简述重力式码头沉箱后方回填优化设计

谷告柏，李强强，樊亮亮

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

重力式码头沉箱结构后方临近结构物的回填部分难以采用强度较大的地基处理方式，为了达到预期的回填处理的效果，一般采用回填中粗砂或者块石。英标中规定，对于重力式结构后方的回填区域采用回填砂，需要考虑地基处理方式对于重力式结构的影响[1]。我国的《港口工程地基规范》[2]主要介绍的地基处理方式有换填法、排水固结法、轻型真空井点法、强夯法、振冲法和水下深层水泥搅拌法等，但没有特意针对重力式码头后方回填的方式进行描述。

对于某些项目所在地，由于环保要求高海砂开采难度大或者采砂工艺较为落后，砂石料的成本较高，从而导致沉箱后方回填砂石料的成本较大。本文依托喀麦隆克里比二期项目，结合快速低能夯实现场试验的试验结果，经过多个回填方案的设计和施工对比，提出采用普通的开山料作为沉箱后方的回填材料，提出了新的实施方案，有效节约了项目成本。

1 项目概况

项目位于喀麦隆克里比地区，项目分为一期已完工工程和二期扩建工程，其中一期工程包含一个5万t级的集装箱泊位和一个4万t级的多用途泊位，一期岸线总长度达615 m；二期工程包含一个7 万t级和一个10 万t 级的集装箱泊位，二期岸线总长度为715 m。码头结构采用沉箱重力式结构[3]，相关断面图见图1。

图1 项目典型断面示意图

由于项目所在地的环保要求较高和地理位置限制，难以大量开采海砂和河沙，码头后方回填区域的造价较高。

2 码头后方回填方案

基于码头的结构形式，本项目在原案的基础上提出了三种优化方案，并对三种优化方案的设计和施工进行对比，最后得出一种最优的回填处理方案。

2.1 后方回填原案

在码头原案的地基处理方案中，沉箱后缘线25m范围内考虑到地基处理对沉箱结构的安全性影响，无法采用强度较大的地基处理方案。原案在该范围内采用振冲法这种振动影响小的方法进行地基处理，并且要求回填料采用含泥量（粒径小于0.075 mm）不超过10 %的中粗砂。

因此，原案码头后方25m 范围内一定坡度的回填中粗砂，其他区域回填含泥量（粒径小于0.075 mm）不超过20 %的开山料。距离沉箱后缘线25 m范围内采用振冲法进行地基处理的施工，25 m 范围以外采用强夯法进行地基处理。该设计方案较为传统，码头后方需要大量的中粗砂进行回填处理，详细方案见图1。

2.2 后方回填优化方案1

优化方案1 为了达到减少用砂的目的，采用分层回填的施工方法，对全部回填料进行地基处理，以防止不均匀沉降的发生，相关的方案见图2。

图2 后方回填优化方案1

具体的施工顺序为：

①沉箱安装；

②抛石棱体施工；

③在距离沉箱后缘线25 m 以后的区域回填开山料，并进行强夯；

④胸墙施工；

⑤沉箱后缘线25 m 范围内分层交替回填开山料和砂土；开山料水下部分分层厚度2.0 m～2.5 m，采用沉箱基床类似的方式进行锤夯密实处理；开山料水上部分则分层回填并进行振动或者冲击碾压密实；回填砂则进行振冲或分层碾压处理。

该方案一定程度上减少了码头后方回填砂量的使用，同时可以基本确保强夯对沉箱不产生影响；但缺点是施工较为繁琐。

2.3 后方回填优化方案2

优化方案2 的主体思路为改变沉箱后方的回填顺序，从而达到减少用砂量的目标。该方案沉箱后回填料的破裂角以内回填中粗砂，并采用振冲的地基处理方式；其他区域回填开山料，并采用强夯的地基处理方式，详细的断面图如图3。

图3 后方回填优化方案2

该优化方案的具体施工顺序为：

①沉箱安装；

②抛石棱体施工；

③后方回填开山料，开山料的回填边界线距离破裂面至少3 m 以上，且回填边坡尽量偏陡，回填后进行强夯处理。此时沉箱后方的回填砂尚未进行，开山料和沉箱之间可作为隔震沟使用，强夯施工对沉箱的影响较小；

④胸墙施工；

⑤回填砂，振冲和分层碾压处理。

该方案可以节省大量的回填砂，从断面上可以粗略看到相对原案至少可以减少一半左右的用砂量，并且可以大幅减小后方回填料的强夯施工对沉箱的影响；同时，这种工序的改变几乎不会引起工期和费用的增加。

2.4 后方回填优化方3

1）优化方案

方案3 采用快速低能夯实这种新的地基处理工艺[4]，大量的优化码头后方的回填砂用料，并结合现场试验对该方案进行了验证，详细方案见图4。

图4 后方回填优化方案3

该优化方案的具体施工顺序为：

①沉箱安装；

②抛石棱体施工；

③后方回填开山料，回填坡顶线距离沉箱后缘线约13m，回填后进行强夯；

④胸墙施工；

⑤沉箱、胸墙和已强夯区之间的水域部分回填开山料至标高+2.5 m，采用快速低能夯实密实的工艺对填料今天夯实；

⑥+2.5 m 以上分层回填开山料至交工标高 +3.3 m。

2）现场试验

现场采用含泥量（粒径小于0.075 mm）低于20 %的开山料回填出一块19 m×19 m 的试验场地，采用夯能为36 kJ 的快速低能夯实机进行快速低能夯实试验，夯点的作业布置图见图5。

图5 夯点作业布置图

根据本项目的规范要求[5]，码头后方地基处理的承载力要求达到200 kPa 的强度要求。本次现场试验采用两倍的设计荷载对快速低能夯实后的回填区进行地基承载力检测。现场试验检测采用 400 kPa 的荷载，并分8 级施加荷载，随机抽取的四个试验点的P-S 曲线见图6、图7、图8 和图9。

图6 试验一区P-S 曲线

图7 试验二区P-S 曲线

图8 试验三区P-S 曲线

图9 试验四区P-S 曲线

根据现场的试验结果可知，快速低能夯实的地基处理方案对于含泥量（粒径小于0.075 mm）低于20 %的开山料的地基处理效果可以达到规范的要求，方案可行。

2.5 三种回填优化方案的对比

根据四种方案的对比可知，方案沉箱后方一定范围内的回填砂和回填开山料的用量见表1。

表1 各方案工程量对比表

根据对比可知，结合快速低能夯实工艺可以有效地减少码头后方回填砂量的用料，提供一套在地材受限的情况下有效的重力式码头后方地基处理方案，有效节省了项目的成本。

3 结语

本文通过详细的方案对比和现场试验验证，得出以下几点结论：

1）沉箱后方可以采用含泥量（粒径小于 0.075 mm）小于20 %的开山料进行后方回填处理。

2）通过现场试验可知，快速低能夯实工艺对于含泥量（粒径小于0.075 mm）小于20 %的开山料的地基处理效果可以达到码头后方地基承载力200 kPa 的处理效果。

3）本文通过方案优化，提出一种可以有效减少码头后方回填砂用量的设计和施工方案，为类似工程提供了宝贵的设计优化和施工优化的参考。