箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》是中交第一航務工程局有限公司完成的建築類施工工法，完成人是陳平、彭增量、吳鳳亮、官雲贈、任燚，適用於類似天津港地質泥面低於-4.0米的軟土地基、塊石、砂子等原材料緊缺的地區、氣浮拖運與負壓下沉工藝。

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》主要的工法特點是採用向構件內充氣，以壓縮氣體平衡自重的方法浮運；箱簡型結構採用在後方預製、拼接成型。

2008年1月31日，《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家一級工法。

基本介紹

• 中文名：箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法
• 工法編號： YJGF053-2006
• 完成單位：中交第一航務工程局有限公司
• 主要完成人：陳平、彭增量、吳鳳亮、官雲贈、任燚
• 套用實例：天津港北防波堤延伸工程
• 主要榮譽：國家一級工法（2005-2006年度）

形成原因

在天津港的發展規劃中，需要建造大量的防波堤及圍埝工程。但天津港的海底表層及淺層土為淤泥和淤泥質黏土。土體的物理力學指標較差。當防波堤和圍埝工程向深水區發展時，現採用的傳統拋石堤、或拋石基床和半圓體結構的混合堤對天津港軟土地基的適應能力有限，隨著防波堤向深水段的延伸，原結構形式防波堤的穩定性、可行性、經濟性都越來越不滿足發展的要求。2001年初，天津港集團公司組織天津大學建築工程學院港口工程系、中港第一航務工程局和中交第一航務工程勘察設計院開展了新型基礎防波堤結構的研究和工程試驗工作，最終開發出新型插入式箱筒型基礎防波堤結構。在2003年該新型結構的試驗工程施工中一航局率先採用了一系列的新技術，如氣浮運輸技術、負壓下沉技術、利用結構自身的特性進行糾偏技術等。

工法特點

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的工法特點是：

1.與傳統防波堤比較，箱筒型基礎結構防波堤有著顯著的區別。箱筒結構拖航採用向構件內充氣，以壓縮氣體平衡自重的方法浮運；此種結構為插入式新型防波堤，其基礎結構部分通過負壓沉入土體中。

2.針對新型結構的不同，採用的氣浮拖運與負壓下沉工藝為全新的施工工藝，完全自主創新。

3.箱簡型結構採用在後方預製、拼接成型，通過海上氣浮拖運、負壓下沉一次性施工建成防波堤。與傳統施工方法相比具有施工速度快，工程質量好，工程成本低等優點。

操作原理

適用範圍

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的適用範圍有：

1.箱筒型結構適用於類似天津港地質泥面低於-4.0米的軟土地基，此種地基上建造斜坡堤、混合堤或半圓形等結構形式防波堤可能造成地基不穩定或結構不穩定。

2.箱筒型結構採用負壓沉入土體中，沒有拋石基床，所以對塊石、砂子等原材料緊缺的地區有較大的適應性，體現一定經濟性。

3.氣浮拖運與負壓下沉工藝適用於箱筒型基礎防波堤的施工。

工藝原理

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的工藝原理敘述如下：

1.氣浮拖運：箱筒型基礎結構為有頂蓋無底的大型構件，靠自身排水不能滿足氣浮要求。通過向密閉的構件內打入壓縮空氣。靠壓縮空氣與外界大氣壓強的壓強差所產生的浮力，將箱筒型基礎構件氣浮後由拖輪拖運至工程位置。

2.負壓下沉：箱筒型基礎結構沉入土中，僅靠結構自重，無法滿足沉人深度要求。需要從密閉的結構內排氣抽水，使筒內外形成壓差而克服摩阻力，自行沉入土體中，滿足設計要求。

施工工藝

天津港防波堤延伸一期工程及箱筒型防波堤試驗工程均採用了氣浮拖運與負壓下沉施工工藝來完成箱筒型防波堤的外海施工。

• 箱筒結構

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的箱筒型基礎防波堤結構由上下兩部分組成，下部為箱簡型基礎結構，上部為直立圓筒結構。防波堤結構立體圖見圖1，平面圖見圖2。

具體結構如下：

下部基礎結構：由四個形狀相同的圓筒組成，圓簡間用連線牆連線。四個圓筒上有頂蓋板，蓋板四角為圓弧狀。

上部結構：則由兩個單筒組成，其形狀與基礎筒相近，兩圓簡間用耳牆連線。

上部結構與基礎結構間用杯口圈樑現澆混凝土結構連線為整體。

• 箱筒結構氣浮拖運工藝流程

一、《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的箱筒結構氣浮拖運工藝流程見圖3。

圖3 箱筒結構氣浮拖運工藝流程

二、箱筒型基礎結構於浮船塢上拼接完畢後，拖運到適宜地點駐位下潛，並將載有空壓機的充

氣駁靠在浮船塢一側。平面布置圖見圖4。

圖4 平面布置圖

三、連線充氣管道

1.將提前盤好在箱簡型基礎結構上的橡膠軟管引向充氣駁，施工過程中應避免嚴重磨損，及彎折現象，並保證膠管順直地通到自航駁上。確保充氣時氣流順暢。

2.將橡膠軟管通到自航駁後，將帶有編號的膠管與相應的空壓機接口對接。連線後進行檢查，保證接口氣閉嚴密，編號對應正確。

3.充氣駁試驗性的將空壓機按編號依次打開充氣，基礎結構上的指揮人員檢驗相應編號膠管內氣體流動是否正常。發現異常時，應安排專人對膠管及管件連線處檢查和維修。全部正常後，可關閉空壓機，等待下步氣浮施工。

四、連線控制纜繩

1.在4個下部基礎結構的圓筒頂預埋的吊點上系好纜繩。並通纜到浮船塢塢牆頂部相應位置的繫船柱上。

2.每個繫船柱安排2人控制纜繩的收放。並配備有通信工具，與基礎結構上指揮人員聯繫。將纜繩繫緊後，應仔細檢查。當4根控制纜全部連線完畢後，方可進行下步施工。

3.對浮船塢甲板進行清理工作。

五、基礎結構氣浮

1.掌握該海區的潮水及水深情況，必要時結構下潛與拖航施工等可乘潮作業。

2.浮船塢開始向水倉壓載緩慢下沉，並注意控制好船體的平衡。下潛時應密切注意船底雷達，當浮船塢的船底鋼板離泥面還有0.6米的距離時，立即停止充水下沉。

3.下潛到位後。打開空壓機同時向4個下部基礎結構的圓筒內充氣。在向第一組基礎結構內充氣的同時，應向浮船塢相應的位置水倉壓載，使浮船塢的甲板保持水平。

4.充氣過程中，自航駁上觀測人員應密切關注基礎結構。在基礎結構浮起的瞬間，停止向圓筒內充氣，並仔細觀察結構偏斜情況，然後及時指揮圓筒上人員調節閥門，再對相應基礎圓筒內充氣，將基礎結構調平。

5.下部基礎結構浮起時，浮船塢塢牆上人員應及時控制好浮船塢與基礎結構連線的4根繩纜，避免基礎結構在水流的推動下撞向浮船塢的塢牆。

6.當基礎結構狀態穩定後。則繼續緩慢向構件內充氣令其浮起至筒底高出浮船塢船甲板50厘米。

六、下部結構移出浮船塢

1.筒上人員將事先盤好放置在結構上的拖帶纜繩給交通船，由交通船向待命拖輪通纜。

2.拖輪啟動後，通過收縮基礎結構上與浮船塢連線的繩纜，控制箱筒基礎結構，確保拖輪緩慢並平穩的將基礎結構牽出浮船塢。

箱筒牽出浮船塢平面圖見圖5。

圖5 箱筒型基礎結構牽出浮船塢平面圖

3.待結構完全移出浮船塢後，基礎結構上施工人員將4根控制纜鬆開，由浮船塢人員帶回。拖輪拖運基礎結構緩慢的駛向定位船。

七、基礎結構的拖運

氣浮拖運過程的技術參數：

為確保氣浮拖運過程的安全，必須進行浮游穩定驗算，確保結構吃水深度；拖帶航速不宜大於2節，拖帶力按F=Aγ_wV/2g公式計算（A為迎水面積，γ_w海水容重，V航速），拖纜根據計算拖帶力選擇相應直徑的尼龍纜，拖點位置設在筒體間豎向連線牆上，兩側各1個，採用鋼板焊接。

拖運過程中基礎結構兩邊各有1條監護船護航，觀測人員注意觀察基礎筒壁上的水位刻度線，當發現結構傾斜嚴重時，應及時通過充氣駁上空壓機進行補氣。

筒結構的定位及下沉工藝流程

一、《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的筒結構的定位及下沉工藝流程見圖6。

圖6 箱簡結構的定位及下沉工藝流程

二、基礎結構的定位

1.採用適宜的方駁作為定位船，並在箱簡型基礎結構到達之前，使用GPS現場精確定位。

2.當箱筒型基礎結構拖運接近定位方駁時，主拖輪解纜，由拖輪頂推基礎結構向定位方駁靠攏。交通船同時通兩根尼龍纜，連線基礎結構與定位船的錨機或對應的卷揚機，可利用該纜繩的收放，控制基礎結構靠向定位方駁。

3.箱筒型基礎結構靠穩後，操作定位船的錨機或卷揚機，利用與基礎結構連線的尼龍纜，精確定位基礎結構的一個方向位置。另一方向根據方駁定位點進行定位。定位示意圖見圖7。

圖7 箱簡結構定位示意圖

三、基礎結構的下沉

1.當基礎結構定位確認無誤後，船上人員將充氣橡膠軟管拆除，將抽氣橡膠軟管接在潛水排污泵排氣閥門上，並使基礎結構頂板上的排氣閥門處於打開狀態。操作人員完成準備工作，確認無誤後，全部回到定位船上，再通過控制定位船這端的排氣閥門進行排氣。以此實現在定位船上對排氣自沉及負壓下沉施工進行控制，達到減少安全隱患，提高工作效率的目的。箱筒下沉時示意圖見圖8。

圖8 箱筒結構下沉示意圖

2.由懸浮狀態下沉至泥面上30厘米時，操作人員關閉排氣閥門，停止排氣，測量人員再次通過GPS精確定位，基礎結構位置滿足設計要求後，再次打開閥門排氣，沉入土下。人土後將筒頂尼龍纜解開並收回船上。

3.由於原泥面的高差及土質不均，基礎結構入土下沉會產生傾斜位移。仔細觀察筒壁上水位刻度線，如高差超過10厘米，應關閉相應部位的閥門進行調整，確保箱筒基礎結構順直平穩的完成第一階段自重下沉。

四、基礎結構負壓下沉

1.完成上述工作後，啟動潛水排污泵，進行抽水負壓下沉，基礎結構下沉小的一側先啟動潛水排污泵，下沉大的一側後啟動，不間斷的觀測筒壁水位刻度線，隨時反饋，通過泵系的控制，隨時調整各台泵開關，確保結構的均衡下沉，直至接近設計標高。

2.當潛水排污泵出口處無水排出並有泥漿出現，即可關閉各潛水排污泵。當潮位達到日最高潮時，再次開啟泵系，通過大氣壓力和日最大水深壓力的組合作用檢驗基礎結構是否繼續下沉，維持30～60分鐘，如果基礎結構保持不動，則下沉結束。

工藝先進性和創新點

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的工藝先進性和創新點有：

一、與傳統沉箱的拖航方法比較，此工藝採用氣壓平衡基礎結構自重的拖航方法獨特、新穎，有較強可操作性。

二、採用負壓法來充分利用大氣壓力，其產生的下沉力可達到總下沉阻力的2.2~2.8倍，消耗能源少。

三、利用潛水排污泵箱系統，將負壓下沉施工轉移到定位方駁上。方便人員施工操作和對下沉質量的控制。

四、通過啟閉設定在方駁上相應編號的潛水排污泵閥門調整箱筒基礎結構下沉速率，並可以有效地調平和糾偏，達到控制（標高、傾斜、偏位）下沉。

材料設備

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》施工中未使用特殊材料，閥門管件均為國家標準鐵件。

施工中使用的船機設備有4台10立方米空壓機、5台潛水排污泵、1台發電機、1條自航駁、3條交通船、3條拖輪，1條定位方駁。以天津港南疆東部港區北圍埝三期工程為例，其設備參數見表1。

質量控制

一、施工質量標準

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的箱筒型基礎結構屬新型結構，還沒有相應的施工規範標準。

根據工程實際施工情況看，箱簡型結構氣浮定位，排氣自沉都能較好的控制。但在負壓下沉時。由於沉入土體過程中摩阻力不均勻，會出現偏差。儘管過程中可通過閥門控制對其糾偏，但最終下沉結束後仍會有一定的偏位。

根據實際工程情況，制定並推行了箱筒型結構的外海安裝施工質量標準。

二、技術組織措施

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的技術組織措施有：

1.連線充氣管路後，應預先充氣檢測，確保氣管通暢並無明顯漏氣。

2.氣浮拖運時筒上人員用壓力表適時檢測筒內氣壓。

3.在各基礎筒壁上劃好刻度線，監護船隨時觀察浮運時結構吃水深度，低於要求時應及時補氣。

4.箱簡型基礎結構初定位後，有專人用鋼尺校核兩組箱筒間的距離，保證其不大於15厘米。

5.GPS定位必須進行2次精確定位後，才能最終自沉入土。

6.箱筒結構下沉過程中密切觀察筒壁刻度線，各筒水位線相差較大時，立即調節相應閥門，控制各基礎結構的圓筒下沉速率，對其進行糾偏。

7.負壓下沉過程中，當見有泥漿排出時，方可關閉潛水排污泵。

安全措施

根據《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》工藝要求，在氣浮拖航施工過程中，大量工作需要施工人員在上部基礎結構頂蓋板上進行，屬高處作業和水上作業。應遵守注意下列安全措施：

1.指定專人收聽天氣預報，異常惡劣天氣停止施工作業，並採取應急預案，保證船舶安全。

2.施工人員必須穿好防滑鞋和救生衣，佩戴安全帽。

3.箱筒頂蓋板上屬高處作業，在外邊緣位置預留孔。插入鋼管制做成護欄，提高高處作業安全性。

4.所有機電設備應有防雨罩，電源開關設專人負責。

5.作業人員上基礎結構頂板前，有專人檢查鐵梯牢固度，不符合要求時應及時更換。

6.傳遞倒運充氣管時，應至少在距簡邊緣1.5米處作業，沒有保護措施時不得探身俯視。

7.箱筒結構拖航時，頂板上施工人員應靠近結構中心就位。防止結構突然產生搖晃，人員高空墜海。

8.夜間施工時，設定充足照明設備。電氣設施、電纜要加以保護，防止觸電。機電設備均配備防雨布罩。

9.監護船全程監護箱筒結構拖運全過程。船上配備救生器具，用於緊急情況時的救援工作。

10.在箱筒基礎結構下沉過程中，施工人員轉移到方駁上作業，降低施工危險性。

環保措施

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的環保措施如下：

1.施工船舶作業時嚴格執行《中華人民共和國防止船舶污染海域管理條例》，在船上設立專用油污水艙（櫃）來裝油和污水。

2.海上施工時嚴禁船舶將油污排泄到水中。對機電設備所用的柴油應密封嚴緊，更換破舊容器，保證無油氣泄漏，不污染海洋。

3.施工船舶和機電設備要做到定期檢查、維修保養，防止設備漏油污染環境。

4.指定專人定期到各船收集生活垃圾，禁止將生活垃圾扔人海中。生活及工作產生的廢水一律回收，集中處理。

5.按國家規定油類作業操作規程進行油類作業，防止溢油、跑油、漏油事故發生。

6.若發生漏油等意外事故，應及時採取清除措施，並同時向海事部門報告，防止擴大海洋污染。

效益分析

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的效益分析如下：

一、經濟效益分析

天津港已建的深水防波堤工程中，半圓體結構型式綜合單價為12.7萬元/米。而箱筒結構形式綜合單價為12.1萬元/米。僅1千米防波堤就可節省約600萬。

註：施工費用以2005-2006年施工材料價格計算

二、社會效益分析

箱筒型基礎結構適用於深水淤泥質軟土地基上建造防波堤。天津港廣泛採用的半圓體結構防波堤在-4.0米以內水深有較好的經濟性，但在超過-4.0米水深的軟基上，半圓體型防波堤在結構穩定耐久和經濟效益方面均低於箱筒型基礎結構防波堤。

中交第一航務工程勘察設計院編撰的《天津港防波堤延伸工程初步設計》中，對半圓體型、箱筒型基礎結構、半圓形構件填砂等結構做了比較。最終明確指出在-4.3～4.9米處推薦建造鋼筋混凝土箱筒型基礎結構防波堤。新型防波堤結構可運用於建造防波堤，圍埝等，其具有前景。

氣浮拖運與負壓下沉工藝為針對箱筒型基礎結構而開發的新型施工工藝。從實際工程分析，從結構拖運到下沉完畢，僅需要24小時。與傳統軟土地基建造防波堤中基床拋石，整平等施工工藝相比，其外海作業時間短，效率高，成本低。

氣浮拖運與負壓下沉工藝充分運用了大氣壓強的原理形成動力，相比震動下沉等工藝安裝質量高，且節約能源，具有一定優越性。

在箱簡型基礎結構防波堤的市場前景下，氣浮拖運與負壓下沉施工技術的成功開發對新型結構的推廣具有意義。

套用實例

《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》的套用實例如下：

2003年11月至2004年6月，首次運用了氣浮拖運與負壓下沉施工技術完成了箱筒型基礎結構防波堤試驗工程的箱筒結構安裝。此工程位於天津港北大防波堤以東，共有3組箱筒試驗結構。

天津港北防波堤延伸工程長3.32千米，共119組。2005年11月至2006年3月，完成了箱簡基礎結構防波堤典型施工工程。此工程位於北防波堤延伸工程東段，共4組箱筒結構，其中單組箱筒型基礎結構總重近2800噸。此工程主體箱筒結構也運用此工法順利地完成了安裝。

天津港南疆東部港區箱筒型基礎防波堤工程建設2.10千米，共74組。其中2006年8月份開工的天津港南疆東部港區北圍埝三期工程，屬在建工程。其位於天津港南疆港區以東，共需沉放安裝50組箱筒結構，圍埝總長約1.4千米，單組箱筒總重已達3270噸。

榮譽表彰

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》建質[2008]22號，《箱筒型基礎結構氣浮拖運與負壓下沉工法》被評定為2005-2006年度國家一級工法。