(中交二航局第一工程有限公司，湖北武汉，430000)
摘要：本文主要介绍了重力式方块码头薄基床抛石、夯实、整平施工技术。重点讲述了在6#泊位黏性土加宽段处结合已沉钢护筒采取的分层抛夯施工方法。对夯船作业时的锚缆是否影响钢护筒进行了分析验算，并成功地将国内抛石冲距公式在本地区进行了应用。
关键词：基床；抛石；夯实；整平
前言
沙特Ras Al Khair 港5、6#泊位项目位于沙特东侧海岸线的Ras Al Khair半岛，距沙特境内现有Jubal商业港约80km，地处港池北侧，沿9#围堤东西方向布置，呈顺岸式，为两座7万吨级的散、杂货重力式码头。该项目是扎瓦尔工业城建设的一部分，主要是为了满足沙特矿业公司目前和未来铝厂以及相关工业区的产品进出口需要。
1概述
1.1概况
本工程地基为非岩石地基，设计基础为水下抛石暗基床，墙身结构为卸荷板式实心小方块。基床总长625.52m，按照地质构造和断面尺寸的不同，分为常规段和加宽段两种。其中，513.52m的常规段基床底标高：▽-18.5m，顶标高：▽-16.5m，顶宽22.2m，底宽15.2m，南侧坡比1：1.5，北侧坡比1：2。6#泊位B604-B608 四个结构段112m因地基承载力不足，需扩大基础，底标高：▽-20m，顶标高：▽-16.5m，顶宽31.2m，底宽18.95m，坡比同上。断面结构见图1、图2。
1.2自然情况
沙特的热带和亚热带沙漠气候反映了该国的一般气候情况。四季度多为季风，风向主要以西北风为主。夏天长，炎热，最高温度达55℃。干燥、少雨易产生沙尘暴。冬天短，凉爽偶尔降雨。年平均降雨量为10mm到500mm。多数地方只有50到100mm的降雨量，主要集中在10月份和4月份，相对湿度低，沿海地区除外。
1.3地质条件对比
据本项目施工图设计勘察报告成果显示，基槽常规段和加宽段土层分布和地质构造有所区别，加宽段基槽开挖时，先后采用了绞吸式和抓斗式挖泥船。开挖后其天然泥面土层为黏性土，不同于常规段的粉土类。因基床承载力设计值同取600Kpa，为达到基础扩散和减小地基应力，降低码头沉降的作用，故加宽段断面尺寸增大。具体物理力学指标见表1（钻孔编号位置见图3加宽段基床平面示意图）。
表1：常规段和加宽段浚后持力土层物理力学指标
1.4加宽段施工特点
此段基床设计厚度3.5m，根据《重力式码头设计与施工规范》JTJ 167-2-2009的要求，需分2层抛石，夯实，不同于常规段单层抛夯。该段处于6#泊位中部，基床北侧存在一排纵向间隔5m的轨道梁桩基钢护筒，这给边坡抛石、顶面锤夯施工带来困难。在既要保证基床抛石精度，又要防止因施工船舶锚缆移位、开底驳碰撞以及周边锤夯对钢护筒造成偏位影响的前提下，不仅对现场施工质量控制及精度要求有所提高，而且给船舶施工定位、作业，安全防护等增加了施工组织难度。
图1：5#、6#泊位常规段基床断面图 图2： 6#泊位加宽段基床断面图
图3：6#泊位加宽段基床平面示意图
2工艺流程：
见图4。
3基床抛石
3.1基槽验收
基槽开挖验收完成后，潜水员进行水下探摸，检查基槽浮泥厚度并取样以核实土质。当重度大于12.6KN/m3的回淤沉积物厚度大于0.3m时，或发现地质情况与设计不符时，及时通报设计及咨工。
检测船定位到基槽区域，潜水员带着相机和一端绑了30cm长的胶布的钢筋头下到基槽里，潜水员拿钢筋头垂直插入基槽沙层，测量可插入深度。当插入深度小于30cm时，基槽可以接受。整个检验过程须用水下相机录制，并对基槽表层原状土取样，编号装入样品瓶。
基槽验收完毕后，及时进行抛石施工。
3.2技术参数
常规段基床抛石深度-18.5m～-16.4m，厚度2.1m，预留20%打夯沉降量，6#加宽段第一层抛石深度-20m～-18.2m，厚度1.8m，锤夯后控制标高在-18.5m，第二层抛石要求同常规段，锤夯后最终标高控制在-16.8m。
本工程基床抛石采用方驳定位，开底驳水抛的方法。
图4：工艺流程图
占地面积7500m2的集料场布置在距离码头60m处的北侧，石料由自卸车倒至9#堤岸边修建的上料码头处，利用挖掘机装入开底驳。抛石基床设计规格自下而上分别为：100mm～400mm、100mm～150mm、10mm～20mm。块石的质量要求为：
（1）未风化、不成片状、无明显的裂纹、裂缝、分层等其他可能在装卸和安放期间造成断裂的缺陷。落锤试验断裂指数应低于5%。
（2）在水中饱和状态的抗压强度：对于夯实基床，不低于50Mpa。
3.3测量定位
本工程采用GPS测量定位系统。在方驳48#船舷两侧各安装1台GPS接收机，保证接收机连线垂直于船体轴线。接收机与电脑连接后，通过GPS软件将接收信号转化为数据和图形， 使船体和基槽的相对位置及坐标显示在屏幕上。
首先，在方驳48#左舷处固定2面指示旗，水平间距2m。定位时，船体垂直基槽方向，使两旗连线的中心垂直线与基槽轴线重合。（加宽段处轴线向南平移4.5m） 开底驳装满石料后，缓缓停靠左舷，使舱口对齐指示旗，停稳后开仓抛石。
图5：开底驳抛石模拟图
3.4开底驳间距计算
开底驳船长14m，宽4.5m；内径料仓长9m，宽3.5m，底部为锥坡，每次装满料约25m3。根据现场实测值及潜水员多次下水探摸情况，得出抛石深度18m的开底驳石料扩散范围，纵船向扩散约1.5m、横船向扩散约1m。
根据内舱尺寸加扩散后宽度，绘制石料堆模拟图形，对船体纵横向间距进行验算。
纵向间距（南北向）：
设开底驳定位在基槽半幅中心，从舱口位置计，船位间距为2m。石料纵船向扩散1.5m，块石在基槽中轴线处重合1m。通过计算，叠加面积0.90m2，顶部差值面积为0.69m2（见图6），基本抵消，满足施工要求。
横向间距（东西向）：
设开底驳内径边线重合，横向间距为零。石料横船向扩散1m，块石重合2m。通过计算，叠加面积1.70m2，顶部缺口面积为0.72m2，相差0.98m2，重合面积过大，将造成顶部凸起。但根据实际试抛情况反映，结果相反，顶部凹陷。需重新计算。
设搭接0.5m，石料横船向扩散1m，块石重合2.5m。通过计算，叠加面积2.45m2，顶部缺口面积为0.44（见图7），相差2.01 m2。但根据实际试抛情况反映，搭接0.5m时，抛填后顶部基本平整，满足施工要求。
经上述验算，常规段抛石时，开地驳纵向间距为2m；横向搭接为0.5m。
图6：石料堆纵向叠加示意图 图7：石料堆横向叠加示意图
3.5加宽段控制措施
6#泊位加宽段顶宽31.2m，钢护筒直径1m，北侧切边距基床顶口间距4.2m。受其位置限制，此区域内无法依靠定位船精确定位。故加宽段采用定位船、护筒参照联合定位抛石工艺。加宽段区域抛石船舶定位见图8。
采用定位船进行定位抛石区域为：从基床顶口南侧边线起向北22.2m处，该区域按常规段抛石方法施工。
除上述区域外，其它区域采用参照护筒定位进行抛石的方法。钢护筒周围对称抛填。开底驳沿护筒连线方向，南北两侧各一船，每10m为一个前进船位。
假设开底驳纵向与横向抛石间距0.9m。按照石料纵船向扩散1.5m，横船向扩散1m的规律计算，南北向抛石重合1.6m。叠加面积为1.44m2，顶部缺口面积为0.61m2（见图9）基本抵消，满足施工要求。
假设块石着床的基础平坦，钢护筒两侧石料堆将不会产生叠加区域，但实际上，由于钢护筒北侧开挖后的岸坡为1：2（见图2），石料将会自然滑落，造成叠加。且结合现场实测水深及潜水员探摸情况来看，钢护筒周围石料散落均匀，顶部高差小于0.3m，满足设计要求。
图9：加宽段区域石料堆纵向叠加示意图
对于按规定船数抛石后，局部顶面标高未达到要求部分，需根据实测数据进行补抛。补抛分两种形式：（1）石料装1/2舱，高度上一半；（2）石料装1/2舱，长度上一半。见图10
图10：补抛装船示意图
3.6块石冲距确定
表2： Ras Al Khair 水流状况
抛石冲距2.144m，取整2.1m。定位船在上游2.1m处定位。经实践验证，效果良好。
4 基床锤夯施工
4.1夯实范围
4.1.1常规段
基床因一次抛石完毕，故按照规范要求，打夯范围为底层方块南北侧各加宽1m。
4.1.2加宽段
由于分两层抛石，需分两层夯实，其宽度按照基床的应力扩散线进行计算。
底层宽度B2：B2=（B+1m +1.5d1+0.5d1+1m）
其中：B=10.2m；d1=2m；（▽-18.5m～-16.5m）计算得出：B2=16.2m。即：底层方块前沿加宽4m；后沿加宽2m。
顶层宽度B1：B1=（B+1m+1m）计算得出：B1=12.2m 见图11
图11：基床夯实范围示意图
4.2设备选型
4.2.1夯锤
选用自重50KN铸铁实芯锤。底面为直径D=1.3m圆形，底面积S=1.33m2，符合规范中不宜小于0.8m2的要求。高h=1.2m，锤底净接地压力值为38Kpa。顶部采用锁扣式铁链和卡环与吊机钢丝绳连接。为防止夯击过程中，夯锤发生旋转，以使钢丝绳扭结，在夯锤底部周边均布焊接铁翅，以增加夯锤旋转时的水阻力。
4.2.2 定位船
锤夯定位船选用自有2500t“港湾6#”平板驳，船长64.8m、型宽18m、型深3.7m。
液压锚机150KN×4、5t海军锚4口。经船体甲板强度、龙骨布置及船舶稳定性计算可知，当甲板承载50t吊机时，回转中心至船艏最小距离Dmin=6m。其中履带至船艏净距为3.25m。
4.2.3吊机
应用本项目自有QUY50液压履带起重机。起重臂长22m，根据其额定总载重量表查得：工作半径R=13.2m时，载重量T1=7.5t，臂架仰角α=56°； 工作半径R2=9.8m时，载重量T2=11.5t，臂架仰角α=66°。将其改装自有落体快勾装置后固定在定位船指定位置上。
根据基床顶面需要夯实的最大宽度以及吊机和定位船艏锚机位置的几何关系验证：按照纵横向相邻接压半夯的规定，夯锤平面落点纵向移动单位距离为D/2=0.65m，故纵方向上，在工作半径R1～R2区间内可移动5次，臂架仰角由56°以2?/次递增至66°，所以可进行6排锤夯；横方向上，在R1～R2变换载重量区间内，水平摆动角β由76°扩至111°，确保每次变换臂架仰角后，夯击宽度可达16.5m，满足上述计算最大宽度要求。并且，结合定位船艏牙口和施工时锚缆绳的角度计算，最外缘夯点未和锚缆绳位置冲突。
4.3质量控制
4.3.1技术参数
本项目执行技术规格书中“美国ASTM规范”和“英国BS规范”，其中不计浮力、阻力等影响时，每夯的冲击能不宜小于150kJ/m2（高于国内的120kJ/m2）。所以，最小落距hmin=WS/mg=4m，本项目采用h=4.5m，每夯的冲击能为169kJ，符合规范要求。经试夯确定每夯点5夯次，遍数为3遍，第一遍每点1夯次；第二遍每点3夯次，第3遍每点1夯次。均为纵横向相邻接压半夯。
4.3.2压半夯夯实控制
（1） 横向夯点控制。控制方法有两种：一种采用在起重机驾驶室内设立水平转角指示器控制；另一种采用在船艏设夯点标记架控制。本项目实际施工中采用在船首设夯点标记架的方法，标记架为一个弧度刻度盘，因起重机能力大，可通过改变吊杆倾角调整夯点纵向位置，对应设置6组刻度，标记架设置在起重机驾驶室前面，通过连接在起重机上的夯点指示杆和标记架一起控制夯点横向移位，确保横向邻接压半夯，保证夯实宽度。见表3
夯点标记架上夯点间距S用下式计算。
S=rd/2R
式中：d-夯锤直径；
R-吊杆转动半径；
R-起重机回转中心至夯点标记架的距离。
表3. 基床夯实主要参数表
（2）纵向夯点控制。通过控制移船实现纵向夯点控制，该工程采用GPS定位技术，在吊机改变所有倾角锤夯完毕后，通过GPS生成的平面图形和数据显示，技术人员配合移船。纵向0.65×6=3.9m为一个移船单位。因起重机臂长、起吊能力大，可通过调整吊杆倾角控制夯实部位，夯船驻位一次可纵向夯6排，因吊机改变吊幅后，船艏标记架上的刻度间距会随之变化，所以，为确保横向夯点移动距离符合相邻接压半夯的规定，必须调整以对应的刻度间距进行控制，切勿自始至终“一成不变”。否则，夯点接压大于半夯，导致夯点增加，功效降低。施工时严格按表1夯实主要参数准确控制吊杆的倾角，确保一次纵向6排压半夯。
4.4定位船施工对钢护筒的安全性验算
因加宽段基床需分两层抛、夯，故抛石与强夯工序需搭接流水作业。根据两定位船主体尺寸和现场锚缆抛设情况，两定位船最小流水步距为80m。夯船完成第一层施工后，继续前行锤夯常规段基床。待第二层抛石完成80后返回至加宽段起点进行第二层锤夯。
图12：夯船定位平面示意图
夯船作业时，前后采用“八”字锚定位，缆绳最佳受力水平角度α区间为30?～45?。左舷缆绳需跨过钢护筒与埋设在9#堤的地笼连接受力（见图12）。因已沉5m间距的护筒顶口标高各异，为防止船体随潮位变化涨落和水平移位时，缆绳刮蹭或扰动护筒，必须对缆绳是否会影响钢护筒的安全性进行验算。结合当地的设计水位，分析当α处于30?/45?临界状态时护筒与缆绳的高程差值（取护筒南半侧弧段与水平线的切点为最不利位置）。过程如下：
（1）低潮时：
（2）高潮时：
其中：L1=d/cosα
L2=（d1+d2）/cosα
d=d1+d2+d3=65.8m
D-船舷左侧牙口至9#堤kerb line线的水平投影距离
d1-牙口距船左舷边的水平投影距离，取1.7m
d2-船左舷边距最不利位置的水平投影距离，取2.4m
d3-最不利位置距9#堤kerb line的水平投影距离，取61.7m
Α-行船可变角度45?～30°
L1-缆绳从牙口起至地笼的投影距离
L2-缆绳从牙口至桩中心投影距离
Δx-牙口至护筒南侧切边的高程差
Z-牙口与地笼的高程差（牙口至甲板的距离0.3m，干舷高度2.0m。当地设计高水位：+1.75m，设计低水位：±0.0m。低潮时，牙口标高：+2.3m；高潮时+4.05m。）
护筒顶面标高实测数据见表4
图13：夯船定位立面示意简图
（1）最高潮位、α= 45°角时：
L1=d/cosα=65.8/cos45°=93.055m
L2=（d1+d2）/cosα=4.1/cos45°=5.799m
最高潮位+1.75m，牙口高程：+ 4.05m，高出地锚0.85m
Δx=0.85×（93.055-6.505）/93.055=0.79m
最不利位置高程：4.05-0.79=+3.26m。此高程均高于护筒顶面标高，所以，不会刮曾到护筒，以致影响其安全性。
（2）最高潮位、α=30°角时：
L1=d/cosα=65.8/cos30°=75.979m
L2=（d1+d2）/cosα=4.1/cos30°=4.734m
Δx=0.85×（75.979-4.734）/75.979=0.938m
最不利位置高程：4.05-0.928=+3.122m。此高程均高于护筒顶面标高，结论同上。
（3）最低潮位、α=45°角时：
L1=d/cosα=65.8/cos45°=93.055m
L2=（d1+d2）/cosα=4.1/cos45°=5.798m
最低潮位±0.0 m，牙口高程：+2.30m，低于地锚0.90m
Δx=0.90×5.798/93.055=0.056m
最不利位置高程：2.30+0.056=+2.356m
此高程低于部分护筒顶面标高，对护筒有影响。
施工定位时缆绳需调整至两护筒间的空档内，调整适当角度，避开护筒；移船时需要锚挺协助，上挑跨桩。
（4）最低潮位、α=30°角时：
L1=d/cosα=65.8/cos30°=75.979m
L2=（d1+d2）/cosα=4.1/cos30°=4.734m
Δx=0.90×4.734/75.979=0.056m
最不利位置高程：2.30+0.056=+2.356m
结论同上。
表4：加宽段护筒顶面实测标高
经上述验算可知，最低潮施工时，定位船缆绳对局部护筒产生影响，为防止钢护筒因缆绳刮曾造成偏位，必须注意观察，采取类似调整角度和上调跨桩等安全防护措施。
5基床整平施工
5.1整平要求
锤夯施工完毕后进行整平施工。按照规范要求，基床极细平范围为墙身底面各边加宽0.5m。首层方块底面长10.2m，整平宽度为11.2m。根据本工程地基土的性质、基床的厚度、基底应力分布、以及墙身结构形式、荷载等因素确定基床顶面预留向内倾斜的倒坡坡比为6‰。根据基床中轴设计标高-16.5m，算得前轨标高-16.5+11.2/2×0.006=-16.466m；后轨标高-16.5-11.2/20.006=-16.534m。
5.2导轨确定
本工程采用典型的“导轨刮道法”施工。导轨采用Ф118mm的无缝钢管，单根长6m，一次铺设6根，刮尺采用双【14焊接而成，长13m。前期基床顶部铺设三条导轨，有效的避免了刮尺中部因重力作用产生的挠度，提高了整平精度。但实际操作中，遇到基床中轨部分点高于设计标高问题，导致刮尺后轨端悬起过大，后轨失去作用，造成基床后沿实际标高过高，无法满足上部构件安装要求。改成前后沿两导轨后，虽然刮尺中部存在微小绕度变形，但对整平实施基本无影响，通过校核基床顶部标高，偏差甚微。方块安装后，经检查，底部与基床接触紧密。
5.3细平及极细平施工
将整平船定位至垂直于基槽方向，载有100mm～150mm粒径石料的开底驳固定在定位船舷。缓缓下放刮尺，潜水员在水下将刮尺搁在基床两边的导轨上。潜水员以刮尺底部为基准，“去高填洼”进行整平。特别低洼区域，潜水员在水底做好标记后，回整平船后指挥挖机对其进行定点补抛，随时下水检查，直至本区域标高普遍整平至刮尺底以下10cm左右。
细平施工部分完成后，即可开始极细平施工。极细平施工前先复测导轨，潜水员在整平船上指挥挖机定点抛撒粒径10mm～20mm瓜米石，待抛撒完毕后，潜水员移动刮尺，使基床顶标高与刮尺底部标高一致。
5.4注意事项
（1）为避免船舶因风浪影响造成测量塔尺弯折，塔尺使用时不得贴靠船舷。
（2）整平船船舷应在整平区前沿0.5m定位，便于测量人员施工。
（3）每次整平前都需验证塔尺和刮尺的精准度，且预留一套塔尺及刮尺备用。
（4）放点时，低点周围用袋装砂围护，以免砼垫块垫放过多不稳。
（5）塔尺加工时除控制垂直度外，应特别注意密闭性。防止海水浸入，增加自身重量。
（6）整平完毕后的基床四周合理位置处设明显标志，防止船舶抛锚、移位时产生破坏。
（7）整平验收合格后及时安装首层方块，避免闲置时间过长产生回於。
6结语
6.1本工程抛石数量大，夯实强度高，整平范围广，特别是6#泊位加宽段区域抛石定位难度大，质量控制精度高，船舶抛石、锤夯作业如何对已沉护筒采取有效的安全防护措施成为普通抛石基床新的施工特点。6#泊位加宽段基础多为黏土及粉质黏土，地基承载力较差，是本基床施工控制重点所在。普通段和加宽段基床分别在上部结构实心方块分层安装及预压、胸墙浇筑等荷载作用后进行了沉降观测，两段基床永久沉降累计值基本相同，没有因地基土质差别较大和基床厚度不同产生不均匀沉降或沉降突变。（见下表），满足设计及规范要求。
6.2结合对比常规段基床与加宽段基床地质条件、外部环境、施工工艺、地基承载力等因素，确认了黏土质基础在扩大基床后可以满足永久结构荷载和相关施工荷载的要求；通过对夯船作业时缆绳与护筒间有无位置冲突的验算，为类似工程船舶作业时，对周边已有建筑物的防护或障碍物的避让提供了参考。同时成功地将国内抛石冲距公式在高盐度水域进行了运用，为波斯湾地区水工工程水下抛石提供了有效参考。
参考文献：
[1]JTS167-2-2009重力式码头设计与施工规范[S]
[2]JTJ221-98港口工程质量检验评定标准[S]
[3]赵振兴，何建京．水力学（第2版）/普通高等教育规划教材[M]．清华大学出版社，2010
论文作者:王亚州
论文发表刊物:《建筑建材装饰》2015年12月上
论文发表时间:2016/9/5
标签：标高论文; 石料论文; 缆绳论文; 牙口论文; 高程论文; 间距论文; 夯实论文; 《建筑建材装饰》2015年12月上论文;