖2 試驗荷載P～位移量S 曲線

2.5 回填方案的比選

以上分析對原回填方案和三種優化方案的施工過程、技術優劣勢等進行了比較分析，而從中粗砂和開山料等回填料使用量角度來看，原方案及三個優化方案沉箱后方中粗砂回填量分別為15.1437 萬t、7.1725 萬t、6.3492 萬t 及0 萬t；開山料回填量分別為10.7608 萬t、18.732 萬t、19.5552 萬t 及25.6044 萬t。通過比較可知，快速低能夯實處理工藝不使用中粗砂，施工過程簡化，且夯實效果良好，施工成本可大大節省，故該重力式煤碼頭沉箱后方回填施工應采用優化方案三。

3 結論

通過本文分析得出，重力式煤碼頭沉箱后方回填粒徑0.075mm 以下、含泥量20%以內的開山料能大大節省回填料用量，簡化施工工序，節省施工成本。根據現場試驗，應用快速低能強夯技術處理開山料地基，可使煤碼頭沉箱后方地基承載力達到200kPa 及以上。本文通過方案比較及試驗分析所得到的重力式煤碼頭沉箱后方回填設計方案對于類似工程設計及施工優化具有借鑒參考價值。