大型重力式码头深厚基床施工控制关键技术分析

■陈 航

（福建省莆田涵江港口建设发展有限公司，莆田 351100）

1 工程简介

福州港罗源湾港区可门作业区1#～3# 号泊位工程（图1）位于福建省连江县下宫乡，罗源湾港区南岸，为在建的神华福建罗源湾港储电一体化项目的配套工程。工程面海背山，原设计为1 个4 万t 级、2 个5 万t 级多用途泊位， 水工结构按30 万t 级散货船设计，现已提级扩能改造为2 个30 万t 级通用散货泊位，可同时靠泊2 艘30 万t 级散货船，年设计通过能力共2668 万t。

图1 工程平面形象示意图

码头为连片式布置，总长度911 m，顶面高程+10.35 m，前沿设计底高程-24.2 m，其中790 m 采用重力式沉箱结构， 剩余121 m 为高桩梁板式结构。重力式沉箱结构采用48 件大型沉箱，CX1 型沉箱共40 件，尺寸19.66 m×20.9 m×26.7 m（长×宽×高，下 同）， 重5247 t；CX1B 型 沉 箱 尺 寸 为23.9 m×21.16 m×26.7 m，重达5334.5 t；CX2 型沉箱7 件，尺寸10.0 m×13.05 m×18.5 m，单件重1134 t。

2 水文气象条件

2.1 潮流

罗源湾位于福建省东北部， 水域总面积188.6 km2，内湾口宽仅950 m，通往湾口的可门水道宽约1.8 km、长7.2 km，是一个典型的口小腹大的港湾，周边掩护条件好波浪小。 施工区域涨潮历时较短，约5.7 h，落潮历时较长，约6.7 h。潮流的旋转性不强，基本为往复流，只在转流时有很短的旋转流性质。 涨潮流速大于落潮， 涨潮时最大流速为0.90 m/s，落潮时最大流速为0.80 m/s。

2.2 潮汐特征

港区属正规半日潮，潮位基准面为理论深度基准面，最高潮位+8.05 m；最低潮位-0.21 m；平均高潮位+6.58 m；平均低潮位+1.60 m；平均海平面+4.06 m；最大潮差7.64 m；最小潮差2.27 m；设计高水位+6.99 m（高潮累积频率10%）；设计低水位+0.64 m（低潮累积频率90%）。

2.3 风况

据连江县实测资料统计： 多年平均风速为2.2 m/s，最大风速为40 m/s，全年除了10—11 月常风向以东北风为主，其余各月常风向都是以东南及东南偏南风为主，频率13%，强风向为西北偏西，最大风速为40 m/s，全年≥7 级风日数平均31.3 d，以7 月份为最多，平均5.1 d。影响本处的台风以7—9月为最多，台风引起的最大增水为0.5～1.0 m。

3 施工水深地质及场地条件

3.1 水深地质情况

港区水深条件良好，航道具备通航30 万t 级船舶的水深条件， 码头前沿大部分水深－25 m 以上，可以满足大型船舶回转要求。 工程场地属丘陵、海湾滩涂与浅海地貌单元连接地带，场地地层按岩土性质自上而下分9 个工程地质：淤泥、淤泥质土、粘土、淤泥质土、粗砂、凝灰熔岩残积砂质粘性土、全风化凝灰熔岩、强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩。

3.2 工程场地条件

项目位于罗源湾湾内，施工水域内及周边存在大量海带、紫菜及鲍鱼养殖场；拟建码头中部区域现为山体和在用农用码头；拟建沉箱出运码头位置存在陆岛码头及农用码头等建筑物；临近4#、5# 泊位已经建成投产。

4 深厚基床施工重难点

4.1 基床深水施工， 开挖换填与整平作业难度大幅提高

工程设计最低基槽开挖标高为－61.2 m， 基床断面形式如图2 所示，基床顶标高为－24.2 m，沉箱高度高达26.7 m，设计高水位+6.99 m（全年最高水位+8.05 m）。 故基槽开挖、基床抛石时最大水深达68 m 左右，基床整平施工最大水深超过30 m。深水作业给施工带来较大挑战，对施工船机设备及人员要求高，施工难度大。

图2 基床断面示意图

4.2 基床深厚且差异大，夯实与预留沉降难以控制

码头1# 及3# 泊位两端的基槽软土开挖层厚度大，中部2# 泊位基槽炸礁量大、岩层厚，炸礁方量约26 万m3（图3）；基床前沿为软土开挖换填形成底座，后沿为炸礁形成底座（图4）。由此形成码头基床纵向呈两端厚、中间薄，最厚处37 m，最薄处1.5 m；基床横向呈外侧厚、内侧薄的特点，同一断面基床前沿厚度比后沿超过10 m。由于基床厚度相差过大，如何控制好基床差异沉降，把握好基床夯实和整平预留沉降是关键。

图3 基床纵立面厚度及土质差异分析

图4 基床横断面厚度及土质差异分析

5 基床实施过程主要对策及工艺控制

5.1 基槽开挖

工程基槽挖泥总量约为206 万m3，炸礁工程量约26 万m3。挖泥主要集中在码头东西两端，炸礁则集中在码头中部2#泊位。 在选择挖泥船时，综合考虑起重能力、卷扬机容绳量等要求，最终确定采用13 m3抓斗式挖泥船。 施工时， 抓斗船由东往西分层、分段进行开挖，炸礁船在中部区域分层进行爆破作业。 抓斗船沿码头岸线方向分段、分层、分条施工以形成流水作业。 根据施工船舶尺寸等实际数据确定分段分条等情况，分段长度约70～80 m，分层厚度以2 m 控制，分条宽约15～20 m，施工中条与条之间的搭接为2 m，段与段之间的搭接为10 m。为避免超挖与漏挖，边坡按设计要求分台阶进行开挖。炸礁施工由2000 t 升降式平台炸礁船进行水下爆破，采用13 m3和18 m3的抓斗船进行清渣， 由1000 m3驳船直接外运弃渣。 水下钻孔岩层厚度小于10 m的一次性钻至设计孔底标高（加超钻深度），超过10 m 采用分层爆破，爆破工艺采用毫秒微差延期爆破法。 针对薄基床处（8#～14#断面）的特殊情况（岩层厚、药量大、工期紧），且综合考虑总药量与单段药量的限制、基槽底台阶的形成，对此段采取分3 层的方式进行施工：第一层厚度4 m，炸清礁后，标高降至水面以上，施工不受潮水影响；第二层厚度6～8 m，单孔药量250 kg 以内；第三层厚度8～10 m，单孔药量250 kg 以内[1]。

5.2 基床抛石

抛石施工前探摸检查基槽底部，确认基槽内无含水率小于150%或重度大于12.6 kN/m3且厚度大于0.3 m 的回淤沉积物。 本次施工选用2000 t 开底驳作为抛填主要设备，局部区域需要细抛的，通过方驳进行。

由于工程所处海域潮差大（最大潮差7.64 m），且工期紧、抛石总量大，为此分别设置了高潮和低潮的石料装船码头以加快抛石进度。 由于施工水深大，涨退潮期间抛石作业经过多次验证，极易发生不同程度的石料漂移现象，因此抛石施工尽量在平潮时段进行，以减少水流对块石抛投及测深水坨的影响。 同时，施工所用石料均取自陆域后方山体爆破开采出来的规格块石，便于挑选，施工前筛取规格和质量符合设计要求的石料集中堆放，验收合格后方可运送上船。 抛基槽底部时，控制石料规格，挑选级配良好、重量靠近设计上限甚至更大规格的石料进行抛填，确保石料有效落底，保障基床质量。

5.3 基床夯实

5.3.1 夯实工艺创新优化

根据原设计，基床夯实采用爆夯工艺，在基床第一层采用爆夯工艺施工时， 即遭到当地渔民阻工，随后对爆夯施工药量进行限制（单炮50 kg），但控爆严重影响爆夯施工的质量和进度，所以爆夯施工无法继续，故而考虑将夯实工艺优化为重锤夯实。

项目基床厚度在1.5～37 m 之间，按照规范，基床锤夯每层夯实的厚度不宜大于2 m，按平均12 层计算，每100 m 段基床每层夯实时间10 d，则完成全部5 段（除薄基床外）约500 m 的基床夯实所需要的工期为：10×12×5=600 d，可见2 m 的分层厚度将导致施工进度完全无法满足要求。 而且船位频繁移动需要耗用大量的时间，从而造成施工成本显著提高，施工效率低下[1]。按照JTS167-2-2009《重力式码头设计与施工规范》，夯击能较大时，分层厚度可适当加大[3]，但由于工程施工水深大，使用过往普通夯锤施工（4～6 t），亦较难保证夯锤落点的精度及夯实效果，对施工质量不利。 项目团队本着“大质量、低落距”的原则进行工艺优化，并结合中交四航局的相关技术研究成果，本次超厚基床夯实施工采用大分层超重锤夯实工艺，取夯锤重为16.17 t，锤底面直径1.6 m， 这是迄今为止水下抛石基床夯实施工中重量最大的夯锤。 同时，基床分层夯实厚度加厚至4 m，夯锤落距为4.5 m，夯沉率按15%控制，不计阻力冲击能达357 kJ/m2，夯击能远大于规范的120 kJ/m2，能较好地保证夯实效果。 同时，为最大限度地减少能量损失，减小水的阻力，防止“倒锤”的发生，夯锤设计成圆台型，底部为圆角，在垂直方向设置4 个纵贯泄水孔。

5.3.2 工艺试验验证

因该工艺尚属技术创新，中交四航局科研课题《深水码头厚基床密实关键技术研究》 在本项目实施了现场验证工作。 根据压阻式压力传感器工作原理，由于水深代表了水压强，若传感器周围压强（或压力）有变化，能从传感器的读数中反映出来。 根据这一原理，将传感器放入密封装有液体、可自由压缩的容器中，如图5 所示。 该软气囊能敏锐传递压强变化， 装置上下用薄钢板进行保护和平衡受力，当软气囊中的液体受到挤压时，气囊内液体的压强产生变化，其里面的传感器能感受到压力变化，通过监测容器内压强增量情况换算夯击力大小[1]。通过该试验，测量不同夯击能、不同分层厚度、不同水深情况下的基底附加压力，验证了大分层超重锤夯实工艺的作用效果。

图5 试验实施方式示意图

5.3.3 工艺实施及效果

锤夯船采用经过改造的6 m3抓斗式挖泥船，起重机采用单根钢丝直接起吊夯锤进行锤夯，单钢丝起重力可达20 t 以上，夯锤实物如图6 所示。 夯实范围按照规范的规定进行，基床顶层前沿部分按沉箱底宽加宽2 m、后沿部分加宽1 m，基床顶面以下各层按照应力扩散线各边加宽3 m 的范围进行夯实（图7）。

图6 夯锤实物图

图7 基床重锤夯实分层示意图

施工后期，项目委托潜水公司对重锤夯实后的基床进行水下探摸检查并进行水下摄像。 根据水下摄像情况，重锤夯实后的基床表面基本拼装，块石的紧密程度较好， 块石的大小基本在30～50 cm 左右，未发现缺损、坑洞等明显异常。 整体平均夯沉率为15.2%，分层最小夯沉率为15.04%，分层最大夯沉率为15.41%，较为均匀，证明夯实效果良好[2]。 功效方面，单排夯实时间在2～3 min，20 排/h，有效夯实面积达到80 m2，按照一天施工16 h 计算，单天可夯实面积1280 m2，因需夯2 遍，故折算后每天可完成夯实面积640 m2，即夯实量为2560 m3，如船机性能较好，则可全天候进行施工，施工工效将更高[2]。在项目工期紧，无法实施爆夯施工的情况下，通过采用大分层超重锤夯实法加固码头基床，达到预期效果，施工效率已经越来越接近爆夯施工的效率，再一次印证了该工艺在码头基床中的应用是成功的，并逐步走向成熟，进一步明确了抛石基床大分层超重锤夯实施工技术在重力式码头工程中的应用方向，为码头建设施工提供了良好的借鉴。 该工艺优化，项目技术团队以《深水厚抛石基床大分层重锤夯实关键技术研究》为课题申报，获评中国水运建设行业协会科学技术奖二等奖（证书编号：SD 16-2-4-01）。

5.4 基床整平

大水深下的整平施工对潜水员要求高，也加大了测量控制及石料下放定位的施工难度。 施工时，在基于成本考量及大型现代化整平工作船还未普遍铺开使用的前提下，采用传统潜水员水下作业的工艺对基床进行整平。 潜水员着重潜装备施工，整平石料由钢筋笼精确定位下放，特制大重量的测砣替代测杆用以测量控制。 在预留倒坡控制方面，基床纵横向厚度相差过大，依据过往工程经验及多方研讨结果，施工时根据基床厚度变化情况，将设计1%的倒坡按1%～1.5%控制，优化为厚基床倒坡，薄基床倒坡为0.8%， 这样使得倒坡随着基床厚度变化而逐渐平缓过渡。

5.4.1 筹备期的各细节优化

项目沿用传统潜水员水下作业的工艺对基床进行整平施工的主要船机设备有： 采用500 t 方驳作为整平工作船；400 t 平板驳作为细平材料二片石的运输船； 整平工作船上配备CAT320 挖掘机辅助施工；考虑深水作业的安全性，取消了传统水下分级自然减压的方式， 船上配备专业L5 甲板减压仓1 套，并有专业潜水医生操作使用；工作船边沿设抛填二片石的钢筋笼及其移动的浮排，主要装备如图8 所示。

图8 施工装备示意图

由于本次潜水作业水深大，对潜水员及整平质量控制水平提出了更高的要求和挑战。 为此，施工前对具体实施细节进行了优化，具体如下：（1）优化石料来源渠道，稳妥保障整平二片石质量。 二片石对整平施工质量及后期码头沉降控制均起到不可忽略的作用，为确保石料质量稳妥可靠，经项目技术团队研讨，并得到建设单位的大力支持和协调，二片石取自陆域后方碎石加工场，采用圆锥破碎机第一道破碎振筛工序产出的规格块石，块石粒径优良，含泥量低。 项目所处区域陆域后方大规模开山取石，碎石生产线布设多套，同样有力的保障了二片石的供应。 （2）优化测量控制，提高测控便捷性和精度。 整平船通过船上GPS 定位系统进行定位，钢轨安放及基床验收采用全站仪加测砣进行控制。 由于施工水深大， 采用传统的测杆太重太长难以操作，因此改用测砣进行测量，测砣采用ϕ6 mm 钢丝绳与船上特制滑道连接， 测砣底部焊接30 cm×30 cm×2 cm 钢板，通过涨退潮现场试验以确定测砣重量适中且能够保证钢丝绳锤直 （测砣重量约25 kg）。在钢丝绳另一端设置配重以拉直钢丝绳，操作时通过滑道沿船头船尾移动测砣， 方便省力，主要测控辅助工具如图9 所示。 钢丝绳在使用过程中需勤复核丈量，避免因钢丝绳的变形伸长而造成读数不准，发生变形的钢丝绳须及时替换。 测量尽量趁低平潮时进行以减少水深的影响。 （3）优化整平钢轨及刮耙，提高水下操作便捷性。 此次基床整平施工宽度21.9 m，布设3 道钢轨，间距11 m。 为提高着重潜装备的潜水员在水下的作业效率，方便施工，减轻搬挪材料的重量，整平钢轨材料由槽钢[12对抱焊接优化为直径ϕ135 mm、单根长6 m 的镀锌钢管，底部焊接钢板坐落于支墩上。 支墩由袋装碎石 铺 平， 碎 石 面 摆 放25 cm×25 cm×10 cm 和20 cm×20 cm×5 cm 的2 种规格的预制砼垫块，钢轨放在垫块上，主要辅材如图10 所示。 由于2 道钢轨间距较长（沿基床轴线方向布设，共布设3 条，间距11 m），刮耙材料采用长度14 m，直径ϕ150 mm 的镀锌钢管，钢管对接位置焊接3 道纵向钢筋进行补强。 但由于在施工中出现因钢管太长刚性不够而导致钢管中部向下弯曲，弯曲的位置整平出的基床标高不能通过验收要求。 为此对刮耙进行改造，采用ϕ14 mm 与ϕ18 mm 钢筋在钢管上部焊接1 道加劲桁架以增强刮耙整体刚性，并在钢管内部填充塑料泡沫加大浮力用以减轻刮耙整体重量。

图9 测量辅助设备

图10 钢轨及刮耙等辅助材料

5.4.2 细调不同土质区段的预留倒坡控制

基床设计倒坡为1%，但基床厚薄相差较大，将出现沉降不均匀的问题，需视基床厚度与土质情况调整预留沉降量。 根据过往工程基床整平施工经验，经项目各方详细研讨，对基床顶面预留沉降量及倒坡进行调整，并按表1 进行控制。

表1 基床顶面标高及倒坡控制表

5.4.3 整平过程关键控制因素

（1）前期施工中，局部成片较低区域需补抛，作业人员为追求进度多次乘平潮，指挥挖机散抛二片石到指定区域。 但随后检查发现只有少数石料落至指定区域，其余均漂出1～2 个沉箱位之远，造成已整平好的基床超高了。 通过这种教训也验证了深水下基床整平补抛石只能通过钢筋笼对石料进行定点抛填，且钢筋笼箍筋间距须结合二片石粒径进行必要的加密。 （2）须勤复测刚轨标高，深水下的钢轨时常因各种原因影响，存在倒塌、偏位、沉降等现象，随之造成整平验收数据偏离较大，带来不必要的返工和工期延误。 （3）验收时，在偏差允许范围内，数据应能反映出整体基床向码头中部略微倾斜靠拢的趋势，这样能够使随后安装的沉箱之间缝隙小呈紧挨的态势。 由于码头两端区域开挖深、抛石层厚，存在后期沉降大的风险，验收时基床纵横向倾斜度满足要求但整体基床标高略高，可适当放宽验收标准。 （4）在验收程序上，按照规范要求是在1个横断面的前轨、中轨及后轨合计测4 个点，作业人员时常会存在投机取巧的现象，即在测点的位置石料补填饱满能够满足要求，但其他区域就间隔投放石料造成基床不饱满。 验收时应随机多抽检几个区域以杜绝作业人员这种偷工现象，保证基床整平的饱满质量。

5.5 水下各工序衔接经验

（1）整平施工期间，基床夯实工序同时进行，由于夯实施工采用了超重锤作业，根据以往经验及潜水员水下的切身体验，整平及锤夯2 个工作面最少应错开150 m 以上，以防锤夯时冲击波对潜水员身体造成不利影响。 受限于此，应做好现场施工调度，确保2 个工作面都能同时开展，同时岸上山体爆破施工冲击波也会对潜水员造成影响，应与各方做好沟通，爆破前提前通知潜水员离开水下。 （2）受场地条件限制（岸上沉箱堆放区1 次只够堆放约25 件沉箱）及沉箱安装用的8000 t 半潜驳高昂的船机费用，计划半潜驳分2 次进场来完成所有安装工作以控制船机成本，即1 次进场安装约25 件。 但由于工序搭接上的偏差，整平施工进度偏慢，而大型半潜驳早已定下进场的施工日期，半潜驳进场后仍有大半基床未能整平完成。 鉴于以上情况，安排部分沉箱寄存至已锤夯过的基床上，与已整平完成的基床距离约4 个沉箱位（80 m 左右），这样在后续的整平施工中，可安排整平船于该“空隙”内进行作业。 整平完成后通过沉箱拖轮将寄存的沉箱抽水上浮，横移至已整平好的基床上，随后整平船可再次穿插至未整平的基床上继续作业，直至全部完成，现场工序安排如图11 所示。 沉箱寄存区域基床受到沉箱自重的预压，可一定程度提高基床密实度并减少后期沉降， 且寄存的沉箱横移前可趁低潮对沉箱顶4个边角进行测量，提前了解基床的高差情况，指导下一步的整平施工。

图11 水上各工序施工安排

6 效果评价

根据后期监测数据分析码头的沉降、位移变形情况：大部分沉箱在箱内回填期间沉降量较接近，符合一般性沉降规律，最后逐渐趋于平缓。 沉降在回填完成后1～2 个月内完成， 回填期间沉降量最大，回填完成后又逐渐稳定，均在100～160 mm 之间。 其中，沉箱累计最大沉降为厚基床处的2#沉箱25.9 cm，沉降量与基床厚度比例不足1%，验证了经过超重锤夯实后的基床密实性较好，达到了夯实效果，厚基床区域较薄基床沉降量大，整平施工分不同厚度基床预留的20～30 cm 沉降量及倒坡能够满足沉降需求。

沉箱内回填块石先填前仓或后仓造成的前沿和后沿不均匀沉降会引起沉箱顶部位移。 总体来看，沉箱有向前位移的趋势，这也符合重力式码头受墙后回填挤压沉箱向前位移这一特点，回填完成后又逐渐趋于稳定，说明沉箱的位移已经逐渐进入稳定阶段。 工程累计最大位移为42#沉箱20.5 cm，沉箱安装施工中预留的20～25 cm 位移预留量同样能满足需求[1]。

7 结语

（1）现行的抛石基床锤夯施工规范中，基床分层厚度仅为2 m 1 层，施工效率低下，尤其在深水、厚基床的工况下，因其夯锤轻、船舶尺寸小，施工质量、进度均不能得到很好的保证。 采用大分层超重锤的施工工艺，不仅有效保证基床夯实效果，在工效、环保等方面也具有优势，值得推广和借鉴。 （2）项目3 个泊位同时动工，工作面较宽。 施工组织时，应合理划分施工段落， 各施工工序形成良性循环，避免施工干扰。 超重锤锤夯与整平施工错开距离的确定，需做好沟通安排以保证潜水安全；在整平施工进度容易出现滞后的情况下，应及时做好沉箱临时寄放的措施，避免船机窝工，在不利的条件下改善局面；重潜施工应尽量配备专业减压仓及潜水医生以避免潜水员长时间水下自然减压所存在的其他风险。 （3）在类似工程中，存在基床厚度厚薄不均匀且相差较大的项目时，应结合经验，多研究讨论以确定合适的倒坡及预留沉降。 该项目在后续施工及持续的测量观测中，验证了预留的倒坡及沉降是可行的，能够满足质量要求。 （4）在可预见的未来较长一段时间内，潜水员下水整平这一传统工艺仍将继续沿用，该项目的基床整平作业水深已基本达到重力式码头的峰值，本文所述细节，希望能为类似工程提供一些参考。