黃雙飛，周維，彭志豪

（1.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

香港國際機場第三跑道填海工程（以下簡稱香港三跑工程）需建設(shè)13 km 的海堤，采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，初始設(shè)計斷面見圖1。

圖1 原設(shè)計斷面Fig.1 Original design section

堤芯采用香港規(guī)范中的G400 級配塊石[1]，Dn50=200 mm，堤芯石用量為215 萬m3，用量占比整個項目石頭用量達到55%。香港國際機場為國際大型航空樞紐，進出港航班多，施工期間，不能影響航班進出港，陸上推填方案[2]不可行，須通過水上施工解決，針對G400 的堤芯石提出的主要施工方案為橫雞躉施工，施工時石料裝在艙內(nèi)，吊桿吊抓斗從艙內(nèi)抓石料，由船縱向側(cè)舷旋轉(zhuǎn)，進行側(cè)拋，施工示意見圖2。因為石料裝在艙內(nèi)，橫雞躉與同噸位方駁或開體駁[3-4]相比，裝石量大，船穩(wěn)定性好，抗風(fēng)浪能力強，裝、拋石料用抓斗，可抓碎石或大塊石，與網(wǎng)兜相比，具有無需摘、掛鉤，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，因此在香港地區(qū)使用較多。

圖2 橫雞躉施工示意圖Fig.2 Schematic diagram of construction of Derrick Lighter

本項目經(jīng)施工組織分析后發(fā)現(xiàn)橫雞躉施工堤芯石的方案存在以下難點：

1） 高度超出機管局航空限高；橫雞躉總高約為45 m，而香港機場附近對施工設(shè)備有嚴格的限高要求，限高值由25～32 m 不等，限高區(qū)域在沒有通知機管局的情況下，橫雞躉不能進入該區(qū)域進行施工，因此部分海堤段的堤芯石的橫雞躉施工工藝受到嚴格限制，堤芯石的施工進度嚴重影響項目的實施進度，必須找到一種合理的解決方案；

2） 橫雞躉施工設(shè)備數(shù)量多，海堤計劃每500 m 施工時布置6 艘，同時方塊碼頭需要橫雞躉施工。初步計劃海堤施工需要40 艘橫雞躉，防污簾施工需要5 艘，后方DCM 砂墊層施工需要25 艘，總計需約70 艘，需要操作人員一百多人，所以現(xiàn)場管理難，且香港地區(qū)熟練的操作人員少，存在可能由于操作工人少而延誤項目工期的風(fēng)險；

3） 橫雞躉施工對環(huán)境影響大，橫雞躉施工時首先需要將石料從駁船轉(zhuǎn)運到橫雞躉，然后再用橫雞躉抓斗施工，轉(zhuǎn)運過程會有石料灑落到海堤，對環(huán)境造成一定影響。

同時由于G400 級配塊石粒徑較大，需要從開山石中進行分類、挑選，因此生產(chǎn)效率低，對項目工期造成一定影響。

綜上分析，需要找到一種替代的施工工藝及塊石級配，及解決項目由于橫雞躉施工難以實現(xiàn)的問題，同時解決生產(chǎn)效率問題。

1 優(yōu)化方案

原方案缺點主要是受到施工設(shè)備限高、設(shè)備數(shù)量等的限制，首先從施工方面提出皮帶機輸送工藝[5]施工替代部分橫雞躉工藝。航空限高區(qū)域海堤選用皮帶機從駁船上直接輸送堤芯石，同時根據(jù)橫雞躉施工計劃，其他部分海堤也采用皮帶輸送工藝，以解決橫雞躉數(shù)量和工人受限問題，由于初始設(shè)計方案采用G400（Dn50=200 mm）的堤芯石，根據(jù)業(yè)主要求堤芯石G400 超過200 mm 的石料含量最大可達到75%，且最大粒徑可達到400 mm，級配尺寸見表1。經(jīng)過前期調(diào)研，皮帶船皮帶機受艙格出料口大小限制，當(dāng)石料粒徑超過200 mm 時，出料口極易卡殼，并由此造成輸送皮帶被石料尖銳部分劃傷，皮帶損耗則會增大，進而造成船機利用率以及施工效率降低；而當(dāng)超過石料粒徑300 mm 時，幾乎無皮帶船出料口能出料。因此需要提出一種減小堤芯石粒徑的優(yōu)化方案，如果粒徑減小太多對堤芯石內(nèi)摩擦角影響較大，結(jié)合皮帶機輸送工藝對粒徑要求極限，優(yōu)化方案選用CP45/180（Dn50=160 mm）的堤芯石最大粒徑為250 mm，且粒徑大于160 mm 占總質(zhì)量的比小于20%，且基于63～160 mm 粒徑的石料含量可達到70%，級配粒徑見表2；優(yōu)化后的堤芯石大體滿足皮帶船施工需求，但仍有一定損壞皮帶風(fēng)險，在與船機設(shè)備專業(yè)工程師會議討論后，最終確定將皮帶船出料口尺寸由300 mm 改為400 mm，并驗算皮帶船輸送皮帶的單位截面積輸送量，確保皮帶在安全穩(wěn)定的輸送負荷內(nèi)運行。擬采用的皮帶機施工時最高15 m，滿足大部分海堤的限高要求，皮帶船施工示意圖見圖3。

圖3 皮帶船施工海堤示意圖Fig.3 Schematic diagram of construction seawall by pelican barge

表1 G400 堤芯石粒徑分布Table 1 G400 core rock particle size distribution

表2 CP45/180（Dn50=160 mm）堤芯石粒徑分布Table 2 CP45/180(Dn50=160 mm）core rock particle size distribution

優(yōu)化方案具有以下優(yōu)點：

1） 皮帶機施工效率高，堤芯石的施工效率由每1000 m3需要5 h 變?yōu)? h，大大地提高了施工效率；

2） 優(yōu)化后的堤芯石可以直接由碎石機生產(chǎn)，避免了篩選過程，石料的生產(chǎn)效率提高；

3） 對環(huán)境影響小，需要設(shè)備少，根據(jù)分析每500 m 長海堤只需要5 艘皮帶船施工，從而減輕了施工管理難度，使整個項目對橫雞躉的數(shù)量需求大幅減小，降低了可能由于操作工人少而延誤項目工期的風(fēng)險；

4） 施工限高問題大部分得到解決，采用皮帶船施工受限高影響區(qū)域相比橫雞躉施工受限區(qū)域大幅減少。

5） 工種變多，不再受施工設(shè)備數(shù)量、設(shè)備操作人員數(shù)量限制，工期更容易保證。

2 穩(wěn)定及倒濾分析

堤芯石級配優(yōu)化主要影響堤芯與墊層、堤芯與后方回填料的倒濾計算結(jié)果，原設(shè)計各塊石級配如表3。

表3 各海堤墊層塊石級配參數(shù)Table 3 Grading parameters of underlayer rocks of each seawall

BS 6349-7：1991[6]中規(guī)定太沙基反濾層準則的修正公式可用于確定防波堤墊層與堤芯石之間的幾何尺寸關(guān)系，即：

式中：Dn為塊石的名義粒徑（等效立方體），下標u表示墊層塊石，c 表示堤芯石；15 和85 表示通過該尺度塊石的質(zhì)量百分數(shù)。

海堤后方存在回填時，為防止回填土中的細顆粒滲入堤芯石，則必須要設(shè)置合適的倒濾結(jié)構(gòu)。

BS 6349-7：1991[6]中關(guān)于該倒濾結(jié)構(gòu)的要求如式（3）～式（5）。其中下標的大、小分別表示倒濾驗算時的大塊石層和小塊石層。規(guī)范中對臨界值開放性給出了上下限范圍（如4～5），本工程采用嚴格的臨界值下限為控制標準。

墊層塊石和堤芯石優(yōu)化前后倒濾驗算結(jié)果見表4，驗算結(jié)果表明除SW1 不能滿足規(guī)范要求外，其余都能滿足。由于原設(shè)計采用G400 堤芯石時Dn15u/Dn15c＞20，不滿足規(guī)范要求，設(shè)計時在墊層塊石和堤芯石之間增加了土工布[7]，因此可以不驗算，故減小堤芯石級配后仍能夠滿足倒濾要求。

表4 墊層塊石和堤芯石優(yōu)化前后倒濾驗算結(jié)果Table 4 Filter checking results between underlayer rock and core rock before and after optimization

堤芯石（大塊石層）和后方倒濾層（小塊石層）的倒濾驗算結(jié)果見表5，結(jié)果表明，優(yōu)化前后都能滿足規(guī)范要求。

表5 優(yōu)化前后與后方倒濾層倒濾驗算結(jié)果Table 5 Filter checking results between core rock and filter layer before and after optimization

級配優(yōu)化后堤芯石內(nèi)摩擦角降低，保守估計堤芯石內(nèi)摩擦角由42°變?yōu)?0°，由于海堤基礎(chǔ)采用DCM 處理，DCM 樁抗剪強度大，所以本文只分析海堤基礎(chǔ)以上堤身的穩(wěn)定影響，各回填料參數(shù)見表6，使用期考慮后方均布荷載6 kPa，計算高水位4.11 m，計算低水位0.36 m。

表6 海堤回填料參數(shù)Table 6 Parameters of filling materials of seawall

各施工部海堤結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后的穩(wěn)定性計算結(jié)果對比見表7，可以看出堤芯石級配優(yōu)化后即使內(nèi)摩擦角有小幅降低，但是對邊坡穩(wěn)定影響有限，本項目仍能夠滿足設(shè)計要求大于1.3[8]。

表7 優(yōu)化前后整體穩(wěn)定計算結(jié)果對比表Table 7 Stability calculation results before and after optimization

3 結(jié)語

通過以上分析，可得出香港三跑工程將原設(shè)計堤芯石級配由Dn50=200 mm 優(yōu)化為Dn50=160 mm，主要影響如下：

1） 減小級配粒徑后，對限高部分海堤可采用皮帶機運送拋填堤芯；

2） 級配變更，對海堤的整體穩(wěn)定影響有限；

3） 倒濾驗算滿足要求，其它工程如不能滿足可通過局部調(diào)整級配滿足。

香港三跑工程通過優(yōu)化堤芯石，成功解決了機場限高、施工設(shè)備受限、工期風(fēng)險大以及管理難度大的問題，因此堤芯石的級配尺寸對設(shè)計和施工均有影響，設(shè)計時需要結(jié)合項目特點、施工工藝選擇合理的級配，合理的選擇級配可能帶來很大的經(jīng)濟效益，本項目的成功經(jīng)驗具有重要的借鑒意義。