直立防波堤倒桶式基础构件出运安装的质量控制研究

【摘要】倒桶式构件是近年来在前海港口码头工程中出现的一种整体式直立防波堤钢筋混凝土薄壁基础构件，具有大体积、可预制安装等特性。构件能否在工程中发挥设计作用，在其质量符合要求的前提下，主要取决于构件从预制场搬移上船、海上运输、驻位出船和下沉安装等过程的质量控制。本文从构件特点、安全评估和出运安装角度出发，比较分析倒桶式构件和沉箱基础的结构功能异同，总结分析了出运安装的安全控制因素，通过对比找到了相对于重力沉箱的成熟出运工艺，该新型构件的质量控制关键点。结论可望在构件改型、出运风险评估和类似构件的安装质量控制中借鉴应用。

【关键词】倒桶式基础构件；淤泥质海床；直立防波堤；出运安装质量；风险控制因素

1、工程背景和构件概述

隨着全球船运贸易的发展，加上一带一路战略规划需要的转口贸易，深水港口和前海码头的建设成为必然需求。但我国东部海岸带受多泥沙河流入海、地球自转及大陆架结构等因素影响，北起辽东湾、渤海湾，经苏北沿海、长江口、杭州湾、闽江口、台湾西岸，南到海南岛西北部、钦州湾等的海岸带均为平原（淤）泥质海岸。在这样的海床地质条件下，常用的堤坝地基处理方案和抛石筑堤方法都不适合，会导致工程造价急遽升高。倒桶式构件作为一种适用于深水软泥地基的一体插入式直立防波堤基础构件，从2008年起经过科研攻关和改型应用而生，近几年逐渐应用到工程实践中。

该构件为预制钢筋混凝土倒桶式结构，分为上下两桶，如图1所示。上桶由两个圆筒整体浇筑相接，底部沿下桶的短轴方向和下桶上盖板连接，上部接高形成防波堤挡浪部分和堤面。下桶平面布局是两个半圆弧段和一组矩形对边组成的长圆环形，无底有盖，被2道横板和2道纵板划分成9个隔舱。下桶体阔口通过负压沉入基槽或插入淤泥中形成防波堤的基床部分，整体具有竖向和水平的承载力和稳定性。在构件本身质量符合要求的条件下，其能否发挥工程设计作用主要取决于桶体在出运安装过程中的质量控制。

2、与重力式沉箱的比较

沉箱构件作为成熟的港口码头筑堤方案，其出运和安装已经积累了比较丰富的经验和施工技巧。将倒桶式构件与重力式沉箱比较有助于借鉴沉箱出运的相关经验，并找到不同点把握倒桶式构件基础结构的出运安装控制要点。表1从两个基础构件的结构、功能和出运等方面做了比较分析。

由比较可知，两者相同点为均有承载功能，出运方案一致，可作为借鉴。但两者结构不同甚至形状相反，其功能和对场地要求不尽相同，出坞和安装工艺也不同。在整体上倒桶式结构更复杂，安装技艺和控制要求更高，但整体性更好，一步到位，免除了大量的水下施工，经济性较好。考虑到出坞难度都不大且出坞方式类似，可以认为两者的主要区别是在海面或水中的安装方式。在借鉴重力式沉箱的成熟出运经验的基础上，可以认为安装控制应该是倒桶式构件出运安装的主要关注点，将在后文作重点介绍。

3、出运安装风险控制因素

构件在合格预制完成后，最终功能能否达到设计要求主要取决于运输和安装的质量控制。即在这一过程中要维持构件的质量安全，并正确安装。表2从影响构件质量安全和功能的角度出发，分析总结了构件出运安装风险的控制因素，并做了量化指标以便控制风险和将后安全评估。

这些因素结合实际预测勘测数据可以评估出运方案的安全性和可行性，也可以考虑相互间的联系，计算构件出运安装失效的风险。

4、出运安装流程

构件出运安装流程可以分为以下三个阶段：

1）构件离开预制场进入半潜驳船；

2）拖运至现场附近气浮离开驳船到达驻位；

3）下沉安装

根据前面的比较，在借鉴沉箱出运成熟工艺的基础上，倒桶式构件的质量控制关注点应该主要在下沉安装阶段。这里简单介绍出运过程中与沉箱出运类似的前2个阶段，详细介绍下沉安装阶段。

4.1离场上驳

这个阶段又可以拆解细分为以下几个环节：预制场地内台车搬运、接驳码头前台车、气囊交接、气囊滑动上驳。

即倒桶式基础结构在预制场地内搬运使用台车，在36m码头面上实现台车-气囊体系转换，上半潜驳船采用超高压气囊搬运工艺。场内移动包括台车就位、顶升、移动。构件出运时先拆除中间的活动底模板，拖入移动托盘和气囊，用气囊顶升后，卷扬机牵引托盘将构件向码头移动并最终上驳，如图2所示。上驳后用混凝土护垫支撑构件，并固定构件。

4.2海上运输和气浮出坞就位

半潜驳运输构件到现场后在下潜坑位置驻位，在起重船配合下将操控平台安装在上层圆筒上、系好构件的控制锚缆。涨潮后半潜驳开始下潜，构件下桶充气上浮，起重船就位助浮，达到设计高度稳定后由起重船带出，如图3所示。而后辅助拖轮就位，共同拖带桶体驶向基槽安装位置。

4.3下沉安装

如前所述，倒桶式基础的特殊结构决定了其下沉安装阶段是构件出运安装的关键控制点。主要包括三部分：定位、自重排气下沉和负压排水下沉，工艺流程如图4所示。

构件在操控充气平台、起重船和辅助拖轮共同作用下，平稳移动到安装位置附近后起重船重新抛锚，采用GPS等监测措施开始精确测量和定位，并在拖轮的配合下通过绞缆对构件的中心和朝向进行定位。起重船顶托倒桶式基础构件在轴线方向定位；起重船的锚机收缩连接桶体缆绳进行横向定位。

在精确定位构件到安装位置后，控制平台打开构件下桶各隔舱的排气阀门减小浮力，构件在自重作用下开始排气下沉。直到下桶口距离泥面300mm时，暂停下沉，再次校核GPS定位，确认无误后缓慢下沉深入淤泥。由于淤泥并非均质体，需要时刻监测构件的水平倾斜高差，超过100mm时需要开启或关闭相应阀门做纠正。待空气排尽后，结束这一环节的下沉，开始排水负压下沉。

启动排污泵或真空泵，抽出泥水，让构件在桶体内负压作用下继续下沉。同理需要时刻监测构件的水平倾斜高度，如图5所示，超过100mm时需要开启或关闭相应泵做纠正，直到桶体安装到位。

5、总结

倒桶式基础结构复杂，整体性好，免除了大量的水下回填施工，在深水淤泥区经济性较好。倒桶式直立防波堤基础构件作为一体式挡浪结构能较好的适应深水软泥地基的地质条件。其出运安装的质量控制除了需要考虑常规出场运输的一些风险因素外，质量控制关键环节主要在新出现的自重排气下沉和负压排水下沉的安装阶段。

参考文献：

[1] 李伟.插入式箱筒型基础防波堤结构的研究及应用[J].天津科技， 2011， 38（2）：30-32.

[2] 秦丹，黄鹏举，刘晓曦.桶式结构运输出运工艺[J].中国港湾建设， 2016， 36（3）：69-72.

[3] 卢新露.沉箱出运以及安装过程的施工质量控制[J].建筑工程技术与设计， 2015（33）：790.

[4] JTS257-2008，《水运工程质量检验标准》 [S]. 北京：人民交通出版社，2008.

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