重力式碼頭沉箱后方回填優化

◎ 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，碼頭前沿底標高-18.5～-16.0m，碼頭主體為重力式沉箱結構，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，為避免對沉箱結構造成不利擾動，在沉箱后緣線25m范圍內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。為節省施工成本，于該重力式碼頭后方25m范圍內回填粒徑0.075mm以下、含泥量不超出10%的砂料；而對其余區域，則回填粒徑0.075mm以下、含泥量在20%以內的開山料。

該碼頭所在航道環保要求高，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，必須結合實際情況，進行施工方案優化。

2.回填方案優化設計

2.1 方案1：分層回填

在采取分層回填的優化思路后，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，以避免發生不均勻沉降。就施工次序而言，應先安裝沉箱，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。回填砂料也分層碾壓或振沖。

該優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雜繁瑣，層次多，不利于工期控制。分層回填結構見圖1。

圖1 分層回填結構示意圖

2.2 方案2：調整回填次序

通過調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回填粒徑0.075mm以下、含泥量10%以內的砂料，振沖密實；其余區域則回填粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內的開山料，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。

該優化方案同樣能節省回填砂料用量，根據斷面面積粗略估計，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；工期較分層回填優化方案短。優化結構見圖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的交工標高。該方案結構見圖3。

圖3 快速低能夯實結構示意圖

為展開該方案夯擊效果檢測，在施工現場使用粒徑0.075mm以下、含泥量20%以內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倍的設計荷載（即400kPa）對回填區地基展開夯擊，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，對應的荷載沉降試驗結果見表1。

表1 快速低能夯實荷載沉降試驗結果

根據表中試驗結果，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化方案的比較見表2。由表可知，優化方案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，采用質量3～9t的錘芯，按照1.2m的設計高度落錘，并按40次/min的頻次沖擊。夯擊能經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，并配置有監視器和監控系統，能按照預先設定的施工參數自動控制施工過程，能大大減少能量損失；并能自動記錄各夯點夯擊數、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優勢：（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，并能通過事先設置最終夯沉量、最小夯沉量、夯擊次數等展開自動操作；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構、相鄰設備及現場施工人員的安全。（4）低能耗。該型號夯實機夯擊頻率可達20～60次/min，結合施工經驗，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障礙物，并將表層松散土層碾壓初平，便于機械平穩行走；同時應在施工場地內開挖排水溝，避免降雨期間發生地表積水。

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；根據挖機型號，處理寬度應按6.0m確定；借助規格6.0m×6.0m的測繩測標出首遍夯擊點位。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，進行夯錘頂標高測量。此后，啟動夯實機，將夯錘提升至設計高度后按試驗確定的夯擊次數連續展開單點夯擊施工，同時記錄夯擊錘頂標高和實際沉降量。

考慮到該型號夯實機單點施工時必須保證作業的連續性，收錘標準有異于傳統夯擊。為保證擊實效果，應在單點夯擊施工完成后增加10夯次，且當10夯次沉降量不超出50mm、夯坑四周地面無明顯隆起時結束該夯點施工。

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。

在規定的時間間隔內，重復以上步驟完成3遍強夯，每次強夯之間的間隔根據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，可展開連續夯擊。

3.3 質量控制

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，其監控系統能實時記錄各夯擊點的夯擊數、夯沉量及能量輸出值[4]。通過預設監視器參數以自動控制夯實機，降低能量損失，提升工效。監視器中所存儲的施工參數可直接下載并打印。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，錘套必然產生一定熱量，根據施工期間環境溫度，每施工2h后必須散熱2h；迫于工期要求，如果要連續施工，必須另外配置1套錘套與錘腳。

將2層橡膠墊墊設在錘套和錘腳內，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，單點連續作業的夯沉量必然與單點分次夯擊的檢測結果不符，故應加強過程控制。

4.結論

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%以內的開山料切實可行；根據現場試驗，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省；地基承載力高，施工質量好，機械化水平高。回填施工后承載力、壓實度檢測結果表明，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。