深水大厚度换填砂加固地基在重力式码头中的应用

廖世强，陈汨梨

(1.中交四航局第三工程有限公司，湛江 529005；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027)

重力式码头兼具码头结构和挡土结构双重功能，具有悠久的使用历史，由于其优越的耐久性，在几种基础结构中，通常会优先考虑。但是重力式码头结构对地基承载力要求较高，在以往的国内外码头工程中，重力式码头多建在岩基、密实砂土或坚硬粘土等地质条件较好的地方。在过去的几十年里，港口建设选址多数地质良好。随着岸线开发力度的加大，越来越多的港口建设选址不得不面对较差的地质情况。在松散砂土、粘土、粉土等软土地基上建造重力式码头，必须进行可靠的地基加固处理。对于软弱地质，常用的加固处理方案有：碎石桩、挤密砂桩、水泥搅拌桩、高压旋喷桩和开挖换填等。

振冲法[1]已被证明适用于中粗砂地基采用无填料振冲，我国《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)[2]对振冲密实法的适用对象及条件作出如下规定：(1)适用于挤密处理松散砂土、粉土、粉质粘土、素填土、杂填土等地基，以及用于处理可液化地基。饱和粘土地基，如对变形控制不严格，可采用砂石桩置换处理；(2)对大型的、重要的或场地地层复杂的工程，以及对于处理不排水抗剪强度不小于20 kPa的饱和粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性；(3)无填料振冲挤密法适用于处理粘粒含量不大于10%的中砂、粗砂地基，在初步设计阶段宜进行现场工艺试验，确定不加填料振密的可行性，确定孔距、振密电流值、振冲水压力、振后砂层的物理力学指标等施工参数。

对于重力式码头，以往的工程案例中多采用开挖换填方案，其中大吨级重力式码头多采用块石作为换填料，如烟台港西港区2.5万t级码头工程，码头结构为重力式，采用换填块石加固地基，换填最大深度至底标高-22.5 m；广州港南沙港区三期工程15万t级集装箱码头，码头结构为重力式，采用换填块石加固地基，换填最大深度至底标高-30.0 m；厦门港嵩屿港区10万t级集装箱码头，采用重力式码头结构，换填块石加固地基，换填厚度14～17 m。对于其他结构码头有采用换填砂加固地基案例，如广州黄埔港新沙一期工程格型钢板桩码头，桩区采用换填砂振冲加固地基，换填厚度4.5 m，标高为-12.5～-17.0 m，上覆最大水深16.0 m；深圳盐田港一期钢板桩码头，采用换填砂加固地基，换填厚度9 m，标高为-13.0～-23.0 m，上覆水深16.0 m；珠海高栏港国际集装箱码头接岸围埝抛石堤地基采用换填砂振冲加固，换填厚度12.5 m ,标高为-17.5～-32.0 m，上覆最大深水21.0 m。

按以往经验，采用换填块石的建设成本通常比较高，其石料采购，石料陆水运输、水上抛石、水下夯实等成本均较高，另外换填块石厚度较大时，通常需要分层抛石，分层夯实，分层数量多，抛石与夯实施工工期也比较长。

当码头施工现场附近有丰富的中粗砂砂源，采用中粗砂作换填料，并采用振冲法对换填砂振冲密实，采砂回填及振冲密实的施工成本将能大大降低，具有较大的优势。西非某港口扩建项目沉箱重力式码头基床地基进行了大规模超深换填砂加固实践，取得良好的技术与经济效果，可为类似项目的设计和施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

西非某泻湖内港口扩建项目包含扩建3个集装箱码头泊位，泊位总长1 312 m。码头结构设计水深-18.5 m，码头面高程+3.5 m，港池疏浚标高近期-16 m，远期-18.0 m，后方填海造陆37.8万m2。采用沉箱重力式结构，设有66件矩形沉箱，沉箱长19.35 m、宽16.0 m、高19.5 m，单件沉箱重约3 244 t。

2 地基与基础方案设计

码头选址地质在深度方向上软硬相间，在平面方向上强弱混杂，分布不均，持力层埋藏深。有淤泥层、细砂-粗砂层、松散砂层、密实砂层、粘土(局部夹杂腐木层)，部分粘土层、腐木层以及部分埋深较大的松散砂层不满足重力式码头承载力及沉降的要求。设计采取大开挖换填中粗砂(含泥量≤5%)，并振冲密实的加固方案。换填砂基槽底宽均为23 m，换填深度以槽底地质的标贯击数N≥15击进行控制，换填砂振冲加固后表层2 m以下标贯击数(SPT)N≥22击。换填砂地基上采用厚度6 m的抛石基床，抛石基床后沿设置倒滤层，沉箱后方直接回填中粗砂。整个项目换填砂深度从-24.5～-43 m不等，相应厚度从0～18.5 m不等，换填砂总量约30万m3。特征断面如图1。

图1 码头换填砂地基典型断面图(单位：m)Fig.1 Typical cross-sectional view of the sand replacement foundation of the wharf

3 施工技术

3.1 超深换填基槽开挖与防回淤措施

基槽开挖过程、开挖后、回填砂前的防回淤控制是关键工序。槽底淤泥厚度过厚，造成回填砂后形成新的软弱淤泥夹层，或出现流泥侵入换填砂层，导致换填砂含泥量超标，使换填砂振冲密实度达不到要求。基槽开挖按先清淤，后挖基槽，分段实施，快挖快填的原则实施。

基槽分段开挖前，先进行基槽周边约150 m范围内的清淤开挖，然后再开挖基槽。清淤开挖最后一层采取纵横搭接半斗、不满斗开挖，减少淤泥残留。基槽开挖过程中每挖完一层，采用多波束测深仪测量，确保开挖边线与边坡满足设计。采用多波束测量高差法、地质钻机取样法和水下柱状淤泥取样器取样法等综合技术监测槽底及回填砂层间淤泥厚度，回填砂前槽底淤泥厚度按不大于20 cm进行控制。

3.2 深水回填砂

从提高振冲砂质量效果来分析，换填砂一次性回填，一次性振冲的工艺最佳，但通过试验发现受水深、换填砂颗粒级配、含泥量、振冲器性能等影响，在深水换填砂振冲中，振冲器一次振冲深度比陆上或浅水振冲砂要小很多。100～180 kW电动振冲器一次振冲深度仅为4～5 m，230 kW液压振冲器一次振冲深度约为7～8 m。换填层较厚时需采用分层回填，分层振冲的施工工艺。回填标高按回填厚度5%～8%预留振冲沉降量。

回填砂采用耙吸船取砂，自行定位，开舱门直抛，或抓斗船取砂，开体驳运输，定位驳船辅助定位，开体直抛回填。回填砂为中粗砂，贝壳含量少，含泥量均小于5%。对回填到基槽后通过钻孔取样筛分，并根据Mitchell 给出了适合于振冲加固的颗粒级配范围曲线图[3]绘制回填砂前后筛分曲线图如图2所示，从图中可以看出，槽底附近的砂含泥量比回填前要变大，最大达12%，其余部位砂的细颗粒变少，含泥量更小，其原因是受水深水流的影响，回填砂在水中漂落过程中会产生一定的漂移，颗粒分离。总体来说，换填砂适合采用无填料振冲法加固。

图2 换填砂回填前后取样筛分曲线对比图Fig.2 Comparison of sampling and screening curves before and after backfilling

3.3 深水振冲砂

(1)振冲施工船机。在平板驳船甲板上安装履带吊，履带吊吊单台振冲器进行振冲。由于振冲水深大，采取振冲器及导管全潜入水下的振冲工艺[4]。

(2)振冲参数。振点布置及点距、下插速度、底部留振时间，分段提升高度，分段留振时间等振冲参数与砂的质量、振冲器性能等有关[4-8]，通过现场试振得到较佳参数：振冲点采用正三角形布置，电动100～132 kW振冲器较佳点距2 m，电动180 kW振冲器较佳点距2.5 m，液压V230型振冲器较佳点距3 m。振冲器下插速率控制在8～10 m/min。底部留振时间宜30 s，分段提升高度50 cm，分段留振时间30 s，并使电流或油压达到试验段的密实值。换填砂基槽底为砂质时，振冲头宜插入基底约50 cm；基底为粘土时，振冲头宜高于底面约50 cm，防止扰动基底。分层回填，分层振冲时，上下层搭接约1 m。

(3)振冲流程。工作船抛锚定位→吊立振冲器→振冲器对准点位→启动振冲器并匀速下插→下插振冲器至振冲底高程→留振→(分段提升振冲器，分段留振，直至拔出砂面)→移动振冲器至下一振冲点位。

4 振冲加固效果

4.1 检测方法

采用标准贯入试验(SPT)检验振冲质量效果。回填完或振冲完成3 d后开始检测，以实际贯入击数为检验标准。检测孔位布置在设计安放沉箱的角点及中部附近，标贯点位于砂面以下2 m、4 m、6 m……处，直至实际换填基底。

4.2 换填砂振冲前自然密实效果

测试段换填顶标高-24.5 m，换填底标高-32.0 m，层厚7.5 m，施工采用耙吸船取砂回填。在换填砂回填完成约1周时间后开始检测，随机抽检8孔，勘察孔的振前SPT值(见表1)。从表中可看出，深水换填砂未经振冲加固的自然密实条件下SPT值离散性较大，最小值为4击，最大值为24击，均值12击，绝大部分达不到设计要求的22击。

表1 试验段换填砂振前自然密实条件下SPT击数抽查汇总表Tab.1 Summary table of random inspection of SPT strike number under natural compaction condition before sand filling and vibration in test section 击

4.3 电动100 kW振冲器分层振冲效果

测试段采用100 kW电动振冲器振冲。最初采用一次回填，一次振冲的工艺，经试振发现该电动振冲器一次振冲深度4～5 m，达不到换填层厚。后采取挖除一层约3 m厚换填砂后，再按分层回填，分层振冲，分层检测的工艺实施，最后整层一次验收检测。分层振冲一次振冲深度达到分层厚度，验收检测一次通过，检测结果见表2。从表中SPT值来看，水下换填砂分层振冲的密实度有显著的提高，大于设计要求值22击。

表2 换填砂电动振冲器分层振后SPT击数抽查汇总表Tab.2 Summary table of random inspection of SPT strike number after layered vibration of sand replacement electric vibroflot 击

4.4 液压230 kW振冲器分层振冲效果

最深换填段(换填顶标高-24.5 m，底标高为-43.0 m，厚度18.5 m)采用分3层回填及振冲工艺，控制层厚6.5 m。采用ICE公司生产的输出功率相当于230 kW的液压振冲器V230型进行振冲，施工过程顺利，振后其中2个设计沉箱位内的8个检测孔的SPT结果见表3。从SPT结果来看，V230型液压振冲器的振冲效果要比电动振冲器更好，击数更高，多数大于50击。

表3 换填砂液压振冲器分层振后SPT击数抽查汇总表Tab.3 Summary table of random inspection of SPT strike number after layered vibration of sand-filling hydraulic vibrator 击

整个换填区除存在极个别孔的个别标高处的SPT值达不到22击，经一次复振后达标外，其他均一次振冲合格。

4.5 码头沉降特性

注：X负值代表沉箱向码头长度方向位移，Y正值代表向沉箱后沿方向位移图3 41#沉箱沉降位移曲线图Fig.3 Displacement curve of caisson 41#

换填砂加固段码头抛石基床厚度6 m，采用2 m厚分层抛石，分层夯实工艺施工。地基沉降与抛石基床压缩沉降的监测结果有如下沉降特性：大部分沉箱累计总沉降量为100～150 mm，少数沉箱沉降小于100 mm或大于150 mm，最大值180 mm。沉箱安装完成经过一个潮涨潮落后开始监测沉箱沉降，至箱内回填前沉降值均小于5 mm，占总沉降量2%；箱间倒滤井及箱内回填砂后有较大的沉降，沉降量占总沉降量为50%～55%；箱后回填砂后沉降又有较大发展，沉降量占总沉降量约28%；箱后回填砂振冲再次引起沉箱的沉降，占总沉降量约20%。多数沉箱顶出现后倾位移，少数沉箱出现前倾位移，位移值均小于30 mm。胸墙混凝土浇筑及胸墙后方回填完成后，胸墙累计沉降量4～8 mm。各施工荷载工况完成约15 d后沉降趋于基本稳定，荷载发生变化后又会有沉降变化。

典型沉箱位沉降量及沉降曲线如下图表所示，表4中沉箱编号38#～42#对应换填标高-24.5～-32.0 m加固区，沉箱编号80#～84#对应换填标高-24.5～-43.0 m加固区。图3为41#沉箱沉降位移曲线。施工过程沉箱安装预留沉降量150 mm，满足预期。

表4 换填砂加固区码头沉降特征值Tab.4 Characteristic values of wharf settlement in the sand replacement and reinforcement area mm

5 结论

深水换填中粗砂地基未经振冲的自然密实状态下的SPT值普遍为5～15击，大于15击的极少，水深对砂的自然密实度影响不大。采用振冲法可大幅提升深水换填砂的密实度，SPT值普遍达到30击，部分甚至达50击以上，满足重力式码头地基需求。

在深水深基槽大厚度换填砂振冲中，当厚度较大时，一次性整层回填存在振冲困难，可采用分层回填、分层振冲、分层检测的施工工艺。功率180 kW以内的电动振冲器一次振冲深度普遍为4～5 m，输出功率230 kW的液压振冲器一次振冲深度有6～7 m，施工中宜优先采用液压振冲器。

换填砂地基经振冲加固后地基承载力及密实度比较均匀，码头沉降比较均衡。箱内回填、箱后回填、箱后回填砂振冲3个工况下大部分沉降量释放完成。胸墙浇筑前宜完成沉箱箱后回填砂的振冲。

对于持力层埋藏较深的码头选址，采取开挖深槽换填中粗砂并振冲加固地基可满足建造大型沉箱重力式码头需求。换填用砂就地取材比换填块石节省大量材料费，节省加固措施费用，加快施工进度，有良好的技术经济效果。