超宽龙口分段同步合龙施工工艺创新与应用研究

张志华

横沙东滩圈围(八期)工程5#龙口于2016年12月20日开始作合龙前准备，计划月底完成外侧抛石堤1.0m高程以下抛石；2017年1月3日完成龙口中部作业墩台构筑，1月7日3个分龙口同步并与1#～4#龙口同期截流合龙；随后,对龙口段堤身外棱体闭气加固、加宽增高，1月15日龙口段堤身高程达5.5m，龙口合龙施工结束。5#龙口合龙应用创新工艺，确保了工程施工总进度、龙口合龙重点节点目标，施工过程安全顺利，节约了工程成本，获得了超预期效果。现简要介绍横沙东滩圈围（八期）工程5#龙口工程合龙情况，详细阐述超宽龙口分段同步合龙新工艺的创新过程及其优势、施工方法，分析应用成效并提出新工艺应用相关建议，以期推介这项新工艺，促进类似工程顺利实施。

1.工程概况

1.1 工程位置

横沙东滩圈围（八期）工程位于横沙岛东侧长江北港，工程共分六个围区，每个围区设立独立龙口，工程总平面及围区龙口布置详见图1。

图1 工程总平面及围区龙口布置图

1.2 自然条件

长江口属北亚热带海洋性季风气候，夏季多东南风，冬季多西北风，无霜期长；冬季主要受到北方寒潮影响，夏季则经常受到台风侵袭，冬季1、2月寒潮盛行风向偏北,多年平均风速6.5m/s，北风最大9.2m/s。

1.3 潮汐情况

长江口是中等强度潮汐河口，口外为正规半日潮，口内为非正规半日浅海潮，一日两涨两落，平均潮周期12小时25分，潮汐日不等现象明显。该水域水流具有明显往复流特性，每日二次涨潮流和二次落潮流。

1.3.1 龙口保护期潮型

根据施工进度安排及设计规范要求，龙口保护期计算潮型采用共青圩站非汛期10年一遇设计潮型详见图2。最高潮位4.92m，最低潮位0.66m，最大潮差4.20m，单小时最大涨幅达1.41m。

图2 共青圩站非汛期10年一遇潮型

1.3.2 龙口合龙期潮型

大潮期最高潮位4.10m，最低潮位0.13m，潮差3.97m，小潮期最高潮位3.41m，最低潮位0.60m，潮差2.81m。

1.4 龙口设计指标

根据设计规范，龙口保护期最大流速不应超过3.0m/s；依据龙口设计潮型拟定5#龙口规模，并经数学模型验算得到最大流速。龙口设计指标详见表1。

表1 龙口设计指标

2.龙口合龙中出现问题

横沙东滩圈围（八期）工程总进度计划，1#～5#龙口合龙启动于2016年12月18日。由于客观原因（5#龙口前滩势较高，船舶作业时间受限），至2016年12月25日，5#龙口施工进度滞后计划约5天。若5#龙口不能与其他龙口同期合龙，5#围区水位将远高于其他围区，较大水位差将会导致4#、3#、2#、1#隔堤相继破坏,1#～5#围区水面连通龙口合龙失败，经济损失将达数亿元。

解困途径有二，一是加快5#龙口施工速度，二是放慢1#～4#龙口施工速度。

途径一，若应用传统的龙口合龙施工工艺，即使增加人力物力，因受作业面（2个）限制施工进度仍然无法加快。

途径二，将推迟工程龙口合龙时间节点，龙口护底超期使用，大潮临近护底安全难以保证。根据以往类似工程经验，若护底失效，龙口段堤基在涨落潮流作用下短时间内将被冲深近20m。

3.工艺创新及主要优势

3.1 工艺创新情况

3.1.1 工艺创新过程

当龙口口门达到一定宽度（300m以上），采用土堤断面难以进占而需采用抛石堤进占的口门称为超宽龙口。5#龙口口门宽度400m属超宽龙口，采用传统的施工工艺存在较大安全风险。

面对困境，项目主持单位召集业内专家集思广益，草拟多种合龙施工工艺，并就工艺的实施条件、技术可行性、安全可靠性、进度保证率、经济合理性进行比较、验算（详见下两节），最终选定“超宽龙口分段同步合龙”新工艺。即外侧抛石堤达1.0m后迅速在龙口中部充构筑两座“作业墩台”，墩台将龙口分段成1#、2#、3#3个分龙口，然后3个分龙口同时平堵抬升，最后同步断水合龙。龙口外侧抛石堤施工图详见图3，龙口“作业平台”施工图详见图4。

图3 龙口外侧抛石堤

图4 龙口作业墩台

3.1.2 龙口最大流速计算

墩台构成龙口过水断面减小流速增大，应对合龙过程中最大流速进行验算。经数模计算与实测验证，合龙过程中(中、大潮型）最大流速详见表2、表3。

表2 合龙过程中中潮型龙口最大流速 单位：m/s

表3 合龙过程中大潮型龙口最大流速 单位：m/s

龙口合龙时间选择在中潮期或小潮期。由表2可知，增加作业墩台后龙口最大流速为2.91m/s，小于设计最大流速3.0m/s，龙口护底安全。

3.1.3 龙口块石当量直径验算

构筑墩台导致龙口流速增大，流速增大直接影响龙口所用块石单体重量，因此，需对龙口块石当量直径进行验算：

（当ɑ≦φ时）

式中：

Vc—龙口临界流速，取表3中最大流速3.30m/s；

Ke—稳定系数,垫层块石直径小于抛投其上块石直径时取0.7～1.0,垫层块石直径大于或等于抛投块石直径时取1.0～1.2,钢筋笼等条形体取1.0；

g—重力加速度,g=9.81m/s；

γω—海水重度,kN/m3,取10.3kN/m3;

γb—抛投体容重,kN/m3,对花岗岩块石,取26.0kN/m3;

D—块石当量直径,m；

α—抛投体垫层倾角,约30°；

φ—堆石体休止角,约35°。

根据计算，墩台施工前后块石当量直径分别是310mm、401mm。合龙期间，由于块石供应紧张质量难以保证，因此，项目部采用网兜石笼替代单体块石，网兜石笼单体重量1～5t，满足合龙期抛石堤稳定要求。

3.2 工艺主要优势

3.2.1 加快施工进度

超宽龙口合龙的传统施工工艺包括平堵、立堵或平立堵3种。无论何种工艺，施工作业面只有两个。因此，合龙过程中虽然人多设备多但是效率低下。新工艺的运用，龙口中部增加两个“作业墩台”，施工作业面由2个增至6个，施工效率增加了2倍，施工进度明显加快。

3.2.2 保证施工安全

龙口合龙需要完成管袋铺设及泥浆充填两大操作，传统施工工艺的施工顺序由龙口两端向中间推进。由于超宽龙口口门宽度大，一端施工人员操作于岸上安全能够保证；而另一端施工人员只能操作于辅助船上。由于龙口水流湍急，船舶晃动大易倾覆人员易落水，安全存在隐患。而新工艺龙口中部构筑了墩台，分龙口口门宽度较小，施工人员均可操作管袋之上，安全有保障。另外，应用新工艺后施工速度成倍加快龙口合龙时间减少，龙口护底使用期缩短安全风险减小。

3.2.3 节约工程成本

龙口合龙存在诸多无法预料风险，所以龙口合龙时间多选择中小潮期。但是，中小潮期间时间短，为了减少风险，施工单位通常组织大量人员、设备（富裕量为理论量0.5～1倍），利用短暂潮期来完成合龙任务，缩短合龙时间就是节约工程成本，而新工艺的应用最大优势就是加快合龙速度缩短合龙时间。

4.新工艺施工方法

4.1 合龙边界条件

一是龙口段以外围堤标高外棱体达5.5m、内棱体达3.8m、堤芯达到3.0m；二是龙口外侧标高抛石堤达5.5m、隔堤5.5m；三是围区临时排水口安装完成，满足排水要求；四是储存砂、石量满足合龙用量2倍以上；五是施工人员进场数量为理论量1.5倍，安全技术交底完成；六是施工设备到位数量为理论量1.5倍，试运转正常。

4.2 施工流程图

超宽龙口分段同步合龙施工工艺流程图详见图5。

图5 5#围区龙口合龙施工工艺流程图

4.3 施工方法

4.3.1 抛石堤高程1.0m下抛石施工

2016年12月25日，5#龙口抛石堤抛石加快，由两端向中间连续抛投，相邻段高差不大于50cm，12月31日全线高程达1.0m。

4.3.2 作业墩台构筑

抛石堤高程达1.0m,乘低潮期间构筑作业墩台，人工为主辅以船舶铺设管袋，大功率泥浆泵远程输送砂料充填管袋，管袋厚度50～100cm，充填率70%，每一个管袋袖口充填结束均须扎紧以免跑砂，2017年1月3日墩台构筑完成。

4.3.3 抛石堤高程1.0m～3.5m～5.5m抛石

墩台充填同时，抛石堤继续培厚增高，高程3.5m上部全线抛投网兜石笼以增强抛石堤稳定与防浪效果，2017年1月5日抛石堤完成，具备较强防浪功能。

4.3.4 分龙口同步合龙

施工人员利用墩台铺设与固定管袋，管袋吹填过程可“就地休息”，2017年1月7日3个分龙口与1#～4#龙口同步合龙，按期完成“龙口合龙节点”计划。

4.3.5 外棱体闭气加固

外棱体合龙为水下施工，管袋错乱无序孔隙较多。因此，龙口合龙后应立即闭气加固，连续不间断施工直到完全断流，2017年1月9日闭气加固施工结束。

4.3.6 内棱体及堤芯砂吹填

为了保证土堤稳定，外棱体闭气加固同时构筑内棱体并填充堤芯砂，2017年1月11日，内棱体及堤芯砂分别吹填至3.8m、3.0m高程，堤身稳定得以保障。

4.3.7 堤身加高加固至5.5m高程

为了防止寒潮风浪来袭，龙口合龙后继续连续作业，增高培厚堤身，2017年1月15日，堤身全线达5.5m安全高程，至此，堤身已具备防御寒潮风浪袭击功能，龙口合龙施工结束。

4.3.8 抛石堤稳定及龙口流速监测

随着抛石堤抬升外侧沿堤流流速增大，堤前滩地出现冲沟，冲沟加宽增深对抛石堤稳定构成威胁；龙口流速随龙口抬升而增大，甚至超过龙口安全流速；因此，抛石堤堤前滩势变化、抛石堤（后期包括土堤）稳定、龙口流速监测是龙口合龙阶段安全监测中重要工作内容。

在龙口合龙全过程中，专业测量人员连续监测，结果显示，堤身外侧50m内的冲沟最深达60cm，抛石堤稳定；墩台施工前后龙口最大流速由2.75m/s增至3.10m/s，超过最大安全流速时长2h，对护底安全影响较小，龙口护底安全。

由于堤身土方完成后需等其沉降稳定方可护面结构施工，期间应加强龙口段堤身安全稳定监测及管袋完好性检查，发现堤身位移（水平与沉降）较大、管袋破损等现象应查明原因消除隐患。

5.新工艺应用效果

新工艺应用不但改变了5#龙口前期施工进度滞后的不利局面，实现了1#～5#龙口同步合龙节点目标，而且为工程项目节约了成本。同时，激发了一线人员创新思维，为后续超深龙口施工工艺的创新奠定了良好实践基础，应用效果超过了预期。横沙东滩圈围（八期）工程5#龙口合龙实践证明，“超宽龙口分段同步合龙”创新工艺在满足一定条件的前提下对龙口合龙进度提速十分有利，技术可行、安全可靠、经济合理。

6.新工艺应用相关建议

6.1 应用条件

口门宽度小于300m的龙口不宜应用新工艺。若采用，因增加作业平台施工反而延长龙口合龙时间，对施工安全不利。

底高程较高或较低的龙口不宜应用新工艺。前者，低潮期水深小，人工铺袋方便，施工速度更快人员更安全。后者，墩台构筑难度大且占居龙口空间较多，龙口流速超过安全流速的概率增大时间增长，安全风险增大。因此，新工艺应用最适宜水深是1.5～4.0m。

外侧无抛石堤防护的龙口不宜应用新工艺。超宽龙口口门宽合龙施工时间长，一般会经历大、中潮甚至寒流风浪袭击，若外侧无防护，墩台难以保全。

无足够数量和具备远距离输砂能力设备的龙口不宜应用新工艺。由于超宽龙口中部墩台位置与储砂区距离较远，现场无远距离输砂设备，墩台无法构筑。若具备远距离输砂能力设备数量较少，龙口合龙时间延长对合龙安全不利。

6.2 风险及应对措施

龙口外侧滩势较高，施工船舶易搁浅而损坏，作业时间受限。

应对措施：施工前通过水下地形测量选择适宜航道避免船舶搁浅；项目部应根据潮位变化安排合适船舶进场作业切勿冒险；同时，现场配备足够数量的大功率拖船以便应急。

块石（或网兜石笼）供应强度不足，抛石堤不能连续施工出现高程低段区，低段区水流流速增大、过流时间延长易造成护底排体损坏。

应对措施：多渠道采购块石（或网兜石笼）最大限度保证供应强度。同时，现场储备足够的应急块石（或网兜石笼）以便应急，应急备料非紧急情况严禁使用。另外，项目部应高度关注海洋预报，选择有利时机集中施工。

偶遇寒流风浪增大，外侧抛石堤不足于抵御风浪袭击存在垮塌风险。

应对措施：现场储备足够数量网兜石笼（单体质量不小于2000kg）、配备足够数量船吊，出现风险征兆及时抛投网兜石笼加固抛石堤。

抛石堤增高内外水头差增大，龙口流速长期超过安全流速。

应对措施：现场储备足够数量袋装石子，风险出现时抛投于抛石堤内侧填充块石缝隙以减小龙口流速。