抛石基床振动夯平工艺及装备研究与应用

王翔，曲振华，冯甲鑫

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

抛石基床的整平作业可以采用人工整平或机械整平工艺。随着国内外水工工程的建设，涌现了多种形式的基床整平装备，但其普遍存在着设备较大、调遣费用较高等不足。因此目前基床整平作业依然广泛采用人工整平，但人工整平也存在受限条件较多，整平质量不够稳定，后续施工等待时间长，费用不断提高等问题。

为了解决目前所遇到的问题，研发应用了振动夯实整平工艺及装备。

振动夯实整平工艺是直接在抛石基床上进行夯平[1-2]的工艺，该工艺将人工整平中的锤夯、细平层抛石与细平工序简化为夯平工序，将工序合三为一。

在基床细平施工中，国内还没有振动夯实整平装备应用先例，本次依托青岛万达东方影都游艇码头堤岸及防波堤工程进行了水下抛石基床振动夯平工艺及装备研究。

1 振动夯实整平船设计

1.1 设计条件

作业水深：2～20 m；单个锤位面积：3 m2；单个船位夯平尺寸：10 m×1．76 m；石料规格：10～100 kg块石；适应抛石高差：±40 cm；整平精度：±5 cm。

1.2 结构设计

振动夯实设备采用DZJ135电动振动锤，振动夯实整平船设计[3-4]包括：船体、振动结构模块、轨道结构模块、台车结构模块，如图1所示。

图1 振动夯平船结构布置Fig.1 Structure layout of vibration tamping vessel

1） 振动结构

振动结构包括：振动管、振动锤、锤笼、夯板等。振动结构直接作用于抛石基床，通过振动锤带动结构对抛石基床进行振动夯实。振动结构决定着夯平性能。如图1所示。

2）台车结构

台车结构包括：振动管约束结构、台车主体结构、提升卷扬机、配重、换锤位卷扬机等。其作用为将振动结构根据施工工艺进行移位。如图1所示。

3）轨道结构

轨道采用C形结构，根据甲板载荷情况针对性设置4个轨道靴，以便能够承受夯平结构受力；轨道结构是台车的载体，与船体通过锁固点相连接，具有工作和拖航两种位置，如图1、图2所示。

图2 拖航位置Fig.2 Towing position

2 工程应用

本次典型施工区域为防波堤堤头，距离陆地150 m，基床底地质为粗砾砂。抛10～100 kg块石，厚度4．9 m，基床顶宽度26 m，长度44 m。基床底标高-13．2 m，沉箱底标高-8．3 m，沉箱宽度22 m，基床无倒坡，石料分2层抛放，底层采用锤夯，顶层采用振动夯平工艺，沉箱结构如图3所示。

图3 沉箱结构图Fig.3 Caisson structure diagram

2.1 施工工艺

施工工艺流程如图4所示。

图4 工艺流程图Fig.4 Process flow chart

2.2 施工关键流程

1）确定顶层抛石标高

顶层抛石标高以第一个沉箱位置底层锤夯完的平均标高为基础进行确定。夯实完底层平均标高为-10．23 m。

顶层抛石厚度1．93 m，顶层抛石高差±40 cm，考虑夯实率 10%，实际抛石厚度 1．93/0．9=2．144 m，平均振沉深度0．214 m，抛石控制标高-8．086 m。

2）抛石检验

抛石完毕后多波束扫测，查看抛石标高是否满足要求，如图5所示。

图5 抛石完毕后多波束扫测结果Fig.5 Results of multi beam scanning after the end of the riprap

3）船舶定位

船舶定位按照研发的定位软件要求进行。

4）振动结构落至基床

振动结构落至基床后，打开提升卷扬机刹车，使钢丝绳处于被动受拉状态。钢丝绳状态随船舶姿态而变化。

5）夯平作业

船舶就位完成后开始夯平作业，控制系统根据设定后的标高，自动监测高程，待夯实到达预设标高后，系统自动提升振动结构。

6）换锤位

按照预定搭接量，移动台车实现锤位变化。锤位搭接量可据实际情况调整，以提高施工效率。

7）标高自检

完成船位内的夯平工作后，也可以完成几个船位后，利用振动结构进行标高自检。

8）换船位

按照施工顺序调整船位，按照软件进行定位。

2.3 施工质量

采用水准仪验收，验收标准-8．3 m±0．05 m，验收数据分布如图6所示。

图6 数据分布图Fig.6 Data distribution map

验收有效数据144个，不合格点均为低点，共计11个（超出标高区域点），合格率为92%。满足施工规范要求。

3 结语

1）国内首次研发了适用于抛石基床细平工序振动夯平工艺与装备，并成功应用，水下抛石基床整平精度达到JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》[5]细平标准±5 cm的要求。

2）水下抛石基床振动夯平工艺与装备克服了传统锤夯法工效低、爆夯法对环境影响大等问题，并且施工质量可控。将人工整平中的锤夯、细平层抛石与细平工序简化为夯平工序，显著提高了施工效率，降低了施工成本，有效保障了水下夯平质量和作业安全。

3）研发的振动夯平设备，实现了基床整平装备的小型化、组装式，拆装运输便捷，可集装箱运输，造价低，减少了施工现场船舶种类和数量。

4）本次研究所形成的水下抛石基床振动夯平工艺与装备加速了我国抛石基床施工技术的发展，为基床整平提供了一种新工艺。