桶式结构定位下沉施工及监控

夏俊桥，范旭征博，李　武

（1.中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏连云港222044；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）



桶式结构定位下沉施工及监控

夏俊桥1，范旭征博1，李武2*

（1.中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏连云港222044；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032）

新型的单桶多仓桶式结构需要下沉入土中形成直立式防波堤的主体结构，传统的锤击下沉无法完成，文章通过对桶式结构入泥过程中的阻力及可能的动力进行分析，利用桶式结构重力、负压等实施下沉，在工程实践中采用两条船对拉实现对漂浮桶体的控制，开发专用测量定位系统监控并指导定位下沉施工，通过排气、排水、负压等多重措施完成桶式结构的下沉入土。监测数据显示该套工艺较好地完成了桶式结构的安装。

单桶多仓结构；桶式结构安装；负压下沉；下沉施工技术

1　工程概况

连云港徐圩港区防波堤口门段采用桶式结构作为主体结构建造防波堤。桶式结构是一种单桶多仓结构，如图1所示，该结构下桶体呈长圆形，由中间矩形和两个半圆组成，长30 m、宽20 m，通过隔墙分为9个隔仓，上层2个φ8.9 m圆形筒体坐落在基础桶顶板上，桶体总重2 600～3 100 t[1-2]。

直立堤距离岸线7～12 km，风浪较大，地处淤泥质海岸带，软土深厚，物理力学指标差、灵敏度高，淤泥层厚5～11 m，下卧粉质黏土层。桶式结构下层桶无底有盖，沉入土中后桶壁、桶盖板、桶隔板及桶底把软土封闭在桶内，桶式结构通过自身重量和软土的相互作用共同承担上部结构传递的荷载[3-4]。

单桶多仓结构为插入式结构，如何将重达上千乃至几千t的钢筋混凝土结构沉入基底是该类结构的施工关键。插入式结构常用的施工工艺有振沉、冲挖下沉、重力自沉等方式，本工程利用桶体自身重力和负压共同作用下克服土体阻力和浮力的作用原理设计工艺，负压设备选用了潜水排污泵和真空泵，桶体结构在自重及负压的作用下，通过排气排水克服土体阻力下沉。

图1　桶式结构Fig.1　The bucket-based structure

2　分析计算

本工程桶体按下桶高度分6种型号，本计算分别选取最轻和常用型号进行计算，直立堤与斜坡堤衔接处ET1没有上筒，重量最小，桶体总重24 456 kN，普通型号桶体总重30 834 kN。

桶体下沉需要克服土体摩阻力及端阻力，本工程土层分部相对较均匀，下沉泥层主要为淤泥层，桶体穿过淤泥层后进入下层粉质黏土层1～2 m，淤泥层主要由淤泥组成，流塑，压缩性极高，粉质黏土层主要由黏土、粉质黏土组成，可塑。主要参数如下：

①层淤泥：饱和，流速。土质均匀滑腻，含少量贝壳碎片及有机质，含少量粉砂斑迹，摇振具反应，干强度高，韧性高。该层在整个勘察区域表部稳定分布，顶板标高一般为-3.8～-5.6 m，厚度一般为5.2～11.7 m，平均厚度为7.7 m。实测标贯试验击数一般为<1～1击，十字板试验抗剪强度统计值为16.5 kPa。

②层粉质黏土：饱和，可塑～硬塑。切面较粗糙，土质较匀，含有机质斑点、氧化铁斑迹及铁锰质结核，局部含钙质姜结石，直径一般为2～5 cm，局部夹粉土或粉砂薄层，单层厚度0.2～0.5 cm。摇振无反应，韧性中等，干强度中等。该层在勘察区普遍分布，顶板标高一般为-10.4～-16.8 m，厚度不均匀，一般为2.5～6.5 m，最小厚度0.5 m（BY24孔处），最大厚度9.6 m（K46孔处），平均厚度为4.6 m。实测标贯试验击数一般为6～12击，平均为9.5击[2]。

为了确定土层的摩阻及端阻系数，分别取原样土进行了室内试验，并将室内试验现场1︰6桶体模型下沉验证，验证后取值见表1。

表1　摩阻系数取值表Table 1　Value of friction coefficient

各土层厚度按桶体附近钻孔取值，本例取工程中ET1附近代表性钻孔BY37为例，水下桶体重量取浮容重，下桶高11.0 m，代表性潮位取3.0 m，经验证潜水排污泵和真空泵分别能达到的真空度为30%、90%，按以上参数计算下沉力和阻力，计算结果见表2。

根据计算结果，单纯采用潜水排污泵ET1和常用型号下沉力与阻力的比分别为1.61、1.65，使用真空泵下沉力与阻力的比分别达到了2.2、2.24，按类似工程经验下沉力与阻力比>1.5可满足施工需求，本工程进行工艺设计时每个仓均接潜水排污泵，为了保证桶体下沉到位，使用了2个真空泵，一个真空泵与4个隔仓并联，另一个真空泵与其他5个隔仓并联。

表2　桶体下沉受力计算结果Table 2　Sinking force results of the bucket

图2　气路系统设计Fig.2　Pneumatic system design

3　工艺总体设计及工艺流程

桶式结构下沉施工工艺应保证桶体下沉到设计深度，施工过程能进行姿态矫正，针对桶式结构单桶多仓的结构特点，在下层桶每个隔仓桶盖板上分别预留水管和气管，气管上连接排气阀门和真空泵，水管连接潜水排污泵。排气系统、真空泵、潜水排污泵等均连接电脑控制系统，电脑程序通过控制PLC模块控制各泵阀开启、关闭。

第一阶段为排气自重下沉。打开桶体上方的排气排水阀门，桶体在自身结构重力的作用下入泥下沉，桶内气体排出，同时通过排气速度控制下沉的速率、下沉过程中发生倾斜时通过不同隔仓排气量调节至水平状态，直至桶体结构自重和土体阻力平衡、结构停止下沉为止。气路系统设计详见图2。

第二阶段为抽水抽气负压下沉。当桶体内的气体全部排出后，利用潜水排污泵从抽水孔中将桶内水体抽出，结构继续下沉；在无水可抽时，通过抽气形成负压加力。

根据该工艺设计，排水系统和排气、负压系统均安装在下桶体及上筒体的操作平台上，该施工系统高度集成，方便施工控制。施工时在预制场内安装管道，在半潜驳到达现场时将操作平台安装在筒顶，连接平台与下层桶顶板的相应管道，桶体浮运到安装位置后进行定位下沉，施工工艺流程见图3。

图3　工艺流程图Fig.3　Process flow diagram

4　桶体下沉施工工艺

4.1桶体定位

桶体气浮运输到距离安装位置10 m时开始精确定位，定位采用起重船和驳船共同完成（图4、图5）。精确定位时测量人员到前一个桶顶，手持拐尺测量，另一测量人员观察自动测量系统数据实时报桶体位置，指挥人员根据测量数据指挥定位船、起重船通过拉锚和卷扬机搅动缆绳移位，定位时首先将肋板移动到相对轴线的正确位置，然后向已经安装的桶体移动，当桶体在预定安装位置10 cm以内时拉紧锚缆确保桶体位置基本固定，开始下沉作业。

图4　定位工艺图Fig.4　Positioning flow diagram

图5　定位控制现场Fig.5　Positioning control field

4.2排气下沉

1）当桶体定位确定无误后，操作自动化控制系统打开排气阀门，在自重作用下桶体开始下沉。

2）由悬浮状态下沉至泥面上30 cm后，关闭排气阀门，停止排气，测量人员再次通过GPS精确定位，通过二维测倾仪检查桶体垂直度，确认满足设计要求后，再次打开阀门排气，最终入土下沉。

3）由于原泥面的高差及土质不均，桶体入土下沉会产生倾斜位移。通过测倾仪监控侧倾状况，如发现超过要求，关闭下沉较大侧隔仓的排气阀门，同时观察桶体的平衡状况，待桶体平衡后，再次打开全部排气阀门进行排气下沉，确保桶体顺直平稳的完成第一阶段下沉。

4）本阶段下沉深度主要取决于桶内气体数量，桶体自重形成的下沉力满足此阶段下沉，下层11 m桶按下沉时水位4 m、浮游吃水9 m时桶内气体高为5.54 m，打开阀门后开始排气，此处泥面开挖至-6.8 m，当桶体底部触及泥面时桶内剩余气体5.2 m，桶底如土后本阶段可下沉5.2 m，进入下一阶段排水负压下沉。

4.3排水负压下沉

1）完成上述工作后，根据桶内水位情况启动排污泵，进行负压下沉（图6），不间断的观测桶壁水位刻度线，随时反馈，当桶体30 min下沉不超过10 cm时或纠偏困难时开启真空泵。

图6　下沉作业Fig.6　Sinking process

2）当下沉倾斜超过要求时，暂停下沉较大一侧隔仓的水泵（或真空泵），下沉较小的一侧继续工作，直至桶体下沉处于均衡状态，其后继续负压下沉作业。

3）作业通过操作平台阀门进行控制，随时调整各台泵开关，确保桶体的平衡下沉，当排污泵出口处无水排出并有泥浆出现，关闭各排污泵，校核下沉深度达到设计要求后下沉作业完成。

5　下沉施工重点事项

1）为方便桶体下沉可以设置刃脚，本工程设计下桶体墙体底部采用30 cm，到了上部提高为40 cm[3]。

2）为了保证桶体下沉后的平整度需要首先扫测泥面标高，对高差较大处进行处理，桶体下沉过程会有一定的涌泥量，为保证桶体下沉的设计标高，基底处理时一并考虑。

3）拟下沉区域需进行详细勘探，查明不利于下沉的坚硬夹层、特殊土层、障碍物等，本工程所在区域在淤泥层底和粉质黏土层之间分布有坚硬的钙质结构物，下沉前使用钙核专用处理船进行了振解作业。

4）排气、排水和负压下沉采用自动控制系统时应设置手动旁路，采购的泵、阀、管道、开关等应考虑海水使用环境，排水系统需要排泥浆，各类设备均应购置一定量的备用。

5）操作台安装完成后固定GPS、侧倾仪，设置测量仪器与桶体之间的关联参数，参数应经校核。定位过程中确有必要时可在已经安装的桶体上架设全站仪进行校核。

6）自动化控制系统需要输入参数调整，初期参数不够详尽、精确，需要积累数据进行优化。

7）下沉纠偏过程设总调度进行协调指挥，桶体高差超过10 cm时应及时纠偏，最高高差不宜超过30 cm，在自动调整失效时总调度可以指挥操作人员转为手动控制、调节。

8）施工时同时实施测量以及监测工作，通过实际下沉作业，为后续桶体下沉积累施工、结构参数。

9）桶体下沉控制以桶体顶部抵达泥面到达设计标高为准，当桶体施工采用真空泵工艺时，如最后1 h下沉不超过1 cm，及时与设计沟通。

10）为了提高纠偏及下沉能力，有条件时可以制作4隔仓或多隔仓下沉加载水箱。

11）安装效果。已安装110个的桶体间距、平面偏差、垂直度等均满足设计要求。

试验桶体施工中对桶体ET2和ET3进行了下沉、土压力、孔压力监测，盖板土压力计测试平均值（水压）为92 kPa，孔压力计测试平均值为106 kPa；ET3盖板土压力计测试平均值（水压）为80 kPa，孔压力计测试平均值为109 kPa。

6　结语

1）本工程结构设计耗费自然资源少，施工工艺不需要大方量开挖，没有抛洒作业，绿色环保。

2）采用气体动力原理设计的施工工艺采用的气体、水体均取之自然，归还自然。不需要大型起重船、打桩船，能源消耗少。

3）桶体下沉平面位置、桶间间距采用双船对拉工艺能有效控制在设计允许误差范围内，定位下沉遭遇突风、大浪时在入土前后需要严密监控，反复调整，下沉过程延缓控制缆绳放松时间。

4）采用的排气、排水、抽真空的三级下沉工艺设计符合桶式结构的特点，能满足90%以上桶体下沉至设计标高，建议标准增加特殊地质、下桶体盖板与泥面接触后不再继续下沉等特定条件的停止下沉判定标准。

5）桶体气密性关系浮运安全，在不同施工阶段检查和采取措施保证桶体气密性，出运前检查桶体本身是否存在裂缝、破损、蜂窝等缺陷，管道安装完毕后关闭底部阀门进行试验充气，检查阀门和管道是否存在漏气，浮起前对周边进行详细查看，检查周边是否存在水泡，是否存在漏气声音[4]。

桶式基础结构是一种新型的插入式单桶多仓结构，具有节约材料、造价低、绿色环保、施工快捷等优势，适用于土层为深厚淤泥层的港口工程。桶式基础结构定位采用的双船对拉控制能力强、调节方便、安全度高。为桶式基础结构下沉设计的依靠重力和负压下沉的施工工艺高度集成，具有自动化程度高、工艺简单、操作方便、易于控制等优点，本工艺在类似结构下沉中具有普适性。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区防波堤工程工程可行性研究报告[R].2011. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Feasibility study of the breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R].2011.

[2]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程初步设计[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Preliminary design of the east up-right breakwater project in Xuwei,Lianyungang Port[R]. 2012.

[3]曹永勇.新型桶式基础防波堤在负压下沉中的稳定性试验[J].水运工程，2014（7）：41-45. CAO Yong-yong.Stability tests for new bucket-based breakwaqter driven by negative pressure[J].Port&Waterway Engineering,2014 (7):41-45.

[4]李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究[J].水利水运工程学报，2012（5）：42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability test of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

Sinking techniques and monitoring of bucket-based structure positioning

XIA Jun-qiao1,FAN Xu-zheng-bo1,LI Wu2*
（1.Jiangsu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222044,China; 2.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

The new type of bucket-based structure,which is made up of a single bucket and multiple cabins,need to form the major structure of upright breakwater when it sinking into soil.Traditional hammer sinking is not feasible.We analyzed the resistance and potential dynamic force and finds out the bucket can be sunk by its gravity and vacuum pressure.In practice,the bucket controlling process is achieved by two opposite pulling barges,the special measurement positioning system is developed and the positioning sinking construction is monitored and guided.Exhausting,dewatering and vacuum sinking with specialized positioning monitor systems are adopted to sink the bucket.Monitoring data demonstrates this technology can meet the demands of the installation of a bucket.

single bucket with multiple cabins;bucket-based structure installation;vacuum sinking;sinking techniques

U656.22；U655.4

B

2095-7874（2016）03-0073-05

10.7640/zggwjs201603016

2016-01-12

江苏省科技支撑计划项目（BE2013663）；江苏省交通运输科技项目（2013Y20）

夏俊桥（1977—），男，安徽阜阳人，高级工程师，从事港口与航道工程管理和技术管理、研究工作。*通讯作者：李武，E-mail：liw@theidi.com