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1、滩海低桩承台逆施筑岛工法(9318 工字 03 号)铁道部第十八工程局三处 褚延芳一、前言天津大港油田张巨河先导性试验人工岛，是为开发该海域的油气资源而设立的试验项目。该岛位于张巨河滩涂上，距海岸 4.12km，海图水深 0m。该海域是海床极为平缓的潮间带，淤泥厚，无航道，潮差大，风暴潮频率高，冬季堆冰严重，回淤快。在这种条件下修筑人工岛，开辟施工场地很困难，材料、机具无处置放，供料运输全无航道，每天还要受两次海潮的冲击，故施工难度非常大。为此，我局与中船总九院、河海大学、天津大学等单位协作，共同攻关，开发制定了大直径双壁钢沉井式环状低桩承台、台桩逆作的施工技术、大直径双壁钢沉井均衡下沉工艺、
2、流塑状淤泥中灌注桩的成桩工艺、台桩逆作桩群同时加载工艺；采用了散料小容量料斗集中、平舶乘潮航运、落滩吊卸的供料方式；研制了无缆塔架吊升扒杆。从而解决了上述施工难题，较为顺利地建成了人工岛。本项目的施工方案和施工工艺，于 1992 年 5 月通过了中国石油天然气总公司组织的专家评审，10 月通过鉴定，并获得中国铁道建筑总公司科技进步二等奖。二、原理及关键技术岛址所处的滩海潮间带，落潮后无水，海床为厚度很大的流塑状淤泥，涨潮后最大水深可达 6m。为使施工人员和机械获得作业平台，人工岛的基础设计成低桩承台结构，参照沉井和钢围堰(囹)的施工原理，将承台筑成内径 60.0m，外径 63.6m，底厚 1.
3、0m 的刃脚封闭式双壁钢沉井，内、外壁间净距接近 1.8m，沿圆环均匀布设 36 根直径为 1.4m 的打桩孔，桩孔之间用钢板隔开，圆环内用桁架结构联结，桁架顶面用钢板封闭构成作业平台。沉井结构在海岸用船舶建造方法焊接成型，在封闭的井筒平台上安装发电机、鼓风机等，用气垫方法将钢沉井垫起，在退潮时将其拖至岛位。这样，双壁钢沉井便成了岛的环形承台的模板，井筒封闭平台便成了作业场地，沉井外壁便成了挡浪设施。之后，便可按以下程序施作承台和桩：向 36 个间隔舱注水置换灌注水下混凝土使钢沉井均匀下沉在 36 个桩孔位置钻孔灌筑桩对 36根桩同时加载灌筑上部环形承台。本方案的关键技术有：1.大直径双壁钢沉
4、井均衡下沉工艺；2.流塑状淤泥中灌注桩的成孔成桩工艺；3.桩群同时加载工艺。三、工法特点1.本工法采用大直径双壁钢沉井式环状低桩承台台桩逆作(即先作部分平台再作钻孔桩)的筑岛施工方案，将钢沉井稳定在岛位，从而克服了潮汐、风浪的影响。2.采用 UWB 水下不分散混凝土置换灌注工艺，使钢沉井加载均匀、内外压力平衡，从而保证了沉井在淤泥中均匀沉降。3.采用了静压深护筒、高粘度护壁泥浆和旋转喷头泥浆管清孔等成孔成桩工艺，拓宽了钻孔灌注桩基础在海工工程中的应用范围，解决了在流塑状海滩淤泥中钻孔桩缩颈、塌孔等技术难题。4.桩群同时加载工艺，使台桩逆作完成低桩承台的结构组合。5.本工法参照坦克登陆的原理，将
5、大宗砂、石料采用小容量斗集装，以平舶乘海潮航运到岛位。码头装斗、岛上吊卸快捷方便且无散落。无浪风绳塔架扒杆与钢沉井联成一体，与其一起被施至岛位，省去了安装和运输环节。图 1 总体工艺流程图四、适用范围本工法适用于建造滩海区油气勘探人工岛工程、码头栈桥栈道工程、导航灯塔等设在滩涂的各种建筑物，也适用于极软地层的灌注桩和沉井施工。五、施工工艺总体工艺流程见图 1。操作要点如下：(一)注水钢沉井准确到位后，破顶放气落滩，同时向 36 个间隔仓内注水加载，使刃脚迅速入泥，水注满后沉井下沉 1.7m，即可保证涨潮时不漂移。(二)置换灌注水下混凝土以沉井井筒封闭平台作为堆料和作业场地(见图 2)，向各间隔
6、仓灌注混凝土。为防止因抽水造成间隔仓内外压力不平衡，我们采用灌注水下混凝土将仓内的水置换出去。为提高施工进度，我们在混凝土中掺加了 UWB 型絮凝剂，这种絮凝剂改善了混凝土的和易性和流动性，在水中不分散，故灌注时无需用导管。施工时要注意作业平台上料、机具布置平衡(见图 3)，灌注混凝土要对称。36 个间隔仓灌完混凝土，沉井则完成了第二阶段下沉。(三)沉井稳定下沉设计要求沉井下沉的速度小于 0.2mm/h，整体倾斜不得超过 1/200。当间隔仓全部灌满混凝土后，实测日下沉量为 3mm，径向最大高差为 16mm，满足稳定条件，可钻孔筑桩。(四)静压钢护筒入土钢护筒系用 10mm 厚的钢板制成，直径
7、为 1.3m，长 3.0m。其施工程序为：在桩位钻直径 1.2m，深 3.0m 的导孔，移开钻机，用千斤顶将护筒对准导孔以静压入土，深度至少要达到刃脚下 2.6m(以穿过淤泥层和粉土层为度，目的是避免坍孔或缩颈)。由于采用的是静压，所以使钢护筒外壁与地层间的摩阻得以保持，护筒则增强了桩身上部抵御波浪冲击力的能力。(五)成孔钻孔采用正循环潜水钻机，这主要是考虑到这种钻机轻便，适于粘土地层钻孔。护壁使用高粘度泥浆，泥浆用膨润土掺加 CMC(增粘)、FCL(分散)配制而成，其性能见表 1。(六)防止沉碴钻孔至设计深度后，钻机提起钻头和泥浆管，孔内泥浆失去循环条件而造成浮渣下沉，影响后续工序和成桩质量
8、，为解决这一问题，我们特制了一个丁字型旋转泥浆喷射管(见图 5)，提钻后立即将其下到孔底，喷浆推动泥浆管旋转，驱动孔内泥浆成涡流上下循环，使浮渣不得下沉，开始灌注混凝土时将其提出。(七)群桩同时加载表 1 泥浆性能36 根钻孔灌注桩完成后，由于未灌桩顶部位混凝土(见图 6 中的)故没承受沉井重量，沉井仍在缓缓下沉。为了使 36 根桩能同时承载，我们在钢壁竖向加劲板上安装了桩顶钢支墩扁担梁结构，根据支墩安装所需时间和沉井下沉的速度，将支墩与桩顶之间留出空隙，支墩结构全部安装完毕，再调整预留空隙使之一致，待沉井继续下沉，支墩结构便可同时全部落在桩顶上，此时，沉井重量便均匀地分散到各个桩上，钢沉井第
9、三阶段沉降完成，沉降停止。随即用硫铝酸盐快硬水泥混凝土灌注图 6 中的、部分。 图 6 岛壁和灌注桩剖面展开图六、机具设备本工法的主要机具设备见表 2。表 2 主要机具、设备七、劳动组织本工法劳力组织见表 3。表 3 劳力组织八、安全措施由于是在滩海潮间带的恶劣条件下施工，故作业时除遵守常规的钢筋混凝土、钻孔灌注桩和起重吊装等安全操作规程外，还应做到以下几点：1.向国家海洋信息中心索取施工期间的当地潮汐表，据之安排供料和人员上下岛时间；2.每日向气象台询问次日的气象预报和海浪信息，据之安排施工和采取相应防护措施；3.作业时必须有安全监护船守候，保障岛上施工人员能随时安全下岛；4.必须设有畅通的
10、无线通讯网络，确保覆盖全体作业人员和岛、陆、船互通；5.岛上、船上配备救生橡皮艇，以备个别漏乘人员使用；6.涨潮时严禁作业人员下海游泳，落潮时严禁涉滩；7.上岛人员必须穿橙色防护服。九、质量标准和质量控制(一)采用的质量标准1.交通部：港口工程技术规范(1987 年)；2.交通部：公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ02485)；3.公路桥涵施工技术规范 ；4.船舶检验局：海上固定平台入级与建造规范(1984 年)；5.交通部：港口工程质量检验评定标准)(JTJ24289)。(二)质量检查与控制本工法除钢筋混凝土施工按常规进行质量控制、检查和试验外，必须重点监控钢沉井的沉降和钻孔桩的质量，控制和
11、检查要点如下：1.对岛壁钢模沉井的沉降情况进行全过程全方位监测，发现偏斜须及时纠正(纠正方法是调整加载部位)，以确保其整体偏斜率不大于 1%，径向高差不超过 100cm。2.钻孔桩质量控制(1)因桩尖持力层的粉砂层太薄，故有必要在开钻前进行地质静探，以确定合适的桩尖标高；(2)静压桩顶护筒下口距刃脚须大于 2.6m，且必须穿过粉土层(标高-3.4-4.8m)，确保钻孔孔口不坍塌；(3)开钻前需检查泥浆的技术指标，确保泥浆有很好的护壁功能；(4)下钢筋笼的时间不得超过 30min；且需用旋转喷头使泥浆循环，以免浮渣沉淀；(5)成桩后进行无损探测和试压，确认桩身混凝土质量和单桩承载能力。十、效益分
12、析在距岸 4km 的潮间带上构筑人工岛，采取筑坝围海的办法显然是不经济的，本工法的开发为沿海滩涂油气勘探闯出了一条新路，施工对附近海域没有任何污染，我们所修筑的张巨河多项目先导性试验人工岛，被中国石油天然气总公司领导誉为“中华第一人工岛” ，社会效益是十分显著的。本工法开发的小斗集中平驳运输和塔架吊杆吊卸工艺，较原设计的码头上料深海运输的供料方式节省费用 50%，钻孔灌注桩比原设计的打入式钢筒桩的单桩成本降低 30%，仅不用浮吊打桩船一项就可节省调运费 80 万元。十一、工程实例大港油田张巨河多项目先导性试验人工岛工程，是本工法开发的实施工程，其施工情况前已述及，本章只介绍其质量情况。 1.大直径双壁钢沉井下沉情况(见图 7)。2.钻孔灌注桩施工情况：钻孔深度最大误差小于 0.3m，沉渣厚度小于 0.15m，水下混凝土充盈系数为1.13，成桩全数动测结果全部合格，优良率达 88.9%。3.抗特大风暴能力：1992 年 9 月 1 日，遇到百年一遇的风暴潮，岛上风力达十级，浪高 46m。此时桩已全部竣工，并与岛壁下部 5m 高的环形钢筋混凝土承台连成整体，岛壁上部环形钢筋混凝土已灌完 2/3圆周长。风暴过后，除未浇注混凝土的岛壁钢模被摧毁外，已成型部分皆完好无损，已超过设计标准抗 50 年一遇的风暴潮，这充分表明本工法是先进可靠的，具有推广应用价值。
