土层间钙质结核物破碎工艺设计与施工

摘要：桶式基础结构是一种采用负压下沉的安装工艺，在下沉过程中会遇到地质中的硬土夹层或不规则零星分布的钙质结核物，需要对此进行处理。本文主要介绍一种新型单桶多仓基础结构负压下沉障碍物或夹层的破碎工艺，包括破碎方案的设计，施工的控制，为类似工程的设计施工提供了很好的借鉴。

关键词：桶式基础；钙核；破碎；设计；施工

中图分类号：U656.35文献标识码：A文章编号：1006—7973（2016）02-0060-03

1工程概况

连云港港徐圩港区防波堤直立式结构东西两堤总长8200m，防波堤主体结构由390组桶式基础结构组成，桶式基础结构需要穿过淤泥层并沉入粉质粘土层1.5m～2m形成堤身结构。

物探证实下沉土层的粘土层顶板附近存在强度较高的钙质结核物（30～40Mpa），钙质结核物的存在对桶体下沉构成了实质性障碍，不利于桶体的纠偏。根据地质资料探明分布范围较大的且成片钙核区域有29处[2]，未查明的其它区域也存在局部钙质结核物，因此需要就整个施工区域的地质异常情况提出处理措施。

2地质分析

根据《连云港港徐圩港区防波堤工程岩土工程勘察报告（施工图设计阶段）》，勘察地层均为第四系海相沉积物和冲洪积物，场地地层自上而下可以分为：

（1）全新统海相沉积（Q4m）：由淤泥组成，流塑，压缩性极高，工程地质性能极差。

（2）全新统冲积层（Q4al）：岩性为粘土、粉质粘土，可塑，工程地质条件一般。

（3）上更新统冲洪积层（Q3al+pl）：岩性为可～硬塑粘土、粉质粘土，夹少量砂土，中密局部密实粉砂、中砂，该层工程地质条件较好。

土层主要由淤泥、粘性土、砂性土组成。其中关系桶体下沉的土层包括：

层淤泥：灰色，流塑，滑腻，含少量贝壳残片，局部夹粉砂薄层，层顶局部分布薄层流泥，层底夹薄层淤泥质土。场区普遍分布，厚度：5.20-17.80m，平均10.24m；物理力学指标推荐值W=65%，γ=15.8kN/m3，Es=1.60MPa，不固结不排水剪Cuu=4.42KPa，φuu=1.67°。该层为本场地特殊性土层，具高压缩性，高触变性，高含水量。

层粉质粘土：黄褐色～灰黄色，可塑，局部含铁锰质氧化物，夹粉土、粉砂薄层，与淤泥底板交界处多夹厚10～20cm直径，0.5～1cm钙核，最大钙核直径3cm，切面较光滑，韧性及干强度中等。场区普遍分布，厚度：0.50-10.30m，平均4.31m；层底标高：-23.50～-12.42m，平均-18.51m；层底埋深：7.40-20.00m，平均14.88m。物理力学指标推荐值W=26.0%，γ= 19.3kN/m3，直剪C=38.0kPa，Φ=11.0°。该层压缩性中等，工程地质性质一般。

在淤泥层和粉质粘土层之间普遍存在钙质结核物，结核物或零散分部，或成片分布，两堤通过物探检测异常区或钙核成片分布有29处。

3方案设计

由于桶体需要平衡的穿越钙核夹层，因此需要对影响桶体下沉的部位进行处理。土层钙核障碍物夹层虽然通过物探知道大致位置，现在的检测手段还不能精确探明位置，因此要在直立堤安装桶体的区域内都要对钙核障碍物进行探测与破碎，确体桶体能够通过自重及负压下沉到位。

3.1方案设计比选

（1）水下深层爆破：使用水上爆破船深层定位插药包，通过爆炸将钙核粉碎。

优点：处理速度快，处理效果较好。

缺点：对海洋环境破坏较大，对下沉土体产生了扰动，影响桶体使用的稳定性。

（2）桶壁埋设管道水冲：在桶体安装下沉时，在沉入淤泥的外墙及隔墙上埋设钢管，通过高压气体或高压水将钙核击碎。

优点：可以根据桶体下沉情况，可以选择性地对钙核障碍物进行清除，

缺点：工序复杂，成片钙核可能无法击碎；桶体下沉过程中由于上下通水或气，负压难以形成；对下沉土体有一定的扰动。

（3）振动破碎工艺：通过外部振动将钙核破碎。

优点：处理效果明显，独立施工对安装不造成干扰

缺点：点位施工，施工速度慢。

通过三种方案比选，采用第三种方案，确保负压施工与桶体安装使用满足设计受力要求。

3.2振动破碎方案设计

3.2.1振动破碎工艺设计

振动破碎采用振动锤锤击带有特制的钢桩尖钢管进行定点破碎。为提高施工效率，振动施工船选用三管砂桩船进行打设破碎。该船配置3套135#振动锤，锤重7.2吨，同时可打设3根沉管。

钙核处理桩尖的设计充分考虑无掩蔽海域船舶沉桩不可避免的桩位偏差，桩尖投影外形设计成矩形，中间为钢板格栅，沿长轴向长度1.8m，垂直长轴向长度1.1m，以确保桩心平面偏差不超过300mm垂直度偏差不超过3‰时，桶壁及隔墙沉落在震解区域。

桩尖宽度理论计算：桶壁厚300mm+偏差300mm×2+垂直度偏差3‰×24m=907.2mm；

桩尖长度理论计算：按桩心距1.7m考虑，1.7m+垂直度偏差3‰×24m=1.772m。因此，桩尖投影按1.8m×1.1m设计，可以满足桩位偏差要求。

3.2.2打设点位及标高设计

根据打桩的能力与施工效率要求，桩的点位间距为沿桶体底部的轮廓线及仓格轴线方向1.7m。当桩尖打设到淤泥层底表面标高下1m即可。

4钙核处理施工控制

4.1工艺流程

4.2测量控制

平面控制采用不受天气影响、全天候作业的“海工工程远距离GPS沉桩定位系统”进行桩位。施工前将拟处理区的设计桩心坐标、输入接收机内，利用放释功能进行定位，在显示器上显示实时桩位数据图形同时也显示设计沉设桩位、偏差值，实现GPS信号在控制屏幕上平稳真实的反映，用以指挥准确对准拟施工桩位。

桩位数据录入后，屏幕显示的桩位如下图所示：

由于本项目振动沉管施工完成后，无法对施工后的桩位进行复测校核，施工过程中的桩位控制及记录数据将做为验收对象。为避免偶然操作失误或人为偏差导致漏打或打偏，本项目采用了2套GPS定位系统，2个桩位显示屏，两组独立的测量记录人员，互相校核，并以桩尖到达底标高的时点显示的桩心坐标为依据，实时绘制桩尖实际覆盖区域图。在一个桶式基础结构区处理完成后，将绘制的覆盖区域图与设计桶式基础结构桶壁隔墙投影图进行重叠校核，如有未覆盖到的区域，将进行补打处理。

施工前，测量施工员要精确计算出每个桶式基础结构的中心设计坐标及每个桶式基础结构的桩位坐标。并予以校核。4.3振动沉管桩施工

施工船舶配置4个以上的5吨锚。进入施工现场，先用船上的GPS大致定位抛锚，再用2套GPS定位系统进行精准定位。根据潮流情况船舶驻位应尽可能避免横流。最终要求是驳船在施工时要平稳。施工船先抛成八字开锚。根据海况及施工情况，再确定是否补加锚缆，稳住船舶。

桩架的垂直度主要依靠船舱压载水来调节，通过桩架上的重锤角度仪确认，GPS指挥移船至计算桩位与实际桩位重合后开始下桩、压桩入土，再次核对计算桩位与实际桩位，误差在允许范围后开启振动锤沉桩。现场指挥用对讲机确认堤根水尺显示的实时水位并换算桩尖深度，指挥沉管振动下沉，记录员观测记录桩管刻度、对应的电流值及各类异常情况。桩尖到位后记录此时的实际桩位。振动拔管，完成一个桩位的钙核处理。移船重复上述步骤处理下一个桩位。

5施工主要事项

由于夹层及障碍物的特殊性及改造船舶费用较大，在工艺设计完成后首先实施了工艺验证试验，验证成功后用该工艺进行船机改造及工程施工。

船舶定位是工程关键，选用气象条件较好的天气施工。

由于地质特殊性该工艺能较好的满足大部分钙核的处理，当遇到特殊障碍物难以清除时需要换装尖头或平面桩尖进行特殊处理。

根据地质资料在钙核没有成片分部的区域可以进行初步试探，试探与地质吻合后在资料上无钙核区域可不进行连续处理，加快施工速度。

在遇到成片钙核或障碍物时进行加密处理。

6结束语

（1）采用专用船舶处理钙质结核物提前实施，船舶驻位远离了安装和接高区域，具有独立性与其他工序无干扰。

（2）在物探反射区曾遇到成片分布的钙质结核物，本工艺实施了连续处理，处理后桶式结构下沉顺利下沉到位。

（3）在物探非反射区后期实际施工中采用了间隔初步试打查勘，查勘没有成片分布时则实施下一个桶式结构位置的查勘，发现连续分布再行密集处理，该调整大大提高了施工效率。

（4）为该工艺设计的多种桩头满足了不同地质条件下施工的需要，同样提高了施工效率和效果。

目前在码头、桥梁、防波堤、船坞等工程中采用了多筒组合或单桶多仓的插入式桶式基础结构，该类结构是采用混凝土、钢筋混凝土、钢结构等材料制作的，该类结构无底有盖，通过仓内冲气进行浮游运输，利用自重、水压力和排气、排水形成的负压沉入土中。在下沉过程中当遇到土体中坚硬夹层时依靠上述力量无法穿过，当局部遇到土中的坚硬障碍物体时会产生倾斜并阻碍插入式结构进一步下沉。本工艺采用船舶、桩架、桩管和振动锤系统，配置桩管，安装测量系统进行精确定位和导向。通过振动锤带动桩管向下振沉，破碎桩尖在锤击力的作用下将土层中的坚硬夹层、坚硬障碍物等破碎或挤出，成功的解决了自沉或负压下沉插入式结构遇到坚硬障碍物无法进入的问题，破除自沉或负压下沉插入式结构遇到的障碍，拓宽了该类结构应用的地质条件。

参考文献：

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司，连云港港东西直立堤设计图及设计说明[R]，2014.2，GJ-2011-0256

[2]上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，连云港港徐圩港区防波堤工程水上物探工作成果报告[R]，2012.7.28， 2012-W-036

[3]江苏连云港地质工程勘查院，连云港港徐圩港区防波堤工程岩土工程勘察报告[R]，2011.4，2010-K-166

[4]郑铁民，秦蕴珊.黄东海浅水区海底钙质结核及其成因的研究[J]，沉积学报，1986，4（02）：47-57.

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