沉管隧道碎石基床平台式整平船半漂浮插桩整平技术研究

潘伟，郑秀磊，金文良，王斌磊

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；3.深中通道管理中心，广东 中山 528400；4.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

沉管隧道基础的整平处理对沉管施工精度和施工后沉降问题影响很大，且与沉管结构的稳定性和耐久性密切相关。现阶段隧道基础整平方法主要分为先铺法和后铺法两种，其中先铺法可控性强，能够适应恶劣的施工环境，但对基床整平设备的先进性要求很高；后铺法施工使沉管着床后的坡度调整更具备灵活性，但在施工自然条件较差的情况下，采用后铺法施工的精确度、经济性方面存在一定的问题[1-5]。

1 工程地质条件

深中岛隧工程基础采用先铺法碎石基床，隧址位置地质条件复杂，隧址区自西向东分为软弱地基处理区、基岩区、天然地基区，其中软弱地基区采用DCM桩进行加固处理。采用DCM桩加固后的地基存在强度高且竖向上强度分布不均匀的特点，DCM桩无侧限抗压强度检测结果及分布图见表1和图1。

表1 DCM桩无侧限抗压强度试验检测结果Table 1 Test results of unconfined compressive strength of DCM pile

图1 DCM桩60 d无侧限抗压强度分布图Fig.1 Distribution diogroin of ancanfired compressire strength of DCM pile at 60 d

2 深中通道的“穿刺”问题

如果按照常规整平船全漂浮整平技术插桩方式进行插桩整平施工，插桩过程中会出现大幅、高频的穿刺，对整平船船机设备安全及长期使用造成影响。

平台式整平船在插桩过程中，出现桩腿突然下沉的情况时，通常称之为发生“穿刺”现象。其原因一般是由于相对较“软”地层位于较薄但较坚硬的地层之下。插桩过程中，随着船体逐渐抬升，插桩力不断增加，强度相对较高部分的DCM桩会被压碎，由于DCM桩在竖向上存在强度不均匀的情况，桩腿可能会迅速穿过下方较“软”部分，而发生“穿刺”现象[6]。

在深中通道E1和E2管节整平船插桩过程中，出现了高频率、大幅度的穿刺情况，累计出现穿刺情况74次，最大穿刺深度为1.72 m。当桩腿荷载大于1 800 t时，最大穿刺深度为1.72 m，穿刺次数为59次；当桩腿荷载小于1 800 t时，最大穿刺深度为0.43 m，穿刺次数为15次，桩腿荷载和穿刺情况如图2所示。结合船舶性能及施工场区潮差情况，确定半漂浮插桩桩腿最大荷载为1 800 t。为了尽可能降低“穿刺”现象的产生，提高人员设备的安全性，研发了一种半漂浮插桩整平技术，这种整平技术可为其他类似工程提供借鉴和指导。

图2 DCM区全抬升插桩整平桩腿穿刺情况统计图Fig.2 Statistical diagram of pile leg puncture in DCM area for full lifting and pile penetration

3 半漂浮插桩整平技术原理

半漂浮插桩整平技术即船体不完全抬离水面，通过保证一定程度船体的吃水，增加船体浮力，达到减小桩腿荷载的目的。半漂浮插桩整平主要需解决以下3个稳定性问题：1）施工过程中，保证船体平面位置不会发生移动；2）半漂浮整平过程中，保证桩腿不再出现下沉问题；3）半漂浮整平过程中，保证船体不会出现上浮现象。

3.1 平面稳定控制分析

半漂浮插桩整平施工中，水中船体主要受水平方向水流力、波浪力和风阻力影响。为确保整平船施工过程中平面位置不发生变化，可通过整平船自带锚缆系统抵抗船体所受水平力。根据JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》[7]，水流力Fv可按式（1）进行计算：

式中：Fv为水流力，kN；Cw为总阻力系数，按照矩形梁取2.32；ρ为海水的密度，取1.025 t/m3；A为迎流面积（流向按照155°，整平船方向为34°）；V为流速，取1.5 m/s。计算得水流力为767 kN。

风阻力Ra可参考GD 02—2012《海上拖航指南》[8]，按式（2）进行计算：

式中：ρ为空气密度，取1.22 kg/m3；V为风速，根据施工最大风速取值，此处取13.8 m/s；Ai为受风面积，取2 234.4 m2；Cs为受风面积Ai的形状系数，按照类似结构物取1.5。计算得风阻力为251kN。

波浪平均漂移力Fw可按规则波考虑，参考《港工建筑物》[9]，按式（3）进行计算：

式中：ρ为水密度，海水取1.025 t/m3；d为船体吃水深度，m；g为重力加速度，取9.81 m/s2；L为与波浪正交的船舶或结构物的长度；H为规则波波高，取1.0 m。计算得漂移力为80 kN。

按照最不利工况计算（水流力、波浪力和风阻力受力方向一致），整平船最大受力为1 098 kN。通过计算得漂浮状态施工时整平船按照图3所示。锚缆角度受力时，可知锚缆受力最大为45 t时，能够抵抗船舶所受风、浪、流所产生的合力，满足抗流要求，整平船可保持平面位置相对不变。

图3 整平船受力示意图Fig.3 Force diagram of leveling ship

3.2 桩腿下沉稳定分析

为了保证船体在插桩完成后不发生下沉，只需通过控制整平施工过程中的单根桩腿荷载F2不超过插桩完成后单根桩腿最大荷载F1，即F1＞F2，即通过插桩时的超压载，可达到控制桩腿不再下沉的目的。其中F1和F2按式（4）、式（5）进行计算[10]：

式中：G插桩为插桩过程压载水量，t；G整平为整平过程压载水量，t；h插桩为插桩过程船体最小吃水高度，m；h整平为整平过程船体吃水高度，m。船体荷载约为8 000 t，排水量可通过整平船静水力表查得，此处船体吃水每米排水量约为2 000 t。

3.3 船体上浮稳定性分析

船体是否会出现上浮主要考虑的是潮位上涨（船体吃水增加）造成的浮力增加及波浪浮托力造成的影响[11]。综合潮差和船体最小吃水量等因素分析，经理论计算和现场试验，通过增加压载水量的方式，可以控制单根桩腿所受最小荷载为750 t。结合现场整平船作业条件，最大有效波高为1 m时，波浪对单侧船体产生的上浮力为536 t，受上浮力影响的单根桩腿受力为536/2=268 t。施工过程中单根桩腿所受支反力最小值为750 t，远大于波浪上浮力，因此可确保整平船半漂浮施工时不产生上浮。整平船简图及受波浪情况示意图见图4。

图4 整平船简图及受波浪情况示意图Fig.4 Sketch map of leveling ship and schematic diagram of wave conditions

综上，通过控制施工过程中的锚缆受力、插桩时进行超压载和压载水调配控制船体负浮力等方式能保证半漂浮整平船平面及竖向稳定，确保半漂浮施工正常进行。

4 压载水调配技术

为保证船体竖向稳定性，需要对船体压载水进行调配，主要有潮位上涨时增加压载水和潮位下降时减少压载水两种情况。压载水调整过程中应保证桩腿荷载小于吃水为H0时的桩腿荷载，且船体自重和压载水重量应大于船体排水量和波浪浮托力。整平船通过压载水调配可满足涨落潮期间的施工作业要求，无需等待平潮施工。其中，压载水总量M的上、下限值应满足：

式中：F波为船体所受波浪浮托力；F0为船体最小吃水时桩腿荷载；N为桩腿数量；Ms为船体自重；V为对应吃水的船体排水量，可通过静水力表查得；ρ水为海水密度；g为重力加速度。

深中通道项目中半漂浮整平船压载水调配依靠整平船配置的4台压载水泵，每台压载泵效率为500 t/h。外循环期间，采用2台压载泵进行加水作业，当压载水量大于800 t后，切换至内循环，改用4台压载泵同时加载。

深中通道隧址海域潮差最大约为3 m，最高潮位吃水约4.5 m，压载水总量4 000 t，此时地基压力=（8 000+4 000-4.5×2 000）/4=750 t；最低潮船体吃水为1.5 m，压载水总量400 t，此时地基压力=（8 000+400-1.5×2 000）/4=1 350 t。整个过程地基压力为750～1 350 t。依据上述计算原则，结合现场实际情况，深中通道半漂浮整平压载水调配方案及船体吃水深度细化后的压载水量调配方案按表2、表3执行。

表2 整平压载水调配方案Table 2 Leveling ballast water allocation scheme

表3 细化后压载水量调配方案Table 3 The refined ballast water allocation scheme

5 半漂浮插桩整平技术效果验证

针对深中通道前期全抬升插桩出现的“穿刺”问题，在后续DCM区管节施工过程中提出并采用了半漂浮插桩整平技术，现对半漂浮插桩整平技术施工流程及效果进行介绍。

5.1 施工流程

整平船进场施工前，首先在施工锚地完成整平船测控系统校核，校核无误后组织整平船进场就位，锚系按照预先设置好的锚位坐标完成抛锚作业。就位完成后将船体绞移至预设船位，并确保锚缆受力。开始进行插桩作业，具体插桩步骤如下：

1）插桩前打入2 000 t压载水，同时下放4根桩腿至泥面（根据实测泥面高程提前调整桩腿下放长度，确保同时入泥）。

2）待船体出现倾斜时改为对角插桩。采用慢速抬升至船体吃水2 m后稳定10 min，此时桩腿对地基压力为（10 000-2×2 000）/4=1 500 t。

3）稳定10 min后继续对角插桩，每抬升10 cm，稳定5 min。直至桩腿支反力达到1 800 t或者吃水为1.5 m，此时桩腿对地基压力为（10 000-1.5×2 000）/4=1 750 t。

4）支反力达到1 800 t后稳定10 min，观察桩腿底部高程无变化后，排掉压载水1 400 t，稳定10 min。观察桩腿底部高程变化情况，此时桩腿对地基压力为（10 000-1 400-1.5×2 000）/4=1 400 t。

5）桩腿底部高程无变化后，移动大小车沿月池四周行走一圈，确保大小车行走过程桩腿底部高程无沉降。

6）再排200 t压载水，此时单桩腿的地基压力为（10 000-1 600-1.5×2 000）/4=1 350 t。

7）根据潮位调整船体吃水至施工高度，船体吃水=1.5 m+当前潮位-单船位施工期间最低潮位。

此时认为插桩步骤基本完成。插桩完成后将船体高度调整至施工高度，此步骤应根据表2和表3船体压载水调整方案进行压载水调配。船体高度调整完毕后开始下放抛石管，调整进料口位置，开始整平作业。插桩和整平期间，为保证船舶稳定和安全，应配合对桩腿倾斜和位移以及船体倾斜和运动姿态等进行监测，并设置预警值。

5.2 施工效果

统计深中通道后续DCM区管节（E3—E5）插桩过程中的穿刺情况，结果如图5所示。可知采用半漂浮插桩整平技术后，桩腿穿刺次数和最大穿刺深度均明显减少，最大穿刺深度由1.72 m下降至0.6 m。穿刺次数由单管节平均60余次降低至单管节不足4次，效果显著。且由于插桩时船体无需全部抬离水面，减少了插桩时间，提高了施工效率，同时半漂浮整平精度仍满足设计要求。

图5 E3—E5管节半漂浮插桩整平穿刺情况统计图Fig.5 Statistical diagram of E3-E5 semi floating pile penetration leveling and puncture

6 结语

依托深中通道岛隧工程项目，针对工程实践中出现的整平船桩腿“穿刺”问题，提出一种平台式整平船半漂浮插桩整平技术。通过控制施工过程中的锚缆受力、插桩时超压载和压载水调配控制船体负浮力等方法，保证了平台式整平船在半漂浮插桩整平施工阶段的稳定性，增强了整平船对恶劣施工环境的适用性。经实践证明半漂浮整平方法利用整平船自身浮力，能够有效减小桩腿地基压力，从而降低桩腿底部地基“穿刺”的风险，在保证施工精度的前提下提高了船机设备的安全性，对复杂地质条件下平台式整平船施工具有重要借鉴意义。