箱筒型基础结构及其气浮拖运和定位下沉安装方法
别社安， 薛润泽， 郭林林， 齐 越， 武庆卫， 关筱语
（天津大学建筑工程学院， 天津 300072）
摘要： 针对深水软土地基，研究开发箱筒型基础结构，介绍箱筒型基础结构的应用情况。针对箱筒型基础结构可气浮的特点，提出一套气浮运输和定位、抽负压下沉安装的施工方法。该方法不需要大型起吊运输船舶，设备简单，下沉速度快，偏斜度容易控制，综合费用低。箱筒型基础结构对软土地基的适应性强、稳定好、施工便捷、投资省，具有良好的经济效益和社会效益。
关键词： 箱筒型基础结构；软土地基；气浮拖运；气浮定位；抽负压下沉
0 引 言
进入21世纪，中国进入高速发展期，有大量的工程项目需要建设，其中就包括港口、海岸等工程项目。我国沿海存在大量的软土地基，土体的物理力学指标较差，对于工程结构的建造极为不利。在深水软土地基上建造防波堤、围堰等工程时，若采用传统的抛石堤、袋装砂堤、抛石基床和半圆体结构的混合堤[1-3]等，需要大量的建筑材料，工程造价也较高。由此，针对深水软土地基，研究开发箱筒型基础结构。根据具体的设计条件，变化上部结构型式、箱筒基础结构尺寸，使箱筒型基础结构满足不同的设计水深和使用要求。
1 箱筒型基础结构及其应用
箱筒型基础结构是一种适合于在软土地基上建造防波堤和挡土结构的基础结构型式，由安装在水下土中的基础和上部结构等2部分组成。箱筒型基础结构示意图见图1。箱筒型基础结构的4个圆筒型构件呈矩阵形排列。每个圆筒型构件顶设有盖板，盖板通过现浇接头与圆筒连接为一体。相邻圆筒型构件之间用竖向连接墙和水平顶板将4个圆筒型构件连接成整体。在每个圆筒型构件的盖板上设有用于沉放的充排气和抽水孔洞[4]。在此基础上，提出的箱筒型基础新结构主要包括防波堤结构（可作围埝和围堰）、码头结构、水闸结构、隧道结构和打桩平台等，其中防波堤结构、码头结构、取水闸结构等已在工程中得到应用。
图1 箱筒型基础结构示意图
1.1 箱筒型基础防波堤结构[5-6]
箱筒型基础防波堤结构主要由插入土中的基础和在泥土面以上拦沙、挡水、隔波的墙体等2部分组成。箱筒型基础防波堤结构示意图见图2。基础为插入到海床土中的圆筒结构，上部墙体可采用竖立或横置的圆筒或半圆筒或弧形筒或直立墙构成。
图2 箱筒型基础防波堤结构示意图
箱筒型基础防波堤结构建立在全新的结构稳定性概念和机理之上。[7-8] 箱筒型基础结构使地基土体和结构成为整体，增大结构基础的尺度和自重，充分利用结构周边软土的黏聚力和摩擦阻力来保证结构的抗滑、抗倾稳定性，利用插入埋深来提高基底的承载力和整体稳定性。在施工方面，该结构可以在陆地上整体预制，在水上气浮运输，便于移动，重复利用性好。与传统的港口、海岸工程结构相比，箱筒型基础防波堤结构省去基槽挖泥、基床抛石、基床夯实和基床整平等一系列施工工序，简化基础施工，现场作业时间短，风险小，能够节省投资成本，是一种值得推广的新型结构。
1.2 筒型基础重力式码头结构[9]
筒型基础重力式码头结构主要由基础、沉箱、盖板、胸墙等组成。筒型基础重力式码头结构示意图见图3。基础为插入到海床地基土中的有顶盖无底的圆筒，在其顶盖或上部筒壁上设有开关的通孔，沉箱坐落在筒型基础的顶盖上，盖板置于沉箱的顶部，胸墙位于盖板上。
图3 筒型基础重力式码头结构示意图
筒型基础重力式码头结构具有传统重力式码头的耐久性好、承载能力高的优越性，并且其工程费用相对较低。针对软土海床地基的大型重力式码头，采用筒型基础后，不需要进行大断面开挖和回填，无需建抛石基床，码头施工更为简便。筒型基础将筒内土体密封，其底部达到持力土层并有一定的埋深，使码头结构的竖向承载力和抗滑、抗倾稳定性得以满足。
1.3 箱筒型基础虹吸廊道取水结构[10]
箱筒型基础虹吸廊道取水结构示意图见图4。虹吸廊道由中间隔墙、肋板、上包墙体、立墙、消能墙等构成，约占据箱筒型基础顶盖板宽度的3/4。中间隔墙位于箱筒型基础顶盖板上部，并与之紧密连接。中间隔墙上部设置上包墙体，由与中间隔墙上部垂直连接的1个顶板和与中间隔墙等间距平行设置的2个侧墙组成。虹吸廊道还包括位于箱筒型基础顶盖板上部并且紧密连接、垂直穿过中间隔墙和侧墙的肋板，肋板两侧分别设置第1斜面和第2斜面。第1斜面底部连接立墙，立墙与箱筒型基础顶盖板外侧边缘相连，第2斜面底部连接横墙，横墙垂直连接消能墙。虹吸廊道通过肋板被分割为过水通道，内侧设置消能池。过水通道顶部设置虹吸廊道通孔，肋板靠近消能池底部设置肋板预留孔。
图4 箱筒型基础虹吸廊道取水结构示意图
消能池内水位始终保持在消能墙顶标高附近，使用时需要保证外部水位高于立墙顶标高。先在1条过水通道上方抽气，使虹吸廊道内水位上升，进而启动该取水通道，然后可在该组结构其他各过水通道上方抽气，启动整个虹吸取水系统。通过控制启动取水通道数量控制取水速度，将虹吸廊道通孔与大气连通即可停止取水。目前，水库取水多采用闸门结构，闸门构造较为复杂，且钢闸门容易锈蚀而发生漏水现象，尤其在风、浪、流、冰等恶劣环境下的风险性较高。全混凝土结构的箱筒型基础虹吸廊道取水结构具有结构简单、使用方便、防冰防沙、断流迅速、耐久性好等优点，同时也可避免因锈蚀所引起的闸门关闭不严和漏水问题。
1.4 箱筒型基础净化水构筑物结构[11-12]
箱筒型基础净化水构筑物结构示意图见图5。厂房结构位于箱筒型基础结构上方，并与其紧密相连。在厂房结构朝向海面的一侧设挡浪墙，挡浪墙顶端设置外伸防浪胸墙，挡浪墙上端内侧设置牛腿，牛腿上部设吊车轨道梁，挡浪墙的内侧和外侧分别设置沿挡浪墙垂直方向平行排列的内侧肋板和外侧肋板。厂房结构背向海面的一侧为墙体和第1立柱。第1立柱上端内侧设置牛腿，为架设在厂房结构内侧顶部的吊车轨道梁提供支撑，吊车可沿吊车轨道梁移动。厂房结构的内侧墙体下端设置由螺杆启闭机控制的闸门，水库中的水由闸门进入箱筒型基础净化水构筑物。厂房结构背向海面的一侧还设置贯穿整个厂房结构的行车通道。行车通道为面板结构，面板下设横梁，横梁一端插入第1立柱的中部，另一端由第2立柱支撑。
图5 箱筒型基础净化水构筑物结构示意图
目前，在港口、海岸工程中，软土地基上的传统水库大多包括斜坡堤或直立堤围成的围堤、围堤内的净化水构筑物、输水泵站和连接栈桥等。箱筒型基础净化水构筑物结构可与其他箱筒型基础的围堤结构、泵站结构、取水闸结构共同构成围堤结构，从而省去传统水库修筑围堰、基坑开挖、地基加固、抽排库水等步骤。同时，道路系统可直接修筑在厂房结构内部，可省去传统水库修筑用以连接围堤、净化水构筑物、泵站等的栈桥的步骤。
1.5 箱筒型基础隧道结构件[13]
箱筒型基础海底隧道结构件主要由插入到海床土中的箱型基础和海床土面以上的隧道等组成。箱筒型基础隧道结构示意图见图6。箱型基础为下面无底的矩形箱体，箱体内设有4层纵向竖隔板和4层横向竖隔板，中间竖隔板的高度与外箱壁的高度相同，其他竖隔板的高度小于外箱壁的高度。箱体顶板为平板或向下凸起的弧形板。在顶板上由横向和纵向竖隔板分隔成的每个舱格内，至少设置1个可开关的工艺通孔。箱型基础之上的隧道为横断面为半圆或半椭圆的筒体。在隧道内设置1层竖直隔板，将隧道分成左右2个通道；在隧道内设置1层水平隔板，将隧道分成行车道路区和管路区。
图6 箱筒型基础隧道结构示意图
相较于传统结构中通过增大结构断面、提升结构质量来平衡上浮力的设计方法，插入到土体中的箱型基础一方面可以克服海底水流对隧道产生的水平作用力，另一方面利用箱壁和箱内竖隔板上的土体黏聚力和摩擦力来克服隧道的上浮力，这样就可以使隧道结构更为轻型，同时可节省工程材料费用。
1.6 箱筒型基础打桩平台[14]
箱筒型基础打桩平台主要由筒型基础、纵向和横向连接梁、活动梁和桩锤导向架等组成。箱筒型基础打桩平台示意图见图7。4个筒型基础呈矩形布置，由下面无底上面有顶且在顶部设有可开关通孔的沉降筒和连接在该筒顶中央的立柱构成。沉降筒可为圆柱形、椭圆形或矩形筒体。在4个筒基的立柱之间设置能沿立柱上下移动的2根纵向连接梁和2根横向连接梁，连接梁与立柱之间设置紧固件。在1组相对的下设浮箱的连接梁上搭接1根能沿连接梁轴线方向移动的活动梁，在该活动梁上设置能沿活动梁轴线方向移动且能转向的桩锤导向架，导向架内设置上下运动的桩锤。
图7 箱筒型基础打桩平台示意图
筒型基础水上打桩平台装置在陆地上制造好后，将其移于水中，向倒扣放置的筒体中充气，将打桩平台装置气浮漂运到工作现场，定位后抽出筒体中的气体，使筒体底部着于泥面。通过筒顶通孔抽出筒体中的气体和水，在利用真空压力和筒内外水压力差将筒体插入到土中后封好通孔，然后沿筒顶立柱上下调整好纵向连接梁和横向连接梁的高程位置并锁住，之后就可以按所需要的沉桩位置和方向移动活动梁和桩锤导向架，进行沉桩。当需要将打桩平台装置移位时，先调整纵向连接梁和横向连接梁的高程位置，然后打开筒体顶部的通孔封盖，向筒体内注入高压水使筒体从土中拔出，再向筒体内充气使打桩平台装置浮于水面，利用充气浮运方法移运。
筒型基础水上打桩平台装置在沉桩时，筒体插入到水底土中，就能使打桩平台装置具有很强的抗风浪和水流能力。打桩平台装置定位时不需要精确定位，而桩位可以通过活动梁和桩锤导向架进行快速、精确定位。打桩平台装置每次定位后，可在一定范围内沉多根桩。
2 箱筒型基础结构气浮拖运和定位下沉安装方法
采用传统的方法安装箱筒型基础结构时，一般先将预制好的结构滑移或吊装到运输驳船上，由运输驳船运输到安装现场，然后用大型船吊设备将结构从运输驳船上吊放到安装点定位，之后采用抽真空和加压载的方法将结构下沉到泥土中。这种施工方法存在的问题：一方面，需要大型运输船舶和船吊设备，而这些设备的使用成本非常高；另一方面，施工过程复杂，施工效率较低，施工质量难以保证，例如采用加压载的方法下沉结构时，结构的偏斜度难以控制，还需要倒运大量的压载块体或压载水。
针对箱筒型基础结构可气浮的特点[15-17]，对其可以采用一套全新的方法[18]来进行运输、定位和下沉安装，即采用气浮的方法对其进行拖运，在气浮状态中对其进行安装定位，采用放气、抽真空和抽水的方法对其进行下沉安装并调整结构安装的偏斜度。
2.1 实施方式
箱筒型基础结构在气浮拖运、定位下沉安装时，需要的设备主要包括1艘1 500~5 000 kW的牵引拖带船舶、1艘1 000~3 000吨级的平板驳船、1台100 kW发电机（也可利用驳船的发电设备）、4~6台7.5~10 kW潜水排污泵。1组箱筒型基础结构定位、下沉安装的时间约为6~12 h。
2.1.1 气浮拖运
在预制的箱筒型基础结构下水后，通过各筒体上的通气孔向筒体内充气使结构漂浮于水面，再调整筒体内的充气量使各筒体的入水深度达到满足拖航稳定性的要求，之后就可以对其进行拖运。箱筒型基础结构气浮拖运见图8。
2.1.2 气浮定位
在箱筒型基础结构被气浮拖运至安装地点后，放出各筒体中的部分气体，使结构下沉至筒底与泥面之间的距离为0~1.0 m。在该气浮状态下，将结构缓慢地靠泊于已定位好的定位驳船旁，然后通过缆绳调整结构在驳船边缘的相对位置，完成气浮定位；或在箱筒型基础结构周边布置4~8条锚碇缆绳，利用各锚碇缆绳的收放完成箱筒型基础结构的气浮定位。在结构气浮定位完成后，继续放出各筒体中的气体使结构下沉。在筒体底端未与泥面接触前进行定位观测，如果结构发生偏移，则停止放气下沉，按上述方法重新进行定位。箱筒型基础结构气浮定位见图9。
图8 箱筒型基础结构气浮拖运
图9 箱筒型基础结构气浮定位
2.1.3 入泥下沉安装
箱筒型基础结构的入泥下沉安装过程包括：
（1）靠结构自重排气排水和调平下沉。打开各筒体上的通气和抽水孔，在结构自重作用下筒内气体排出，筒体入泥下沉，通过控制排气速度来控制结构的下沉速度。在下沉过程中，当结构发生倾斜时，停止或减少下沉量较大侧的筒体中的气体放出，保持或加大下沉量较小侧的筒体中的气体放出，使结构恢复水平，然后继续均衡放气下沉，直至结构不再下沉为止。如果结构自重比较大或水深比较深，筒体内的气体全排出后结构在自重作用下还继续下沉，则筒内水体会从通气和抽水孔中排出，直至结构不再下沉为止。
（2）靠抽气施加压力调平下沉。当结构靠自重停止下沉后，如果筒内还有气体存在，则利用射流真空泵将筒体内气体抽出，结构继续下沉。在下沉过程中，如果结构发生倾斜，停止或减少下沉量较大侧的筒体中的气体抽出，保持或加大下沉量较小侧的筒体中的气体抽出，使结构恢复水平，然后继续均衡抽气下沉，直至各筒体内的气体被全部抽出为止。
（3）靠抽水施加压力调平下沉。当箱筒型基础结构筒体内的气体全部排出后，利用潜水排污泵或射流泵将筒体内水体抽出，结构继续下沉。在下沉过程中，如果结构发生倾斜，停止或减少下沉量较大侧的筒体中的水体抽出，保持或加大下沉量较小侧的筒体中的水体抽出，使结构恢复水平，然后继续均衡抽水下沉，直至各筒体内的水体被全部抽出为止，则箱筒型基础结构的下沉安装完毕。
箱筒型基础结构抽负压下沉见图10。
图10 箱筒型基础结构抽负压下沉
2.2 技术特性
箱筒型基础结构适用于水深5~20 m、浅层5~15 m的地基土抗剪强度达到20~30 kPa的海洋软土地基。目前，箱筒型基础结构已在港口工程（防波堤、围堰、码头等）、海上油气工程（人工岛等）、海上交通工程（桥梁等）中得到应用。与传统工程结构相比，采用箱筒型基础结构和气浮拖运技术进行施工安装，可节省工程投资成本20%~30%，缩短施工期20%~40%，特别是海上现场作业时间只有传统结构的50%。
3 结 语
（1）箱筒型基础结构的稳定性易于满足，结构受力合理，质量轻，可整体预制，结构可搬移重复利用，可广泛应用于各类软土地基上的海岸工程。根据工程需要，可方便地优化上部结构，例如：对于防波堤和围堰，上部结构可采用直立圆筒或半圆筒；对于码头，上部结构可采用空心方块或沉箱；对于桥梁，上部结构可采用框架结构；等等。
（2）针对箱筒型基础结构可气浮的特点：采用气浮的方法对其进行拖运，并在气浮状态中对其进行安装定位；采用放气、抽真空和抽水的方法对其进行下沉安装，并调整结构安装的偏斜度。该方法不需要大型起吊运输船舶，设备简单，下沉速度快，偏斜度容易控制，施工便捷，综合费用低。
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