洋山港施工期地基处理风险分析及防控

洋山港施工期地基处理风险分析及防控

洋山港施工期地基处理风险分析及防控 篇1

洋山港深水砂桩地基加固地基

1.洋山港简介 1.1洋山港地理位置

洋山港，位于浙江省舟山市嵊泗县洋山镇。洋山深水港区总体规划是依托大、小洋山岛链形成南、北两大港区，采用单通道形式，分四期建设。规划至2020年，北港区(小洋山一侧)可形成约11公里深水岸线，建成深水泊位30多个，预算总投资500余亿元，建成后的洋山港区集装箱年吞吐能力达1300万TEU，上海港洋山深水港区将跻身于世界大港之列。大洋山一侧南港区岸线将作为2020年以后的规划发展预留岸线。从远景看，洋山港区发展潜力巨大，总体规划共可形成陆域面积20多平方公里，深水岸线20余公里，布置50多个超巴拿马型集装箱泊位，形成2500万标准箱以上年吞吐能力。

洋山港将主要承担腹地内远洋箱源和国际中转箱业务，集装箱规划吞吐量2005年为220万TEU，2010年为550万TEU，2020年为1340万TEU。规划船型以第五、六代集装箱船为主，并可考虑接纳8000TEU超大型船舶。

2.2洋山港优势

与其他港口相比，上海洋山港具有以下四点优势：

1）具备建设-15米水深港区和航道的优越条件。洋山海域潮流强劲，泥沙不易落淤，海域海床近百年来基本稳定。

2）能确保船舶航行及靠离泊安全。港区工程方案经过模型试验反复论证，表明工程实施后，对自然条件基本无影响，能维持原有水深，而且大小洋山岛链形成天然屏障，泊稳条件良好。

3）工程技术经济可行。工程水域地质条件良好，具备建港条件；另外，建设长距离跨海大桥世界上也有先例。

4）洋山保税港区集目前国内保税区、出口加工区、保税物流园区三方面的政策优势于一体。洋山深水港区与洋山保税港区两者互为依托、相辅相成，既大大提升了航运基础设施的能级，又扭转了我国与周边国家港口竞争的政策劣势，对显著增强上海国际航运中心的集聚辐射和国际中转功能，具有非常重大的促进作用。

5）符合世界港口向外海发展的规律。2.3洋山港战略意义

自1996年5月正式开展洋山深水港区选址论证，到2002年6月开工建设，历时6年多，共有国内外近200家专业研究机构和高等院校6000多人次的科研人员参与了新港址论证和项目前期工作，完成专题研究200多项。国家发展和改革委员会、交通部等国家有关部门多次组织专家咨询会、评审会，集中一大批国内外专家、学者和科研技术人员，对从港址论证、工程立项到开工建设全过程进行研究论证，对港口建设的技术可行性和经济可行性进行了深入分析，对地质、水文、气象、环境等各方面进行了综合评价，力求把洋山深水港区工程建成一个经得起历史考验的精品工程。

伴随着经济全球化，世界航运市场正在迅速走向一体化、网络化，世界范围内的市场竞争日趋激烈。竞争的焦点也越来越明显，就是在全球市场上争夺航运中心地位，抢占航运制高点。在我国这样一个市场巨大、腹地辽阔的国家，特别是长江三角洲地区，如果没有一个国际航运中心，在国际分工与竞争中就会处于被动地位。建设上海国际航运中心，就是要代表国家，积极参与国际分工和国际竞争。上海是我国最大的港口城市，城以港兴、港为城用，上海有条件、也有能力承担起代表国家参与国际航运中心竞争的重任。

建设上海国际航运中心，是党中央、国务院高瞻远瞩，从国家发展全局出发，做出的一项重大战略决策。它对我国积极参与国际经济竞争，增强国家综合竞争力，具有十分重大的战略意义。

2.4一期工程的三大主体工程 2.4.1洋山港保税区

洋山保税港区经国务院批准设立，2005年12月10日在洋山深水港开港的同时正式启用，是上海市和浙江省跨区域合作建设，实行海关封闭监管的特殊功能区域，也是我国第一个保税港区。洋山深水港的建设是一项国家战略。洋山保税港区的开发是贯彻落实科学发展观，实施国家战略，加快建设上海国际航运中心和现代化国际大都市的重大举措。2009年，国务院赋予洋山保税港区探索建设国际航运发展综合试验区的重要使命。保税港区正在成为航运物流服务进一步与国际惯例接轨、航运金融服务进一步对外开放、区域运作监管进一步创新的先行先试示范区。洋山保税港区由小洋山港口区域、陆域部分和连接小洋山岛与陆地的东海大桥组成，已封关运作面积8.14平方公里。

2.4.2东海大桥

东海大桥工程为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务。东海大桥全线可分为约2.3公里的陆上段，海堤至大乌龟岛之间约25.5公里的海上段，大乌龟至小洋山岛之间约3.5公里的港桥连接段，总长约为31公里。大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标准设计，桥宽31.5米，设计车速80公里/小时。大桥全线按高速公路标准设计，设计基准期为100年。大桥的最大主航通孔，离海面净高达40米，相当于10层楼高，可满足万吨级货轮的通航要求。

2.4.3芦潮港辅助作业物流园区

沪芦高速公路，北起A20环东二大道立交，南至东海大桥，全长42.3公里。北段于2004年底通车，南段于2005年12月通车，全线设有A20环东二大道立交、沪南公路互通、大叶公路互通、新四平公路互通、A30立交、南芦公路互通、两港大道互通。

芦潮港陆域配套的重要组成部分是临港新城，新城以深水港建设为契机，规划建设用地90平方公里，居住人口30万，最终将建成为一个生态型、信息化、港口产业发达、具有国际通行制度、有着独特风貌的滨海园林城市。

2.洋山港地基处理

洋山港建设中地基处理项目主要采用强夯、无填料振冲、塑料排水板等施工工艺。受自然条件、施工环境及人为因素等影响，施工中可能出现各类安全事故，由此造成的各种损失将制约港口的稳定运营。因此有必要进行安全风险的识别、分析、评价及对相应的风险进行有效的预防和控制，为工程项目的安全、顺利施工提供保障。

2.1深水砂桩地基加固简介

砂桩属于挤密桩的一种，是利用锤冲击沉管或振动沉管等方法将钢套管打入松散软土层中，往钢套管中灌砂，然后以一定的速率拔出钢套管，形成砂桩桩体的地基处理方法。在十多米甚至二十几米的水深，加固深度12~20m的水上深水砂桩在港口工程中应用，国内尚属首例。2.2工程概况

一期工程码头A标段总长640m，B标段总长410m，分为码头和驳岸二部分，其中码头宽度为37m，承台宽为18m和13m。码头排架间距10m。其中A标东部驳岸地基覆盖层土质较差，在-36.0m以上主要为灰黄色淤泥(Ⅰ灰黄1层)、色粉质粘土夹粉砂(Ⅱ1层)、灰黄-灰色淤泥质粉质粘土(Ⅲ2层)，因上述3种土体力学性能较差，其特性均为饱和、流塑，实测标贯击数在1~4击之间，按照设计意图，要在土层上抛填抛石棱体结构，而此层土体又不能满足承载力及沉降要求，因此，需进行加固处理，加固至土体相对较好的灰黄-灰色粉细砂(Ⅲ3层)及灰-灰绿色粘土(Ⅳ2)，设计采用的深水砂桩加固方案作为码头软土地基处理方法的一种，其目的主要有以下3点：

1)利用砂桩的竖向排水通道的作用，在上覆荷载的作用下，使软土层快速排水固结并获得强度的增长；

2)通过砂桩部分置换原软土构成复合地基，增强地基的抗剪强度。砂桩加固后的地基抗剪强度由两部分组成，一部分为砂桩本身的抗剪强度，另一部分为砂桩的排水固结后桩体间粘土的抗剪强度，其强度会比原地基土有所增强；

3)利用砂桩置换软土的同时，也对软土地基产生挤密作用，从而提高原状土地基的强度。通过以上3方面的作用以满足地基上部抛石棱体的抗滑稳定性和沉降的要求。洋山港工程砂桩加固软土地基典型断面图见图1。

该工程砂桩沉设的具体范围如下：

A标段承台后沿：加固范围417.0m×35.0m，置换率为20%(部分为25%)，砂桩直径1000mm，桩间距2.0m×2.0m或2.0m×1.62m，计3584根。泥面高程为-19.0～-22.5m，砂桩长为13.5～22.0m。

417m加固范围内分成7个区，由东向西编号，Ⅰ区44.5m；Ⅱ区50m；Ⅲ区100m；Ⅳ区60m；Ⅴ区50m；Ⅵ区50m；Ⅶ区62.5m。

沉箱抛石基床处：加固范围40.0m×50.0m，置换率为30%，砂桩直径1000mm，按正方形布置，桩间距为1.62m，数量为25×31=775根。泥面高程-26.5m，砂桩长9m。合计砂桩总数为4359根。各区段砂桩数量见表1。

2.3砂桩设计技术要求

根据工程区域的地形、地质情况，分段分区进行砂桩地基加固设计。砂桩加固法的地基改良程度主要以置换率来表示，与砂桩直径、间距及布置形式有关。

FS=AS/A=(πD2/4)/A 式中：Fs为砂桩置换率；As为砂桩截面积；D为砂桩直径；x为砂桩间距，见图2。正方形布置时，A=x2；正三角形布置时，A=0.433x2。

设计技术要求为：成桩直径不小于设计桩径的105%，钢套管内每延米灌砂量不小于1.15~1.20m3，以确保成桩直径满足设计要求；砂桩不中断、不脱节、不缩径、不陷口；砂桩施工时，钢套管拔管速度不超过1.5~2.5m/min，且孔口、孔底分别留振20s；桩底未达到设计高程时，应适当延长留振时间；钢套管内砂料采用中粗混合砂，粒径大于0.25~0.5mm的砂含量大于85%，不均匀系数3~4，含泥量小于3%。砂桩长度要求打穿淤泥类土层，并进入IV层粉质粘土。

2.4成桩工艺试验 2.4.1成桩试验

为了选择合理的施工工艺和工艺参数，在洋山港工程西端深水区域选取了一定面积区域作为砂桩成桩试验区。将试验区划分成6区块，进行6种施工工艺与工艺参数组合。分别按一次拔管法和逐步拔管法的施工方法进行试验，每种方法分别进行3种每延米灌砂量(1.1m3、1.2m3、1.3m3)试验。在保证每米灌砂量满足要求的情况下，在1.5~2.5m/min内选择合理的拔管速度。在成桩和拔桩过程中用测绳测量管内砂面高程的变化情况，为施工工艺和工艺参数的选择提供参考资料。

2.4.2施工工艺及参数拟定

灌砂量的控制是保证砂桩连续均匀的基础。砂桩形成过程，即将一定数量的松砂通过套筒灌入并振动提升形成较密实的砂桩。表2为各试验区不同灌砂量的砂面高程测量数据，从中可以看出：按每延米灌砂量1.1m3的砂桩，成桩后管内砂面高程基本在砂垫层顶面以下，说明管内砂料偏少；按每延米灌砂量1.3m3的砂桩，成桩后管内砂面基本在砂垫层顶面1m以上；而按每延米灌砂量1.2m3的砂桩，成桩后管内砂面高程大多数符合“钢套管即将拔出砂垫层时，管内砂面高于砂垫层顶面”的要求，故每米灌砂量初步选定1.2m3。

根据Y.S.Chae(美国)和P.W.Chang(韩国)对砂的振动实验，在有荷载(或侧限压力)情况下，振动持续2min基本达到最大密度，在历时大于12min后，随历时增长密度增长甚微。在本次试验中，采用1.5m/min的拔管速度，逐步拔管法与一次拔管法没有明显的差别。综合对比，砂桩成桩工艺及工艺参数初步拟定为每延米灌砂量1.2m3、拔管速度1.5m/min的一次拔管施工工艺。

2.5砂桩施工

进行全面施工前由水深测量船采用无验潮测量技术对加固水域进行水下地形测量，报验后，采用海吊船利用钢丝绳网络进行2m厚袋装中粗砂垫层的抛填，验收满足要求后，即可进行砂桩的沉设。

2.5.1主要施工工艺

砂桩施工总体工艺流程见图3。

2.5.2施工设备

由于外海深水大直径砂桩第一次在洋山工程中采用，现有的施工设备不能满足要求，结合工程量的进度要求，先后改造了单管和三管砂桩船，并于2004年从日本购置了1艘可进行挤密砂桩的砂桩船——三航砂桩2#。

(1)砂桩船主要由桩架系统、供砂系统、锚泊系统及动力系统等四大系统组成，下面结合三航起重10#的改造简要介绍砂桩船主要结构组成。

1)桩架系统

利用原有门架作为导向架的支承，设置3根导向桩架，通过在桩架顶部“天灵”安装滑轮组及吊挂振动锤，砂桩套管与振动锤通过法兰连接。砂桩套管采用δ=16~18mm的钢板卷制而成，其有效桩长根据最大水深和砂桩长度确定。该工程最大水深达28m，砂桩长15m，因此砂桩管长度需大于28+15=43m，取45m。

导向桩架高度应考虑在检查维修能将砂桩管吊至甲板以上，并能适应相应振动锤的使用要求，若振动锤(包括减振器)高度6m，加上滑轮组、法兰及灌砂漏斗，因此桩架取55m。桩架的间距根据置换率及砂桩布置形式确定，洋山工程地基加固砂桩置换率一般在20%~30%左右正方形布置(矩形布置)，故砂桩间距一般在1.5~2.5m之间，为减小施打砂桩对土体的扰动，砂桩为间隔施工，为此砂桩管(桩架)间距控制在3.0~5.0m之间，本次改造间距取3.24m。

2)供砂系统

在砂桩船甲板一侧设置3×50m3集料仓和1.2m3的上料吊车，分别通过3条皮带机将砂运至过渡料斗，开启闸门后放入提升料斗进行计量。外海深水砂桩施工过程中，灌砂量的控制是保证砂桩均匀连续的基础，应通过随钢套管匀速振动上拔的过程中检测管内的砂面高程而实现。

砂桩截面的面积：A=πD2/4=(1/4)×π×12=0.785m2。

钢套管内所灌砂按重度γ=13.2kN/m3的松砂和中密状态下砂的饱和重度γsat=19.5kN/m3，推算每砂桩孔每立方米需要灌砂1.48m3。砂桩每米需灌松砂量：0.785×1.48=1.16m3/m(考虑一定量的消耗系数，实际取1.20m3/m)。

根据砂桩的施工深度(砂垫层顶高程-桩底高程+0.5m)计算出实际灌砂量并加上一定富余砂量，再除以计量斗(上料斗)体积，即可推算出每根砂桩需要灌几斗砂，以此来控制砂桩的实际灌砂量。3)锚泊系统

“三航起重10#”砂桩船锚泊装置主要是利用原5台10t移船绞车和1台5t机动绞车进行移图3砂桩主要施工工艺徐定山：外海深水大直径砂桩地基加固在洋山港工程中的应用船、定位。由于施工水域潮流流速大，砂桩船均采用顺流沉桩，共抛设前后八字锚和前后穿心锚，单锚重量均在5t以上，保证砂桩船的锚泊性能满足施工要求。

4)振动锤的选择

振动锤在沉桩施工过程中，利用振动锤产生的周期性激振力，使桩及桩周土体处于强迫振动状态，砂桩管周边的土体液化，从而使桩周土体强度显著降低和桩尖处土体挤开，破坏了桩与土体间的粘结力和弹性力，桩周土体对桩的摩阻力和桩尖处土体抗力大大减小，桩在自重和振动力的作用下克服惯性阻力而逐渐沉入土中。

5)桩船的主要性能参数改造后的三航起重10#砂桩船主要性能参数汇总见表4。

(2)船机设备配置

根据本工程地基加固砂桩的数量及洋山工程地质条件的实际情况，三航局在洋山工程的地基加固中先后投入了4艘大型砂桩船，所选用的砂桩船及辅助施工船舶见表5。

2.5.3主要施工方法 1)桩船抛锚就位

施工前由测量船采用无验潮测量技术对砂桩区的海域进行水下地形测量，并结合潜水员进行水下探摸，以查清海底表面情况。该工程处于外海水域，潮流流速大，为减少砂桩偏位，砂桩船均采用顺流方向抛锚就位。

2)测量定位

砂桩孔位是按设计分区与置换率要求并结合砂桩船钢套管实际间距进行布桩放样。砂桩船抛锚就位在沉设砂桩施工分区适当位置后，测量人员和施工员指挥砂桩船移位，达到理论计算位置，校核准确后，收紧锚缆，即可开始沉管。

3)沉管及停锤

砂桩沉管停锤以设计桩底高程控制为准，沉管时注意观测套管下沉速度，当套管下沉速度突然减缓乃至停止下沉，表明套管已进入粉质粘土层，继续振动60s砂桩管下沉量在30cm以内即可停锤，已满足设计高程要求。

4)灌砂

砂桩每延米灌砂量以不小于1.20m3控制。根据砂桩实际的入土长度计算需要灌砂的量。用吊车把砂料吊至砂桩船上的集料箱内，再用皮带机运至计量料斗内，提升计量料斗，开启闸门灌至砂桩管内。在以往的施工过程中，发现上料斗的砂料不易进入砂桩管，经分析主要原因是因为料斗出料口较小，而砂料又有一定的含水率，为此，该工程在砂桩船提升料斗侧面设置了附着式振捣器，在下料时开启振捣器，振动上料斗，使砂料能顺利进入砂桩管内。

5)拔管

套管上拔时开启振动锤并在孔底留振20s，然后边拔边振，拔管的速度控制在1.5~2.5m/min之间，均匀地振动拔管，以保证桩身的连续性和密实度。当砂桩管尖离砂垫层顶面2m时再留振20s，以保证砂桩顶部的密实度及与砂垫层相连通，然后再往上拔出砂垫层顶面。

2.5.4砂桩施工质量控制

一般施工过程中，需要进行以下控制： 1)桩位及桩身垂直度控制 2)灌砂量控制

3)钢套管内砂面高程控制 4)拔桩速度控制 5)桩尖及砂桩顶高程控制 6)砂质量控制 2.6砂桩成桩质量检测

该工程主要采用全芯取样法和标贯法进行砂桩成桩质量的检测，检测目的是为了检查砂桩的有效桩长与桩身连续性；同时，在砂桩成桩过程中检测套管内砂面变化，以验证实际灌砂量与成桩直径，两者均按砂桩总数的0.1%作为检测桩。

通过对检测砂桩全芯取样检测及标贯检测数据分析(标贯贯入数据见表6)，发现钻孔取芯得到的桩底高程普遍低于设计标高1.0~2.0m，个别在4.0m以上。主要有如下两点原因：

1)砂桩有效桩长与设计有一定差距。究其原因，笔者认为是由于设计桩长普遍在15m以上，有的甚至水深在20m以上，由于取芯钻杆较细加上该区域水流速度大，这势必造成钻杆轴线与砂桩轴线很难达到一致，使取芯器未到设计高程时就从砂桩侧面穿出，从而难以达到预期的检测效果。

2)砂桩有效桩长内桩身连续性良好，桩砂密实度基本处于松散-中密状态。砂桩上部(约2/3桩长)桩砂基本呈较松散状态，砂桩下部(约1/3桩长)桩砂基本呈稍(中)密状态(标贯击数7~17击)，即由上至下砂相对密度Dr越高。

3.结语

1)钢套管采用非等直径的形式，以达到减小管侧摩阻力的效果。但这样势必加大了对原状地基土的扰动，应引起注意。

2)为提高砂桩船的适用范围及长远考虑，在桩架刚度和强度允许的条件下，选用功率较大的振动锤且钢套管壁厚相应增厚，建议采用δ≥20mm。

3)砂桩定位采用GPS定位系统，增强砂桩施工数字化程度，以提高工效。4)全芯取样检测砂桩成桩质量，破坏了已成砂桩的结构，建议检测后在原位附近补打砂桩。有条件时应做处理后水下复合地基载荷试验，检验地基加固效果。

5)桩端土质变化较大，且砂桩管在沉设过程中管侧四周土体强烈扰动液化等导致砂桩管无法打至设计高程，这时可采取措施消除浮托力，并向管内灌一定量砂或通过机械使钢套管产生向下的压力，使砂桩管尽量打至设计高程。

6)在砂桩成桩过程中检测管内砂面高程的变化以及砂桩打设前后量测砂垫层顶面高程的变化，以进一步调整灌砂量，确保成桩直径及砂桩与砂垫层连通。

7)在淤泥质土中采用1.5~2.5m/min振动均速提拔钢套管，灌砂并注水使砂料饱和有利于桩身连续均匀密实。风险分析

1·1 风险层次结构模型分析并总结此类港口地基处理工程以往的工程事故并结合专家的工程经验，得出洋山港西港区地基