软土地基上大型钢浮箱的施工方法

摘要

本发明提供一种软土地基上大型钢浮箱的施工方法，它包括如下步骤：1)完成外闸首水下基桩和基床的施工；2)用拖轮将钢浮箱拖运至施工现场并配重调平；3)对钢浮箱注水下沉使其座床；4)对钢浮箱底面以下基床进行注浆固定；选取半数大头桩顶标高精确测量为制作及安装砼垫块提供了可靠数据，对每一块垫块编号对应安装确保高程在同一平面，安装垫块后顶标高复测误差小于2.5m，满足设计钢浮箱倾斜小于1/500的要求；钢浮箱平面位置控制采用刚性墩台作为定位导向，空间位置通过GPS定位系统，并实时跟踪钢浮箱运行轨迹，便于调整钢浮箱空间姿态，从三维方向控制钢浮箱的位置；从而确保钢浮箱顺利就位，准确坐床，实现本发明的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型钢浮箱的施工方法，可应用于船闸、水闸、船坞、航道治理、防波堤、人工岛等工程的软土地基上大型钢浮箱的施工方法。

背景技术

2004年，在苏州河河口水闸工程建设中成功沉放99m×14m×6.35m重量达8201t钢筋混凝土闸底板，借鉴苏州河河口水闸工程闸底板沉放控制技术，应用于大型浮箱沉放技术开发研究。2002年开发的《海工工程GPS远距离打桩定位系统》成功应用于东海大桥工程的沉桩工程，2003年又开发了《长江口深水航道整治二期工程多孔空心方块水下安装技术研究》获得成功，这两项GPS定位系统应用于工程实践，取得了理想效果，借鉴这种技术思路进行开发研究。

工程实例：船闸工程外闸首采用水下施工重力式混合基床，整体式浮箱一次沉放到位形成闸首结构，包括闸门墩、门槽、门库以及附属设备，其中门槽及门库区设闸首横拉门轨道，这种类型结构国内首次应用，在软土地基形成桩基与重力式混合基床亦属首次应用。以往在软土地基类似工程中多采用围堰挡水，抽水形成干施工环境，现浇钢筋混凝土结构。

由于需在水下施工混合基床，精确沉放钢浮箱，而后在钢浮箱内分舱抽水施工闸墩，门槽结构、下行轨道，工程结构新颖，工艺先进，是一项全新的课题。整体式浮箱应用于闸首工程，目前国内外尚未找到类似工程结构和施工技术资料。

船闸工程包括外闸首、水泵房、内闸首及闸室等单体。外闸首是船闸工程关键项目，沉放后的姿态决定了整个船闸的平面布局和钢闸门的安装位置，钢浮箱一次性沉放至设计高程后分舱施工闸墩，钢浮箱沉放所涉及的混合基床施工，钢浮箱拖运、沉放工艺是其中的关键技术。

由于外闸首采用整体式钢浮箱结构，而钢浮箱平面尺度为116.5m×20.5m，高度16.8m，外闸首口门净宽40m。沉放到位后顶高程+5.10m，底高程-11.70m，口门高程-7.40m。钢浮箱内为现浇钢筋混凝土腔体闸墩结构，闸首底板厚度最小2.0m，最大4.3m。基础是基桩加混合基床结构，基桩为600×600钢筋混凝土预应力方桩，桩顶标高-13.20m，桩尖标高-50.50m。

外闸首的施工精度要求十分高，其中水下复合基床平整度要求达极细平标准即±3cm；钢浮箱座床后纵横轴线偏差＜±10mm、高程允许误差＜±3cm、平面倾斜＜1/1000、竖向倾斜＜1/500；同时由于横拉门安装的需要，要求同一横断面的两根轨道轨顶标高误差不大于3mm、轨距误差不大于+3mm，每根轨道的直线度误差每10米不大于3mm；每两根轨道的平行度误差每10米不大于3mm。

钢浮箱距离新建大堤80m，河床泥面标高约-8.0m，基床施工期间需开挖至-14.20m，具有基槽回淤速度快，水下施工层次多的特点；钢浮箱具有断面尺寸大、本体自重大、吃水深、结构自身二个方向均不对称的特点；施工区域受到长江口水域风、浪、流的影响，因而水下基床作业及钢浮箱座床精度控制困难。

由于外闸首采用整体式钢浮箱结构，技术难度较大，精度要求较高，而现有的施工方法难以达到上述要求；因此，特别需要一种软土地基上大型钢浮箱的施工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种软土地基上大型钢浮箱的施工方法，确保钢浮箱顺利准确就位。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种软土地基上大型钢浮箱的施工方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)完成外闸首水下基桩和基床的施工；

2)用拖轮将钢浮箱拖运至施工现场并配重调平；

3)对钢浮箱注水下沉使其座床；

4)对钢浮箱底面以下基床进行注浆固定。

所述水下基床采用桩基加混合基床结构，桩基为钢筋砼预应力大头方桩。

所述水下基床由200g土工布+2.0m C30水下砼+0.5m碎石(注浆)组成。

所述水下基床优化为：20cm抛石垫层+1.8m C30水下砼+0.5m碎石(注浆)。

所述0.5m碎石选用无风化、无针、粒状新鲜硬质岩石料，粒径为8～15cm，抛石厚度为50cm。

所述水下基床旁边还设有水下围堤，所述水下围堤采用吹填砂被法堆成。

所述水下围堤采用5层砂被，每层砂被厚度约500mm，底层砂被宽6m、顶层宽2m，堆放成梯形状。

所述水下基床砼浇筑前在基槽面上抛碎石垫层，以隔离土层与砼，碎石粒径为6～10cm。

所述钢筋砼方桩的桩顶接高作为钢浮箱座床后的支点。

所述方桩的桩顶设置有混凝土垫块，所述混凝土垫块采用C30混凝土并配有钢筋。

所述混凝土垫块的下端设有钢帽子，并可套入所述大头桩顶，并配有自动螺栓，可以固定于桩顶。

所述安装垫块的桩按梅花型布置，保证浮箱座床后垫块能均匀受压。

所述钢浮箱沉放通过限位墩控制，钢浮箱位置只有在被准确锁定之后，其灌水下沉才有可靠保证。

为实时跟踪并控制钢浮箱在拖带沉放过程中的位置及标高情况，通过一GPS位置跟踪系统对钢浮箱拖运、沉放过程实时跟踪监测，显示钢浮箱三维坐标，以利于控制钢浮箱空间姿态。

所述GPS位置跟踪系统包括4台RTK GPS接收机，3台RTK GPS接收机用于实时确定钢浮箱的平面位置和方位，同时确定钢浮箱的姿态。1台RTKGPS接收机用于对钢浮箱位置、方位和姿态计算校核。

所述钢浮箱上设有锚缆系统，所述锚缆系统包括钢浮箱上安装卷扬机、锚具、导缆装置和200KW发电机，陆上大堤处埋设地垄。

本发明的软土地基上大型钢浮箱的施工方法，选取半数桩基顶标高精确测量为制作及安装砼垫块提供了可靠数据，对每一块垫块编号对应安装，确保顶面在同一高程平面，安装垫块后顶标高进行复测，误差小于2.5cm，满足设计钢浮箱倾斜小于1/500的要求；钢浮箱平面位置控制采用刚性墩台作为定位导向，空间位置通过GPS定位系统，并实时跟踪钢浮箱运行轨迹，便于调整钢浮箱空间姿态，从三维方向控制钢浮箱的位置；从而确保钢浮箱顺利就位，准确座床，实现本发明的目的。

附图说明

图1是本发明的基床结构示意图；

图2是本发明的碎石层导架整平示意图；

图3是本发明的桩顶标高测量的示意图；

图4是本发明的桩顶垫块布置示意图；

图5是本发明的钢浮箱上卷扬机及发电机的位置示意图；

图6是本发明的钢浮箱分舱示意图；

图7是本发明的钢浮箱阀门设置示意图；

图8是本发明的钢浮箱注水下沉前示意图；

图9是本发明的钢浮箱注水下沉后示意图；

图10是本发明的钢浮箱的进水速度示意图；

图11是水文正点潮位的曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达到目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

一种软土地基上大型钢浮箱的施工方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)完成外闸首水下基桩和基床的施工；

2)用拖轮将钢浮箱拖运至施工现场并配重调平；

3)对钢浮箱注水下沉使其座床；

4)对钢浮箱底面以下基床进行注浆固定。

混合基床施工

水下基床

钢浮箱沉放后座落于水下混合基床上，因此在钢浮箱沉放前水下基床需先施工完毕，方可满足钢浮箱沉放。水下基床基础采用桩基加混合基床结构，桩基为600×600钢筋砼预应力方桩，桩长37.3m，桩顶标高-13.20m，桩尖进入⑤3-2层4m。原设计水下混合基床：200g土工布+2.0m C30水下砼+0.5m碎石(注浆)组成，技术人员优化为：20cm抛石垫层+1.8m C30水下砼+0.5m碎石(注浆)，基床结构如下图1所示。

水下围堤

水下围堤主要是在砼基床四周形成内边长宽为122×25m、高2.5m的充砂被围堤，围堤高度从-14.20m～-11.70m。围堤采用吹填砂被方法实施；围堤采用5层砂被，每层砂被厚度约500mm，底层砂被宽6m、顶层宽2m，堆放成梯形状。

抛石垫层

水下混凝土基床浇筑前在基槽面上抛碎石垫层，以隔离土层与砼，碎石粒径为6～10cm，抛石厚度为20cm，考虑到混凝土浇筑时碎石会嵌入土体，抛石层厚度按30cm实施，抛石垫层方量约720m³。

水下混凝土

整个水下基床C30素混凝土基床共计4950m³，分三块依次浇筑，实施时采用水下导管法，C30素混凝土由水上大型砼搅拌船供应，在起重船配合下完成。

抛石基床

50cm厚碎石基床选用无风化、无针、粒状新鲜硬质岩石料，粒径为8～15cm，抛石厚度为50cm，考虑到以混凝土垫块来控制浮箱的安装精度，故抛石层顶标高控制宁低不高。抛石完成后，潜水员在测量人员配合下对抛石标高进行检测，然后采取导轨法进行抛石层的检查与平整，如图2。在混凝土垫块顶架设工字钢作为导轨，导架搁置于导轨上，导架底略低于碎石基床顶面，作业时由水上作业船牵引导架以配合潜水员检查与作业，可实现碎石层顶的检测与整平，确保碎石层顶高程略低于-11.70m。

高程及位置控制

标高控制

钢浮箱沉放高程要求相当高，特别是钢浮箱座床后整体纵横倾斜度是关系到横拉门能否顺利安装的关键点，故而控制基床平整度就是控制钢浮箱标高的关键点。研究的技术方案桩顶接高作为钢浮箱座床后的支点，同时水下抛石基床整平时按低于设计标高低1～2cm控制。

桩顶标高测量

测量桩顶标高采用在工作船舷侧固定一座导向标尺，管架内套一根长25m的2时钢管；钢管底端为一开孔的放大平板，通过方驳绞锚移船改变导向架的位置，由导架上的定滑轮来实现标杆的上升与下降，通过陆上水准仪读出标杆上的读数，可以反算出桩顶标高，以此确定预制垫块的高度；导向架测量示意如图3所示。

预制桩顶垫块

混凝土垫块平面尺寸50×50cm，采用C30混凝土并配有钢筋，其高度根据实测桩顶标高反算而来(约1.5m)，垫块下端有钢帽子，并可套入桩顶，并配有止动螺栓，可以固定桩顶。预制时根据测量桩顶标高确定垫块高度，并分组分别编号。

安装桩顶垫块

为保证浮箱座床后垫块能均匀受压，安装垫块的桩按梅花型选取，共计87根，如图4所示(图示中带圆圈的桩安装有砼垫块)。砼垫块安装由潜水员在潜水船的配合下水下实施，安装后由止动螺栓固定于桩顶，安装完成后及时对混凝土垫块顶标高进行复测。

平面位置控制

钢浮箱沉放的平面定位依靠限位墩控制，钢浮箱位置只有在被准确锁定之后，其灌水下沉才有可靠保证。根据平面位置要求，钢浮箱进位时共采用四个墩台进行平面限位，其中上游侧利用绞车房基础作为限位墩、下游设置1^#限位墩和岸侧设置2^#、3^#限位墩。绞车房基础平面尺寸13m×10m，底标高为+4.30m，顶标高+6.30m，桩基为5根800×δ14mm×44000mm钢管桩；1^#、2^#、3^#位墩平面尺度4.6m×4.6m底标高为+3.00m，顶标高为+4.50m，每个限位墩下设4根800×δ14mm×35000mm钢管桩。

绞车房基础向上游预留2cm；1^#定位墩边线与钢浮箱空间预留50cm，使得钢浮箱就位有一定的富余尺寸，又保护水泵房桩基在钢浮箱进位过程中避免受到碰撞；岸侧2^#、3^#限位墩边线离开钢浮箱设计边线15cm，为钢浮箱进位调整提供空间。当钢浮箱就位后，在限位墩上安装刚性限位件，刚性限位件控制钢浮箱水面以上位置，确保钢浮箱准确定位，限位墩平面布置示意参见图4。

GPS位置跟踪系统

系统组成及原理

为实时跟踪并监测钢浮箱在拖带沉放过程中的位置及标高情况，特开发一套GPS位置跟踪系统，对钢浮箱拖运、沉放过程实时跟踪监测，显示钢浮箱三维坐标，以利于控制钢浮箱空间姿态。系统的组成及各部分的作用下表1。

表1

  序号 名称  数量  作用  1 RTK GPS参考站  1  用于高精度RTK GPS定位的参考站  2 RTK GPS接收机  4  用于确定钢浮箱的位置、方位和姿态。  3 多媒体计算机  1  用于运行系统软件。  4 多串口卡  1  用于扩展计算机的串口数量，是系统采集各  传感器数据的硬件接口。  5 系统软件  1  用于采集各传感器数据，计算并显示钢浮箱的  设计位置、当前钢浮箱的实际位置及姿态等信  息。

根据不在同一直线的3点确定一平面的原理，利用3台RTK GPS接收机可以实时确定钢浮箱的平面位置和方位，同时确定钢浮箱的姿态。第4台RTKGPS接收机用于对钢浮箱位置、方位和姿态计算校核。

数学模型

系统位置参数包括：GPS天线位置(GGA格式的大地坐标)、GPS天线安装位置、钢浮箱中心位置。

系统坐标参数包括：GPS WGS84坐标到工程坐标的坐标系转换参数、实时计算工程坐标系与钢浮箱坐标系的转换参数、钢浮箱姿态及由姿态引起的改正、钢浮箱各参考点的工程坐标系坐标，并与设计坐标比较计算差值。

设计参数包括：钢浮箱尺寸(长、宽、高)、钢浮箱设计顶、底高程，限位墩台尺寸、位置与钢浮箱之间的关系。

沉放过程显示

钢浮箱沉放过程通过图形、文字、设备状态、软件运行效果、安装现场图显示，反映沉放全过程实况。

沉放辅助工作

锚缆系统

钢浮箱拖至外闸首前沿150m处，钢浮箱靠拖轮顶推无法准确就位，而需在锚缆系统作用下平缓就位。锚缆系统主要是在钢浮箱上安装卷扬机、锚具、导缆装置和200KW发电机，陆上大堤处埋设地垄。

钢浮箱顶部上下游侧钢结构平台上安装4台20t卷扬机，用于就位、沉放操作。卷扬机各配备300m钢丝绳，钢丝绳直径□32mm，布置在钢浮箱两端，江岸侧各2只，江侧为1^#和2^#，岸侧为3^#和4^#；其中江侧上游卷扬机系于上游的6^#码头150t的带缆桩上，下游卷扬机通过钢丝未端与7t海军锚连接。岸侧两只卷扬机于临时围堰两个地垄上。钢浮箱车身拖运过程中无动力来源，操控卷扬机所需电力由在钢浮箱上安装200KW发电机提供；发电机在钢浮箱上居中布置，卷扬机及发电机位置见图5。

在临时围堰坡脚处埋设两只地垄，供钢浮箱进位带缆需要，地垄能提供水平作用力不小于20t。

钢浮箱配重平衡

自重荷载分布

钢浮箱在下沉前需浇筑钢浮箱底板砼，此时钢浮箱由砼厚度2.0m～4.3m不等。钢浮箱以长度方向划分，分为A、B、C、D、E五个舱，各舱平面长度分别为14.5m、44m、19m、21m、18m，分舱长度见图6。沉放前按钢浮箱标高施工至-9.70m。口门位置施工至-7.40m计算，各舱砼方量分别为594.5m³、3132.7m³、1113.4m³、1230m³、1054.8m³，钢浮箱自重荷载分布见表2。

表2

钢浮箱总重量G＝20354t，此时钢浮箱吃水h＝G÷L÷B＝20354÷116.5÷20.5＝8.52m。但由于钢浮箱A、B、C、D、E五个舱荷载分布不均，钢浮箱在长度方向和宽度方向呈现一定倾斜状态。沉放钢浮箱前需配重调平，为此计算钢浮箱受力平衡所需条件。

配重平衡计算

钢浮箱长宽比＝116.5∶20.5＝5.8∶1，相同的力矩其横向不均匀荷载产生的不平衡力矩所引起的横向倾斜较纵向不均匀荷载产生的不平衡力矩所引起的纵向倾斜明显。对钢浮箱横向和纵向平衡分别进行计算，调平后钢浮箱总重量为：21053t，调平后的钢浮箱吃水8.8m。

进水阀门设置

钢浮箱制作时在其钢浮箱以上7m设置8只进水阀门，分别位于A、B、D、E舱，阀门直径□300mm，作为钢浮箱沉放注水通道。为控制钢浮箱沉放平稳进行，在C舱和D舱之间另设3只调节注水水阀，D舱内部设1只调节水阀，D舱和E舱之间设1只调节水阀，E舱内部设1只调节水阀，水阀直径□150mm，设在钢浮箱底面以上4.5m处，钢浮箱阀门设置情况见图7。

钢浮箱注水下沉时间计算

钢浮箱下沉时长江日潮位标高以+2.0m计，则钢浮箱沉放至标高时其吃水深度

H＝2.0+11.7＝13.7m，

其浮力为F浮＝13.7×116.5×20.5＝32719t。

浮力与钢浮箱总重之间差值为：

F＝F浮-F总＝11666t。

故钢浮箱沉放座床需注水11666m³。各舱水面高程相同，各舱进水量分别为：

A舱注水量：WA＝11666÷116.5×14.5＝1452m³

同理可知B舱注水量：WB＝4406m³；C舱注水量：WC＝1903m³；D舱注水量：WD＝2103m³；E舱注水量：WE＝1802m³

B舱注水量最大，注水量为4406m³，不考虑钢浮箱沉放过程中调节进水阀门，控制钢浮箱下沉速率，以B舱注水作为基准，计算钢浮箱沉放坐床所需时间计算图示见图8、图9、图10。

注水舶开启后，进水速度：$V=\sqrt{2\mathrm{gh}}$

由此可知进水后，h将逐渐增加，故V随h变化而逐渐变化，

流量：Q＝V*A，进水量；w＝Q*t＝v*A*t，

$W=\sqrt{2\mathrm{gh}}*A*t,$

$t=W/(\sqrt{2\mathrm{gh}}*A)\Rightarrow \mathrm{dt}=\mathrm{dw}/(\sqrt{2\mathrm{gh}}*A)$

由此计算出进水时间：t≈2h。

钢浮箱沉放过程中需不断调整其平衡状态，各舱阀门会适当开关，同时随钢浮箱内水位的上升，进水流速变缓，总体下沉时间按4小时估算。

拖运时间选择

根据潮汛条件选择小潮汛期间，进行钢浮箱拖运及沉放工作，为小潮汛汛期，潮位落差不大，潮流比较平缓，当天潮位情况汇总见表3。

表3

其正点潮位曲线见图11。

依据上述图表可知，自8时至18时潮位变动范围在1.5m以内，有利于钢浮箱拖运与沉放。

拖轮配备

拖运钢浮箱需配备的拖轮组根据拖航阻力计算进行配置。拖航总阻力RT按以下经验公式计算：

RT＝1.15[Rf+RB+(Rft+RBt)]KN

式中：Rf-被拖船的摩擦阻力，KN

RB-被拖船的剩余阻力，KN

Rft-拖船的摩擦阻力，KN

RBt-拖船的剩余阻力，KN

拖轮阻力亦可按上述近似公式计算。

从上述公式可知拖航总阻力RT＝1050KN，选定的拖轮配置见下表4。

表4

根据钢浮箱的排水量Δ，依据拖航经验公式，估算钢浮箱在静水中不同拖速时所需的牵引力如表5所示。

表5

钢浮箱拖运

在高平潮，利用平潮时段完成拖轮进点、拖轮带缆以及钢浮箱解缆工作；待开始落潮时利用落潮流拖运浮箱离开码头及进入主航道。

被拖物钢浮箱既无动力又属于大型载体，其本体既长且吃水又深，结构庞大排水量达22,000t，拖运钢浮箱需要有足够大的外作用力和足够的控制能力以满足安全操控的要求，达到钢浮箱在整个拖运过程中避让及时、转向灵活的目的，钢浮箱需获得最大的转船力矩，因此拖轮拖运钢浮箱时进行合理的布置、分工。离泊时以拖轮位置按钢浮箱靠泊状态分布。钢浮箱被拖至码头外缘开阔水域后，各拖轮重新编队组合，采取四绑一吊的编队方式。

钢浮箱就位

钢浮箱拖运至施工现场150米水域后，处于落潮流时段，拖轮尽量稳定住钢浮箱。启动钢浮箱卷扬机系统，指派两艘锚艇同时给钢浮箱上下游进行系缆、送锚，并使两锚分别受力，而后再给钢浮箱内侧即北侧面(绞缆卷扬机)钢缆送至岸上地垄，同时内侧傍拖的拖轮解缆离开。待钢缆全部连接妥当后，钢浮箱进点就位，卷扬机绞拉过程中，钢浮箱缓慢进位，同时所有拖轮继续在旁守侯待命。视情形可对钢浮箱进点过程中采取顶推、牵拉作业，进位中不断调整钢浮箱平顺度，使钢浮箱能够平稳、顺利、安全的进入指定的基槽内。

钢浮箱注水下沉

钢浮箱进入限位后，根据跟踪监测系统反馈的数据，拖轮和卷扬机微微调整钢浮箱平面位置，对钢浮箱进行精确定位。精确定位后，拖轮靠在钢浮箱外侧待命，进行钢浮箱注水下沉。

指挥人员发出注水下沉指令，施工人员开启进水阀门，对钢浮箱进行注水，调节进水阀门，各舱水位上升速率相同，钢浮箱保持平稳，均匀下沉。

钢浮箱下沉至-11.20m时，进一步调节进水阀门进水速率，调整钢浮箱横纵方向倾斜度，调平钢浮箱，控制其倾斜度小于设计要求，缓慢下沉，平稳且准确坐床。坐床后继续对钢浮箱内注水，钢浮箱内水位升至+3.0m以上，钢浮箱重力大于浮力，保持钢浮箱稳定，最后关闭进水阀门。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。