21灘海低樁承臺逆施筑島工法

1、灘海低樁承臺逆施筑島工法(9318工字03號)鐵道部第十八工程局三處 褚延芳一、前言天津大港油田張巨河先導(dǎo)性試驗(yàn)人工島，是為開發(fā)該海域的油氣資源而設(shè)立的試驗(yàn)項(xiàng)目。該島位于張巨河灘涂上，距海岸4.12km，海圖水深0m。該海域是海床極為平緩的潮間帶，淤泥厚，無航道，潮差大，風(fēng)暴潮頻率高，冬季堆冰嚴(yán)重，回淤快。在這種條件下修筑人工島，開辟施工場地很困難，材料、機(jī)具無處置放，供料運(yùn)輸全無航道，每天還要受兩次海潮的沖擊，故施工難度非常大。為此，我局與中船總九院、河海大學(xué)、天津大學(xué)等單位協(xié)作，共同攻關(guān)，開發(fā)制定了大直徑雙壁鋼沉井式環(huán)狀低樁承臺、臺樁逆作的施工技術(shù)、大直徑雙壁鋼沉井均衡下沉工藝、流塑狀淤泥

2、中灌注樁的成樁工藝、臺樁逆作樁群同時加載工藝；采用了散料小容量料斗集中、平舶乘潮航運(yùn)、落灘吊卸的供料方式；研制了無纜塔架吊升扒桿。從而解決了上述施工難題，較為順利地建成了人工島。本項(xiàng)目的施工方案和施工工藝，于1992年5月通過了中國石油天然氣總公司組織的專家評審，10月通過鑒定，并獲得中國鐵道建筑總公司科技進(jìn)步二等獎。二、原理及關(guān)鍵技術(shù)島址所處的灘海潮間帶，落潮后無水，海床為厚度很大的流塑狀淤泥，漲潮后最大水深可達(dá)6m。為使施工人員和機(jī)械獲得作業(yè)平臺，人工島的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成低樁承臺結(jié)構(gòu)，參照沉井和鋼圍堰(囹)的施工原理，將承臺筑成內(nèi)徑60.0m，外徑63.6m，底厚1.0m的刃腳封閉式雙壁鋼沉井，

3、內(nèi)、外壁間凈距接近1.8m，沿圓環(huán)均勻布設(shè)36根直徑為1.4m的打樁孔，樁孔之間用鋼板隔開，圓環(huán)內(nèi)用桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，桁架頂面用鋼板封閉構(gòu)成作業(yè)平臺。沉井結(jié)構(gòu)在海岸用船舶建造方法焊接成型，在封閉的井筒平臺上安裝發(fā)電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等，用氣墊方法將鋼沉井墊起，在退潮時將其拖至島位。這樣，雙壁鋼沉井便成了島的環(huán)形承臺的模板，井筒封閉平臺便成了作業(yè)場地，沉井外壁便成了擋浪設(shè)施。之后，便可按以下程序施作承臺和樁：向36個間隔艙注水置換灌注水下混凝土使鋼沉井均勻下沉在36個樁孔位置鉆孔灌筑樁對36根樁同時加載灌筑上部環(huán)形承臺。本方案的關(guān)鍵技術(shù)有：1.大直徑雙壁鋼沉井均衡下沉工藝；2.流塑狀淤泥中灌注樁的成孔成樁工

4、藝；3.樁群同時加載工藝。三、工法特點(diǎn)1.本工法采用大直徑雙壁鋼沉井式環(huán)狀低樁承臺臺樁逆作(即先作部分平臺再作鉆孔樁)的筑島施工方案，將鋼沉井穩(wěn)定在島位，從而克服了潮汐、風(fēng)浪的影響。2.采用UWB水下不分散混凝土置換灌注工藝，使鋼沉井加載均勻、內(nèi)外壓力平衡，從而保證了沉井在淤泥中均勻沉降。3.采用了靜壓深護(hù)筒、高粘度護(hù)壁泥漿和旋轉(zhuǎn)噴頭泥漿管清孔等成孔成樁工藝，拓寬了鉆孔灌注樁基礎(chǔ)在海工工程中的應(yīng)用范圍，解決了在流塑狀海灘淤泥中鉆孔樁縮頸、塌孔等技術(shù)難題。4.樁群同時加載工藝，使臺樁逆作完成低樁承臺的結(jié)構(gòu)組合。5.本工法參照坦克登陸的原理，將大宗砂、石料采用小容量斗集裝，以平舶乘海潮航運(yùn)到島位。

5、碼頭裝斗、島上吊卸快捷方便且無散落。無浪風(fēng)繩塔架扒桿與鋼沉井聯(lián)成一體，與其一起被施至島位，省去了安裝和運(yùn)輸環(huán)節(jié)。圖1 總體工藝流程圖四、適用范圍本工法適用于建造灘海區(qū)油氣勘探人工島工程、碼頭棧橋棧道工程、導(dǎo)航燈塔等設(shè)在灘涂的各種建筑物，也適用于極軟地層的灌注樁和沉井施工。五、施工工藝總體工藝流程見圖1。操作要點(diǎn)如下：(一)注水鋼沉井準(zhǔn)確到位后，破頂放氣落灘，同時向36個間隔倉內(nèi)注水加載，使刃腳迅速入泥，水注滿后沉井下沉1.7m，即可保證漲潮時不漂移。(二)置換灌注水下混凝土以沉井井筒封閉平臺作為堆料和作業(yè)場地(見圖2)，向各間隔倉灌注混凝土。為防止因抽水造成間隔倉內(nèi)外壓力不平衡，我們采用灌注水

6、下混凝土將倉內(nèi)的水置換出去。為提高施工進(jìn)度，我們在混凝土中摻加了UWB型絮凝劑，這種絮凝劑改善了混凝土的和易性和流動性，在水中不分散，故灌注時無需用導(dǎo)管。施工時要注意作業(yè)平臺上料、機(jī)具布置平衡(見圖3)，灌注混凝土要對稱。36個間隔倉灌完混凝土，沉井則完成了第二階段下沉。 (三)沉井穩(wěn)定下沉設(shè)計(jì)要求沉井下沉的速度小于0.2mm/h，整體傾斜不得超過1/200。當(dāng)間隔倉全部灌滿混凝土后，實(shí)測日下沉量為3mm，徑向最大高差為16mm，滿足穩(wěn)定條件，可鉆孔筑樁。(四)靜壓鋼護(hù)筒入土鋼護(hù)筒系用10mm厚的鋼板制成，直徑為1.3m，長3.0m。其施工程序?yàn)椋涸跇段汇@直徑1.2m，深3.0m的導(dǎo)孔，移開鉆

7、機(jī)，用千斤頂將護(hù)筒對準(zhǔn)導(dǎo)孔以靜壓入土，深度至少要達(dá)到刃腳下2.6m(以穿過淤泥層和粉土層為度，目的是避免坍孔或縮頸)。由于采用的是靜壓，所以使鋼護(hù)筒外壁與地層間的摩阻得以保持，護(hù)筒則增強(qiáng)了樁身上部抵御波浪沖擊力的能力。(五)成孔鉆孔采用正循環(huán)潛水鉆機(jī)，這主要是考慮到這種鉆機(jī)輕便，適于粘土地層鉆孔。護(hù)壁使用高粘度泥漿，泥漿用膨潤土摻加CMC(增粘)、FCL(分散)配制而成，其性能見表1。(六)防止沉碴鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，鉆機(jī)提起鉆頭和泥漿管，孔內(nèi)泥漿失去循環(huán)條件而造成浮渣下沉，影響后續(xù)工序和成樁質(zhì)量，為解決這一問題，我們特制了一個丁字型旋轉(zhuǎn)泥漿噴射管(見圖5)，提鉆后立即將其下到孔底，噴漿推動泥漿

8、管旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動孔內(nèi)泥漿成渦流上下循環(huán)，使浮渣不得下沉，開始灌注混凝土?xí)r將其提出。(七)群樁同時加載 表1 泥漿性能36根鉆孔灌注樁完成后，由于未灌樁頂部位混凝土(見圖6中的)故沒承受沉井重量，沉井仍在緩緩下沉。為了使36根樁能同時承載，我們在鋼壁豎向加勁板上安裝了樁頂鋼支墩扁擔(dān)梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)支墩安裝所需時間和沉井下沉的速度，將支墩與樁頂之間留出空隙，支墩結(jié)構(gòu)全部安裝完畢，再調(diào)整預(yù)留空隙使之一致，待沉井繼續(xù)下沉，支墩結(jié)構(gòu)便可同時全部落在樁頂上，此時，沉井重量便均勻地分散到各個樁上，鋼沉井第三階段沉降完成，沉降停止。隨即用硫鋁酸鹽快硬水泥混凝土灌注圖6中的、部分。 圖6 島壁和灌注樁剖面展開圖六、機(jī)具

9、設(shè)備本工法的主要機(jī)具設(shè)備見表2。 表2 主要機(jī)具、設(shè)備七、勞動組織本工法勞力組織見表3。 表3 勞力組織八、安全措施由于是在灘海潮間帶的惡劣條件下施工，故作業(yè)時除遵守常規(guī)的鋼筋混凝土、鉆孔灌注樁和起重吊裝等安全操作規(guī)程外，還應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：1.向國家海洋信息中心索取施工期間的當(dāng)?shù)爻毕?，?jù)之安排供料和人員上下島時間；2.每日向氣象臺詢問次日的氣象預(yù)報(bào)和海浪信息，據(jù)之安排施工和采取相應(yīng)防護(hù)措施；3.作業(yè)時必須有安全監(jiān)護(hù)船守候，保障島上施工人員能隨時安全下島；4.必須設(shè)有暢通的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，確保覆蓋全體作業(yè)人員和島、陸、船互通；5.島上、船上配備救生橡皮艇，以備個別漏乘人員使用；6.漲潮時嚴(yán)禁作業(yè)

10、人員下海游泳，落潮時嚴(yán)禁涉灘；7.上島人員必須穿橙色防護(hù)服。九、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制(一)采用的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.交通部：港口工程技術(shù)規(guī)范(1987年)；2.交通部：公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ02485)；3.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范；4.船舶檢驗(yàn)局：海上固定平臺入級與建造規(guī)范(1984年)；5.交通部：港口工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn))(JTJ24289)。(二)質(zhì)量檢查與控制本工法除鋼筋混凝土施工按常規(guī)進(jìn)行質(zhì)量控制、檢查和試驗(yàn)外，必須重點(diǎn)監(jiān)控鋼沉井的沉降和鉆孔樁的質(zhì)量，控制和檢查要點(diǎn)如下：1.對島壁鋼模沉井的沉降情況進(jìn)行全過程全方位監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)偏斜須及時糾正(糾正方法是調(diào)整加載部位)，以確保其整體偏斜率

11、不大于1%，徑向高差不超過100cm。2.鉆孔樁質(zhì)量控制(1)因樁尖持力層的粉砂層太薄，故有必要在開鉆前進(jìn)行地質(zhì)靜探，以確定合適的樁尖標(biāo)高；(2)靜壓樁頂護(hù)筒下口距刃腳須大于2.6m，且必須穿過粉土層(標(biāo)高-3.4-4.8m)，確保鉆孔孔口不坍塌；(3)開鉆前需檢查泥漿的技術(shù)指標(biāo)，確保泥漿有很好的護(hù)壁功能；(4)下鋼筋籠的時間不得超過30min；且需用旋轉(zhuǎn)噴頭使泥漿循環(huán)，以免浮渣沉淀；(5)成樁后進(jìn)行無損探測和試壓，確認(rèn)樁身混凝土質(zhì)量和單樁承載能力。十、效益分析在距岸4km的潮間帶上構(gòu)筑人工島，采取筑壩圍海的辦法顯然是不經(jīng)濟(jì)的，本工法的開發(fā)為沿海灘涂油氣勘探闖出了一條新路，施工對附近海域沒有任

12、何污染，我們所修筑的張巨河多項(xiàng)目先導(dǎo)性試驗(yàn)人工島，被中國石油天然氣總公司領(lǐng)導(dǎo)譽(yù)為“中華第一人工島”，社會效益是十分顯著的。本工法開發(fā)的小斗集中平駁運(yùn)輸和塔架吊桿吊卸工藝，較原設(shè)計(jì)的碼頭上料深海運(yùn)輸?shù)墓┝戏绞焦?jié)省費(fèi)用50%，鉆孔灌注樁比原設(shè)計(jì)的打入式鋼筒樁的單樁成本降低30%，僅不用浮吊打樁船一項(xiàng)就可節(jié)省調(diào)運(yùn)費(fèi)80萬元。十一、工程實(shí)例大港油田張巨河多項(xiàng)目先導(dǎo)性試驗(yàn)人工島工程，是本工法開發(fā)的實(shí)施工程，其施工情況前已述及，本章只介紹其質(zhì)量情況。 1.大直徑雙壁鋼沉井下沉情況(見圖7)。2.鉆孔灌注樁施工情況：鉆孔深度最大誤差小于0.3m，沉渣厚度小于0.15m，水下混凝土充盈系數(shù)為1.13，成樁全數(shù)動測結(jié)果