插入式桶式基础结构防波堤施工关键技术

练学标，陈雄

（中交三航局有限公司江苏分公司，江苏　连云港　222042）

插入式桶式基础结构防波堤施工关键技术

练学标，陈雄

（中交三航局有限公司江苏分公司，江苏连云港222042）

新型插入式桶式基础结构设计与施工都拥有各自的自主知识产权，并首次应用在连云港徐圩防波堤工程。文章主要通过对预制、场内搬运及出运、气浮及负压下沉等施工过程分析，提出无底混凝土桶体底模板工艺技术、混凝土气密性施工技术、桶体场内搬运技术、桶体气浮施工技术、桶体负压下沉施工技术、桶体安装控制系统等关键施工技术，工程取得了良好的社会与经济效益，为该结构的推广使用提供理论与实践参考。

插入式；桶式基础；无底；气浮；负压；气密性

1　工程概况

连云港徐圩港区防波堤工程为东西两堤，东防波堤全长12 509.35 m，西防波堤全长9 804.18 m，其中采用插入式桶式基础结构的东防波堤长4 675.81 m，西防波堤长3 437.28 m，均在防波堤的外侧口门段，桶体总数量为390个，最大预制安装单件重量3 200 t[1]。

插入式桶式基础防波堤主体结构的基础桶体为非双向对称、单桶多舱。每一组桶式基础结构由1个带顶板的基础桶体和2个上部圆筒组成。基础桶体呈椭圆形，桶内通过隔板划分为9个隔舱。2个上部圆筒坐落在基础桶体顶板上，通过顶板上的杯口圈梁连接。该桶式基础结构作为一桶多仓的新型结构尚没有应用先例。+3.5 m以下标高部分为预制安装基础桶体，也是本工程施工的核心。+3.5 m以上部分为水上现浇接高圆筒、现浇档浪墙、预制安装走道板及现浇堤顶道路，详见图1[2]。

2　工程主要特点

1）环保绿色施工，节能减排

新型桶式基础结构在专业预制厂预制成型，气浮运输及负压安装是充分利用液体、气体的特点进行施工，与其它结构相比，无需对基床进行大开挖或爆破施工，对海洋的影响最小。同时施工投入的船机设备较少，节能减排，绿色环保。

图1　桶式基础防波堤结构图Fig.1　Structure of bucket-based breakwater

2）节约资源

本工程主要的资源为钢筋混凝土原材及少量的护底石，全断面每延米所需消耗的资源为抛石堤及砂被堤结构的20%以内，大大地节约资源，便于快速组织施工。

3）施工效率高

桶式结构在专业预制厂预制，共有4条线28个台座，预制能力为20～22件/月，桶体气浮及安装自动化程度高且可以多点同时安装，4—10月份平均安装大约20件/月，11—次年3月份平均安装10件/月以上，全年可以安装200件以上，施工效率明显，并且无需接岸施工。

4）安全可靠

桶式结构防波堤在吹填段需进入混砂层1.5～2.0 m，非吹填段进入混砂层0.5 m以上，根据设计稳定性计算结果满足施工及使用稳定性要求[3]，且整个施工过程危险作业少，自动运行化程度高，施工安全风险较低。

5）美观壮观

该结构施工完成后线条顺直美观，且后期变形相对斜坡式防波堤较小，建成后成为海上一道壮丽的风景线。

6）投资节省

本结构防波堤与抛石堤、砂被堤及沉箱结构相比要节约投资10%以上，且施工成本易控。

3　自然条件及地质

3.1海洋水文气象条件

设计高水位5.41 m，设计低水位0.47 m，极端高水位6.56 m，极端低水位-0.68 m。

水文测验表明徐圩港区附近的各测点外侧为旋转流，近岸流场长短轴呈顺岸方向。夏季涨潮流速大于落潮流速。涨潮平均流速0.3～0.87 m/s，落潮平均流速0.3～0.71 m/s。

桶体装船、起浮移运就位要选取适当的高潮水位，确保作业时间，船舶在海上作业的条件为波高≤1 m，风≤5级，水流≤0.7 m/s。

3.2地质条件

①层淤泥:灰色，流塑，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:5.20~17.80 m，平均10.24 m。该层为本场地特殊性土层，具高压缩性，高触变性，高含水量，工程地质性质极差。

②层粉质黏土: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10～20 cm直径0.5~1 cm钙质结核物（简称钙核），最大钙核直径3 cm，切面较光滑，韧性及干强度中等。场区普遍分布，厚度: 0.50~10.30 m，平均4.31 m。该层压缩性中等，工程地质性质一般。

桶体要插入②层粉质黏土中，在淤泥层底部与②层粉质黏土中存在钙核，会影响桶体下沉，需要进行处理。

4　主要施工方法

防波堤施工主要流程:基础桶体预制→桶体气囊搬运至半潜驳→拖轮拖半潜驳至下潜坑→半潜驳下潜（中间进行气密性检查）→调整桶体气压至浮游稳定吃水→桶体出驳→桶体气浮→浮运至安装位置→定位负压下沉至设计要求。基础桶体下沉稳定后现浇接高上层圆筒，再进行上部结构及附属设施施工。

桶体主要出运方法:桶体预制过程中的场内采用电动小车搬运，桶体出运至半潜驳采用钢托盘气囊搬运工艺。桶体气浮出驳浮运采用起重船移锚拖运工艺。

桶体安装的主要船机设备:5 000 t半潜驳2艘，200 t全旋转起重船1艘，安装定驳1艘，2 238 kW（3 000 Hp）港作拖轮1艘，锚艇2艘。自运控制系统3~4套。

5　施工关键技术

5.1无底混凝土桶体底模板工艺技术

为了同时满足气囊和小车在场内搬运，且装拆方便，通过多种方案比选，底模纵向两侧采用固定模板，用混凝土预制块或钢结构固定箱梁底模。中间为方便小车与气囊行走采用活动模板，采用机械千斤顶支撑箱梁底模，见图2。

图2　底模板组装图Fig.2　Assembly of bottom template

5.2混凝土气密性施工技术

桶体在气浮及负压过程中气密性要求非常高，外桶壁≥80 kPa、内桶壁≥30 kPa，且不能出现漏气漏水现象。

5.2.1气密性混凝土原材料

水泥:硅酸盐水泥P.Ⅱ52.5。细集料:洁净河沙，细度模数2.7。粗集料:粒径5~25 mm，含泥量≤1%，针片状颗粒含量≤9%。粉煤灰:Ⅰ级。矿渣粉:S95。减水剂:聚羧酸高性能减水剂HJSX-A。

5.2.2气密性混凝土的配合比设计

1）混凝土的水胶比0.38，砂率42%，水泥213 kg/m3，细集料748 kg/m3，粗集料1 083 kg/m3，粉煤灰85 kg/m3，矿渣粉128 kg/m3，水162 kg/m3，减水剂6 kg/m3。

2）混凝土拌和物的含气量≤2%。

3）泵送混凝土，坍落度为160~200 mm。

5.2.3气密性混凝土施工要求

1）投料顺序:先将水泥、掺和料、细骨料干拌1.5 min，至拌和均匀后加入粗骨料、水、外加剂，再搅拌1.5~2 min至混凝土均匀一致。

2）采用插入式振捣器振捣，宜采用斜向振捣，不宜采用垂直振捣。

3）2台泵车同时对称浇筑，混凝土分层浇筑间隔时间需小于混凝土的初凝时间。

4）及时进行保温保湿养护。连续养护时间不得少于12 d。5℃以下施工时应采取冬季施工的措施。

5）模板不设体内对拉，混凝土分层处设置止水带、压槽并凿毛。

5.3桶体场内搬运技术

通过小车、气囊、气垫、水垫等常用大型构件场内搬运工艺比较，电动小车场内搬运优势明显，具有自动顶升、电动操作的功能，搬运效率高，在桶体预制过程中可以提前搬移，提高了台座利用效率，加快了施工进度，同时安全性能高，占用场地小，容易维护保养。

5.4桶体气浮施工技术

桶体气浮施工的技术关键点主要有气浮的浮游稳定计算、气浮过程中桶体的平衡气压调节及气浮拖带的方法。

当桶体的重力、桶体在水中排水产生的浮力、桶体内空气压缩形成的气压力三者相等时，桶体气浮，桶体气浮移运时需满足浮游稳定的要求[4]。新型桶式基础结构浮游稳定性计算根据模型试验

式中:n为结构单元的格舱数；ρ为浮游稳定定倾半径；YG为结构重心位置；YC为结构初始浮心位置；YG-YC为结构定倾半径。

同时还需满足下桶体顶部干舷高度≥80 cm。

5.5钙核处理方案设计

钙核处理通过爆破及振动破碎等方法的比较，振动破碎方法虽然效率不高，但对原状土破坏最小，且能够满足负压下沉的工艺要求。为了提高破碎效率，采用三管砂桩船进行定点打设钢管，钢管下端设计专门破碎桩头进行振动破碎（图3）。修正形成计算公式（1）。

图3　钙核处理图Fig.3　Calcium-core processing

5.6负压下沉过程中的纠偏技术

在桶体负压下沉过程中由于水流、波浪及土质不均衡等原因，会产生偏斜，纠偏贯穿下沉的整个过程。纠偏的关键技术主要有:负压形成技术、桶体各仓气压数据采集、桶体高差数据采集、桶体纠偏工艺技术。

桶体的负压是通过抽取桶内的水及空气形成负压，桶体气压数据是通过电磁阀内传感器进行采集。桶体标高数据通过控制平台四角的GPS获得（图4），桶体纠偏通过调节各仓的气压来实施，当控制平台四角GPS测量的高程差≥20 cm时，开始进行调整。调整气压通过启闭排水阀电源与阀门来实现。

5.7桶体安装控制系统

通过对安装过程施工控制要求进行分析，自主研发了一套自动控制系统，该系统具有数据自动采集、自动启闭阀门、操作简单直观、自动化程度高等特点，为工程安全高效的施工提供了技术保证。

图4　操作平台示意图Fig.4　Sketch of operating platform

6　结语

通过对插入式桶式基础结构施工关键技术的分析研究与运用，徐圩防波堤施工进展顺利，每月预制及安装数量≥20件，防波堤单月进尺≥400 m，施工效率及经济效益明显，施工质量满足设计及使用要求。获得两项施工专利技术，形成了桶式基础结构施工成套施工技术，形成预制、出运及安装3个工法，为该结构形式在防波堤、码头、桥梁、围堤护岸、海上风电基础等工程的推广应用提供了理论与实践参考。

[1]中交第三航务工程勘察设计院有限公司.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程施工图[R].2012. CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.Construction plans of Lianyungang Xuwei Harbor east vertical structure breakwater[R]. 2012.

[2]中交第三航务工程局有限公司徐圩港区东防波堤工程DZLSG2标段项目部.连云港港徐圩港区直立式结构东防波堤工程施工组织设计[R].2013. Xuwei Harbor East Breakwater DZL-SG2 Tenders Project Department of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction organization design of Lianyungang Xuwei Harbor east vertical structure breakwater[R].2013.

[3]李武，吴青松，陈甦，等.桶式基础结构稳定性试验研究[J].水利水运工程学报，2012（5）:42-47. LI Wu,WU Qing-song,CHEN Su,et al.Stability tests of bucketbased structure[J].Hydro-Science and Engineering,2012(5):42-47.

[4]祝业浩，倪国平，吴风亮.防波堤箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工艺[J].中国港湾建设，2005（5）:40-43. ZHU Ye-hao,NI Guo-ping,WU Feng-liang.Technology for towing of pneumatically floated cylindrical substructures and installing with negative pressure for breakwaters[J].China Harbour Engineering,2005(5):40-43.

Key construction technology of plug-bucket-based structure breakwater

LIAN Xue-biao,CHEN Xiong
（Jiansu Branch of CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Both the innovative design and construction of the plug-bucket-based structure have their respective intellectual property rights,and have been applied into the breakwater project of Xuwei Port in Lianyungang for the first time.By analyzing the construction processes of the precast,transfer and shipping in the precast yard,gas floating and the installing with negative pressure,we put forward the bottomless concrete bucket model process technology,the concrete air-tightness construction technology,the bucket transfer in precast yard technology,the bucket gas floating construction technology,the bucket installing with negative pressure construction technology,the bucket installation and control system and other key construction technologies.This project has gained good social and economic benefits,which provide theoretical and practical references for the popularization and application of this structure.

plug;bucket-based;bottomless;gas floating;negative pressure;air-tightness

U653.4

B

2095-7874（2016）02-0049-04

10.7640/zggwjs201602012

2015-09-30

2015-11-18

练学标（1967—），男，江苏建湖人，教授级高级工程师，总工程师，港口工程专业。E-mail:13812323806@163.com