应用触变泥浆使大圆筒顺利下沉的设想

维普资讯 http://www.cqvip.com ・　２６　・　港工技术　２００７年１Ｏ月　Ｎｏ．５　应用触变泥浆使大圆筒顺利下沉的设想　李晓飞　（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州　５１０２３０）　摘要：触变泥浆作为冶金、水利等建筑工程行业解决沉井下沉的主要施工技术，设想应用到港口海岸工程，利用相关计算　公式对某港护岸工程大圆筒下沉的可行性作了理论分析。　关键词：触变泥浆；大圆筒下沉；理论计算　中图分类号：ＴＵ７５３．６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—９５９２（２００７）０５—００２６—０３　Ｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｓｉｎｋｉｎｇ　Ｂｉｇ　Ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｙ　Ｕｓｉｎｇ　Ｔｏｕｃｈａｂｌｅ　Ｓｌｕｒｒｙ　Ｌｉ　Ｘｉａｏｆｅｉ　（ＣＣＣＣ　Ｆｏｕｒｔｈ　Ｈａｒｂｏｒ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０２３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｕｃｈａｂｌｅ　ｓｌｕｒｒｙ　ｉｓ　ａ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　ｓｉｎｋｉｎｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　ａｎｄ　ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ　ｗｏｒｋｓ，Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔＯ　ｓｉｎｋ　ｂｉｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｉｎ　ｐｏｒｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｆｆｅｒｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｒｅｌａｔｅｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｏｕｃｈａｂｌｅ　ｓｌｕｒｒｙ；ｓｉｎｋｉｎｇ　ｂｉｇ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　插入式大圆筒结构是一种新型的码头结构型　土盖板、胸墙、筒内回填砂、筒与筒之间插打钢板桩、　式，而触变泥浆是其它建筑工程行业解决沉井下沉　钢板桩内现浇混凝土、圆筒后施打塑料排水板组成。　的主要施工技术。本文以某护岸工程为例，设想两　圆筒外径为１３．５　ｍ，壁厚２８　ｃｍ，吊重控制在５００　ｔ　者相结合以解决该工程大圆筒下沉的问题，并引用　以内；筒顶高程为０．５０　ｍ（当地理论最低潮面起算，　相关计算公式对该工程施工前后大圆筒下沉的可行　下同），筒底高程～１６．Ｏ０　ｍ；筒顶钢筋混凝土盖板　性作了理论分析。　厚１．５　ｍ；筒内开挖清淤后回填中粗砂；高程一１０．０　１　工程概况　ｍ以上需振冲密实；圆筒与圆筒之间的净距为０．６　护岸工程位于广州番禺南沙开发区珠江右岸，　ｍ，采用钢板桩插板内现浇混凝土处理；圆筒后施　护岸前沿距陆上建筑物２００　ｍ，北接南沙联合码头，　打塑料排水板。护岸断面见图１。　南至蒲洲山东麓；护岸总长５７９．０６　ｍ，采用钢筋混　凝土大圆筒结构。该工程区地层从上至下可分为流　Ｊ　一　＼　…１　４５　／　泥～淤泥、中粗砂、淤泥、粗砾砂、淤泥～淤泥质粘　淤泥　２８０　塑料排水板区　土、残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩层等，其中　淤泥质土　，一．　５　ｌ　粗砂层为地震液化土，不宜作天然地基持力层。该　＝ｌ４　－１４　４５工．＿—工—＝三　：　Ｊ，　区域地质较为复杂，变化比较大。　粗砾砂　护岸断面主要由钢筋混凝土大圆筒、钢筋混凝　全风化岩　３２４５　ｎ＝１５　．——３４．９５　ｎ＝３２　强风化岩　图１护岸断面图　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００７年１０月　Ｎｏ．５　港　工技　术　２．５计算结果　根据该断面的地质资料经计算得：　・　２７　・　２大圆筒下沉计算　大圆筒的下沉计算，取中粗砂最厚的断面进行　分析，圆筒下沉计算断面的地质钻探剖面如图２所　ｆ１—４　ｋＰａ，ｈ１—０．８　ｍ；ｆ２—７０　ｋＰａ，ｈ２＝１０．６　示。　７－１…４５　－２．２５　２８０　ｌ２９４０　２８０　中粗砂　７一ｌ２．８５　７一ｌ４．４５淤泥质土　口一ｌ６．０ｏ　圆筒底高程　粗砾砂　ｎ＝１５　—３２．４５　．　图２圆筒下沉计算断面的地质剖面　２．１设计水位　设计高水位：３．２７　ｍ；设计低水位：０．５６　ｍ；施　工水位：１．２９　ｍ。　２．２　波浪　港址位于珠江口伶仃洋喇叭湾顶以内，外海传　进来的波浪受沿程众多岛屿、河床地形及水深等因　素影响，传到港区已逐渐消能，波浪不大，施工时　可不考虑波浪影响。　２．３侧摩阻力　根据地质勘察报告揭示，对筒壁产生侧摩阻力　（考虑筒内原状土全部掏空，包括刃角下的土）的土　质有：　①流泥：４　ｋＰａ；②中粗砂：７０　ｋＰａ；③淤泥：１２　ｋＰａ；④粗砾砂：１００　ｋＰａ。　２．４筒壁总摩擦力计算原理　假定在深度０～５　ｍ范围内，单位面积摩擦力　按直线规律自零起逐步增加，在深度５　ｍ以下，单　位面积摩擦力为一常数。　所以作用在筒外壁的总摩擦力为：　Ｒ，一Ｕ（＾。一２．５）ｆ　Ｒ，一圆筒外壁总摩擦力；　Ｕ一圆筒外壁周长，ｍ；　＾。一圆筒入土深度，ｍ；　土与筒壁单位面积的摩擦力，ｋＰａ。　多个土层时厂一（，１＾　＋，２＾　＋…＋　ｈ　）／（＾　＋＾　＋…＋ｈ　）　ｍ；ｆ３—１２　ｋＰａ，ｈ３—１．６　ｍ；ｆ４＝＝＝１００　ｋＰａ，ｈ４—１．５５　ｍ；　Ｕ—ｎＤ一３．１４×１３．５—４２．３９　ｍ　厂一（４　Ｘ　０．８＋７０　Ｘ　１０．６＋１２　Ｘ　１．６＋１００　Ｘ　１＿５５）／１４．５５—６３．１９　ｋＰａ　Ｒｆ＝Ｕ（ｈｏ一２．５）厂一４２．３９　Ｘ（１４．５５—　２．５）×６３．１９—３２　２７７　ｋＮ　考虑圆筒刃角正面端阻力和圆筒倾斜所产生的　竖向反力等不可预知的因素，要使圆筒下沉，所有竖　向荷载的总和ｗ必须大于ｋ倍的圆筒外壁总摩擦　力。其中ｋ为圆筒可沉性系数；地质复杂时一般取　高值，地质单一时取低值。　愚一Ｗ／Ｒ，≥１．１０～１．２５　其中，愚一可沉性系数；　所以Ｗ≥ｋＲ　ｒ一１．１　Ｘ　３２　２７７＝＝＝３５　５０５　ｋＮ；　ｗ一圆筒本身重量（减去浮力）＋施工荷载＋专　门为下沉所加的压重。　２．６计算结果分析　本次设计大圆筒质量为４７０　ｔ，水下质量为２７８　ｔ，其自重力远小于圆筒下沉的摩擦力，所以对施工　造成很大的困难，需增加辅助下沉工艺。目前沉井　下沉工艺较为成熟，在土建、交通、水利、冶金、铁道　等领域应用比较广泛。如有射水下沉法、大开挖法、　触变泥浆法、气幕法、炮震下沉法、机械振动法，压重　下沉法、抽水下沉法、真空气压法等。　３施工程序设想　针对本工程大圆筒下沉辅助工艺，根据该地质　资料以及施工技术水平、经济效果、专业设备等方面　进行分析比较，最后设想如下综合下沉施工方法。　施工程序分为３个步骤：　部分开挖（一６．００　ｍ）；　触变泥浆（一１０．００　ｍ）；　加压载水箱（一１６．００　ｍ）。　３．１　部分开挖　将原泥面开挖到一６．０　ｍ，基槽平整后，沉放大　圆筒，筒内用抓斗抓泥或用吸泥泵吸泥。按此工序　施工的主要原因有：　１）可保证大型船舶作业时间；　２）可减少中粗砂的厚度，从而减少下沉的侧摩　阻力；　３）基槽平整有利于大圆筒竖直沉放；　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　２８　・　港工技术　２００７年１０月　Ｎｏ．５　４）减少筒内壁的侧摩阻力，有利于圆筒下沉。　３．２触变泥浆　触变泥浆是由膨润土、淡水和纯碱搅拌而成的　泥浆，具有触变性、较小的流动性和较强的稳定性，　并保证在较长的时间内不致于发生水离析现象和保　持一定的稠度。本次设计圆筒外壁制成宽度为１０　～２０　ｃｍ的台阶作为泥浆槽，泥浆用泥浆泵通过设　在筒内的垂直压浆泵压入，由预埋在筒壁体内的泥　浆冲刷管（沿大圆筒一周，间距３．５　ｍ预埋一处泥　浆冲刷管）向筒壁四周压泥浆，从而使外筒壁充满触　变泥浆，当圆筒下沉到一１０．００　ｍ高程时，停止压　浆。一１０．００　ｍ以上由原来的中粗砂与筒壁接触变　为泥浆与筒壁接触。这样就大幅度减少了圆筒与土　体的侧摩阻力。灌浆时要在作业船上储备一定数量　的泥浆，以便下沉时不断补浆。待整个下沉工艺完　成后，采用外压水泥浆、水泥砂浆等凝固材料挤出泥　浆。同时可加水玻璃等促凝剂，待其凝固后，可增加　圆筒与土体的摩擦力。泥浆压送管布置见图３，触　变泥浆主要技术指标见表１。　图３触变泥浆压送管示惫图　３．３加压载水箱　当大圆筒下沉到一定深度后，加载钢筋混凝土　水箱。水箱受施工设备（吊重与吊架控制水箱　的重量与高度）。不能太大，高度亦不能太高。本次　设计压载水箱质量４７０　ｔ，高５．６　ｍ，水箱装水容量　为６３５　ｍ。，水箱分６个隔仓。在圆筒顶面加水箱后　慢慢向仓内加水，可利用水箱分格对下沉圆筒纠偏。　这样可防止下沉过快并保证有一定的下沉速度。当　下沉到设计高程时停止加水，利用调节水的重量顺　利控制筒底高程，以保证整个下沉工艺的准确性。　表１触变泥浆技术指标　名称　指标　试验方法　比重　１．１～１．４０　泥浆比重秤　粘度／ｓ　＞３０　５００　ｃｃ／７００　ｃｃ／漏斗法　含砂量（　）　＜４　胶体率（　）　１ＯＯ　量杯法　失水量／（ｍＬ・３０　ｍｉｎ　）　＜１４　失水量仪　泥皮厚度／ｍｍ　≤３　失水量仪　静切力／（ｍｇ・ｃｎｌ一。）　＞３０　静切力计（１０ｍｉｎ）　ＰＨ值　≥８　ｐｈ试纸　触变泥浆后的土与壁，值　３～５　｝ｆｋＰａ　注：泥浆配合比为，粘土：水一０．３５～Ｏ．４：０．６５～０．６　４　结论　采用以上施工步骤，利用上述公式验算其圆筒　下沉的可行性。计算结果如下：　－厂１—４　ｋＰａ，ｈ１—４　ｍ；－厂２—７０　ｋＰａ，ｈ２—２．８５　ｍ；　－厂３—１２　ｋＰａ，ｈ３—１．６　ｍ；－厂４—１００　ｋＰａ，ｈ４＝＝＝１．５５　ｍ；　Ｕ一７ｒＤ＝３．１４×１３．５—４２．３９　ｍ　；　－厂一（４×４＋７０×２．８５＋１２×１．６＋　１００×１．５５）／１０：３８．４７　ｋＰａ　Ｒｓ—Ｕ（ｈ０—２．５）ｆ一４２．３９×（１０—２．５）×　３８．４７—１２　２３０　ｋＮ　Ｗ≥ｋＲｓ—１．１×１２　２３０＝１３　４５３　ｋＮ　采用以上施工步骤后的竖向荷载总和ｗ值为：　Ｗ一２　７８０＋４　７００＋６　３５０＝１３　８３０　ｋＮ＞１３　４５３　ｋＮ。　经以上计算得出结论，大圆筒下沉是可行的。　本次施工可尝试采用触变泥浆技术，这种技术　在插入式大圆筒施工方面应用很少。插入式大圆筒　的下沉设计与施工毕竟不完全类似于单个沉井（如　桥梁墩基础）的设计与施工，其大圆筒连片排列，圆　筒壁薄，数量较多，其施工工艺的原理分析和实验研　究等方面缺少必要的原形观测和物理模型实验。引　用触变泥浆后对周围土体的扰动与影响范围和在整　体的稳定性方面有待进一步论证，但其施工技术新　颖，材料用量省，施工速度快和工程造价低等特点，　为插入式大圆筒结构的设计与施工方面提供了一个　新的研究方向。