擠密砂樁加固水下軟土地基專用設(shè)備研制

馬振江，張敏贏，劉璐

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

擠密砂樁加固水下軟土地基專用設(shè)備研制

馬振江1，張敏贏2，劉璐3

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

在已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過對(duì)擠密砂樁加固工藝關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備的進(jìn)一步研究，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備總成調(diào)試等工作，研制開發(fā)了新一代水下擠密砂樁專用船，可以進(jìn)行水面以下66m 深度的擠密砂樁地基加固施工工藝，成樁最大直徑可達(dá) 2m，復(fù)合地基置換率可達(dá) 70%。研制開發(fā)的設(shè)備成功應(yīng)用于港珠澳大橋島隧工程地基處理，效果良好。

軟弱地基；砂樁船；擠密砂樁；地基處理

0 引言

近年隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)向外海發(fā)展，水下地基加固已成為外海工程建設(shè)中不可或缺的施工技術(shù)。水下擠密砂樁與傳統(tǒng)地基處理方法相比具有加固效果明顯，快速提高地基承載力，減小工后沉降，推進(jìn)施工進(jìn)程等優(yōu)勢(shì)[1]。

擠密砂樁技術(shù)源自日本，自 2004 年以來，出于國(guó)內(nèi)水運(yùn)工程建設(shè)的需要，三航局等企業(yè)通過自主創(chuàng)新，克服國(guó)外技術(shù)封鎖，經(jīng)過大量的研究與試驗(yàn)，逐步掌握了海上擠密砂樁施工的基本工藝，研制了全套設(shè)備，并在洋山深水港試驗(yàn)成功，形成了國(guó)內(nèi)第一代擠密砂樁施工設(shè)備[2]。

為了進(jìn)一步趕超國(guó)際先進(jìn)水平，適應(yīng)國(guó)內(nèi)交通建設(shè)發(fā)展的需要，特別是針對(duì)港珠澳大橋島隧工程建設(shè)的需要，從 2010 年開始三航局開展了新一代擠密式砂樁船成樁能力和作業(yè)控制技術(shù)的研究。在已有成果的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的研發(fā)工作，新造了 3 條砂樁船，船型總長(zhǎng) 75m、型寬26m、型深 5.20m，設(shè)計(jì)吃水 3.0m。新一代擠密砂樁船可進(jìn)行水面下 66m 深度的擠密砂樁施工，可進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式的操作，綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 砂料供給及自動(dòng)控制

砂料供給系統(tǒng)為砂樁的形成提供原材料，由砂箱、砂料輸送帶、計(jì)量斗、提升斗及進(jìn)料斗組成，是砂樁成樁的基本要素。為保證成樁效率，必須保證樁管內(nèi)時(shí)刻存有砂料，降低砂料輸送系統(tǒng)對(duì)成樁效率的影響。通過對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及總體協(xié)調(diào)，優(yōu)化工藝，提高各設(shè)備工作協(xié)調(diào)性，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率。

砂料供給系統(tǒng)的一個(gè)循環(huán)周期主要由以下幾部分組成：

通過對(duì)砂料輸送帶電機(jī)的選型及砂料輸送帶在砂樁船的工藝尺寸要求進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)縮減 T1；通過對(duì)計(jì)量斗斗門優(yōu)化設(shè)計(jì)縮減 T2；提升斗的提升控制選用變頻電機(jī)，在重斗提升時(shí)采用 50 Hz低速運(yùn)行，在空斗下降時(shí)采用 100 Hz高速運(yùn)行，且為了系統(tǒng)安全考慮，在提升斗啟動(dòng)和停止時(shí)均采用斜坡控制加減速過程，斜坡控制斜率可調(diào)，在出廠調(diào)試時(shí)對(duì)提升斗的加減速斜率、位置等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低時(shí)間 T3；進(jìn)料斗采用雙導(dǎo)門形式，即在成樁的整個(gè)過程中提升斗均可以向進(jìn)料斗放砂，在回打階段進(jìn)料斗均可以向樁管放砂，且無(wú)須將樁管內(nèi)的壓縮空氣壓力釋放，節(jié)省放氣和重新加壓的時(shí)間，避免樁管底部土壓力回入管內(nèi)，降低時(shí)間 T4和 T5。

砂料供給系統(tǒng)的控制包括砂料輸送帶的啟動(dòng)和停止、計(jì)量斗門的打開和關(guān)閉、提升斗的上升和下降、提升斗門的打開和關(guān)閉、進(jìn)料斗門的開啟和關(guān)閉及進(jìn)料斗內(nèi)的充氣和放氣。純手動(dòng)操作步驟較多，對(duì)操作人員要求高，工作強(qiáng)度大。故在控制系統(tǒng)研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式，自動(dòng)模式下可以實(shí)現(xiàn)砂料控制系統(tǒng)的全自動(dòng)供給，極大地降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，且由于控制系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)性較好，提高了整個(gè)砂料供給系統(tǒng)的效率。

1.2 振動(dòng)錘的選型

進(jìn)口錘的各種參數(shù)和性能優(yōu)于國(guó)產(chǎn)錘，但價(jià)格是國(guó)產(chǎn)錘的2倍。對(duì)兩種錘型實(shí)際使用和性能參數(shù)進(jìn)行分析，從性價(jià)比看，進(jìn)口錘的優(yōu)勢(shì)并不明顯，且進(jìn)口錘對(duì)船舶電站能力的要求比較大，后期維修比較困難。綜合考慮，選用國(guó)產(chǎn) DZL500振動(dòng)錘，該錘型主要用于地基改良的擠密砂樁、大型鋼管樁的施工作業(yè)，具有較大的靜偏心力矩、振動(dòng)振幅和振動(dòng)加速度，沉樁能力強(qiáng)，作業(yè)效率高。該錘采用較低的振動(dòng)頻率，尤其適用于地基加固的擠密砂樁貫入，有利于提高振動(dòng)錘軸承的使用壽命。采用飛濺加強(qiáng)制潤(rùn)滑方式，結(jié)合體外循環(huán)冷卻，有效提高軸承的潤(rùn)滑和散熱效果。潤(rùn)滑油溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，能有效防止?jié)櫥蜏囟壬?，延長(zhǎng)振動(dòng)錘的使用時(shí)間。

1.3 樁管與高壓注水裝置

不同的擠密砂樁工程施工，地質(zhì)的差異較大，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)砂層或黏土層，造成僅僅依靠振動(dòng)錘無(wú)法實(shí)現(xiàn)樁管下沉的情況。根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)及研究結(jié)果，采取在樁管端部外側(cè)安裝噴嘴，引入高壓水泵，依靠樁管外部高壓注水對(duì)樁管周圍的砂層或砂土進(jìn)行擾動(dòng)破壞，使樁管順利貫入。經(jīng)對(duì)高壓水泵設(shè)備調(diào)研選型，本次研制的 86m 擠密砂樁船配制的高壓水泵性能參數(shù)為 50m3/h，水壓1.2MPa。因?yàn)樵谠摯吓渲昧溯^大的振動(dòng)錘，樁管對(duì)一定厚度的砂層具有穿透功能，同時(shí)引入高壓注水裝置，可以順利地實(shí)現(xiàn)樁管的貫入，經(jīng)港珠澳大橋現(xiàn)場(chǎng)施工驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期效果。

1.4 成樁工藝及自動(dòng)控制

引入雷達(dá)式砂面計(jì)。在擠密砂樁打設(shè)過程中，必須對(duì)樁管內(nèi)的砂量進(jìn)行檢測(cè)，保證排出的砂量符合設(shè)計(jì)要求，避免出現(xiàn)由于下砂量不足造成斷樁或者縮徑樁的出現(xiàn)，所以樁管內(nèi)砂量的檢測(cè)尤為重要。但樁管內(nèi)的工作環(huán)境比較惡劣，里面有高達(dá)幾公斤的氣壓和砂料，如裝在樁管的內(nèi)部，極易對(duì)砂面測(cè)量設(shè)備造成損壞，且檢測(cè)設(shè)備與樁管外部的接口也必須保證密封。常規(guī)的檢測(cè)手段為接觸式測(cè)量：通過重錘測(cè)量砂面的高度，其缺點(diǎn)有：要有一套伺服控制系統(tǒng)，價(jià)格較為昂貴；重錘需往復(fù)運(yùn)動(dòng)，測(cè)得數(shù)據(jù)存在間斷性；加砂階段要保證重錘不被砂埋而無(wú)法拉出，造成測(cè)量系統(tǒng)損壞。因此引入非接觸測(cè)量方式：采用雷達(dá)式砂面計(jì)，其測(cè)量原理為采用能量很低的極短微波脈沖通過天線系統(tǒng)發(fā)射并接收。雷達(dá)波以光速運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間可以通過電子部件轉(zhuǎn)換成料位信號(hào)，用一種特殊的時(shí)間延伸方法可以確保極短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測(cè)量，輸入容器尺寸將上空距離值轉(zhuǎn)換成與料位成正比的信號(hào)。通過對(duì)套管長(zhǎng)度、套管內(nèi)最高空氣壓力、振動(dòng)體系的頻率及加速度和施工要求的測(cè)量精度及測(cè)量速度等參數(shù)的研究，選擇合適的雷達(dá)式砂面計(jì)，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月振動(dòng)驗(yàn)證，所選型號(hào)的雷達(dá)波料位計(jì)完全能夠在套管內(nèi)惡劣環(huán)境下使用，同時(shí)測(cè)量精度達(dá)到1 cm，滿足砂樁施工的砂面測(cè)量要求，工作效果良好。

引入噸位計(jì)。首先通過噸位計(jì)測(cè)量樁管在下放過程中的受力，根據(jù)噸位計(jì)的實(shí)測(cè)值控制系統(tǒng)自動(dòng)控制樁管下放速度，防止提升樁管的卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩下放速度過快，避免鋼絲繩松弛引起重達(dá)96 t、高度 79.5m 的樁管處于無(wú)約束的自由狀態(tài)，造成安全事故。其次通過噸位計(jì)檢測(cè)拔管的卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力大小，控制樁管內(nèi)外噴嘴產(chǎn)生脈沖式氣體、液體干擾樁管下端周圍土體，使土體松動(dòng)，降低拔管力，避免由于拔管力過大造成設(shè)備損壞。最后通過噸位計(jì)檢測(cè)施工區(qū)域的土層地質(zhì)情況，且將樁管內(nèi)的壓力控制與樁管深度、噸位計(jì)、下砂量建立關(guān)系，使壓力控制更符合實(shí)際要求，保證沉管階段樁管內(nèi)排水、排泥符合實(shí)際要求，成樁階段下砂量順暢。

成樁過程中壓力控制共引入了 P1、P2、P3、P4四檔壓力，其分別與樁管底部的高層、樁管受的土體反力、土體反力的影響系數(shù)、下砂量存在有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并綜合了原有的砂樁施工經(jīng)驗(yàn)，在成樁不同階段分別采用不用的壓力控制方式，且控制系統(tǒng)采集每次成樁時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，可供研究人員做數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)優(yōu)化之用，使控制系統(tǒng)功能不斷得以優(yōu)化提高。

采用先下砂后拔管的控制工藝，并通過設(shè)計(jì)下砂量與實(shí)際下砂量的對(duì)比實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，并根據(jù)下砂量的多少控制拔管速度[2]，并在打設(shè)管理界面上以曲線方式顯示理論下砂量和實(shí)際下砂量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不僅避免斷樁和縮徑樁的出現(xiàn)，保證了成樁質(zhì)量，打設(shè)管理人員也可以通過曲線顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控成樁情況，提高擠密式砂樁的質(zhì)量控制。

1.5 壓縮空氣系統(tǒng)

擠密砂樁施工中壓縮空氣的用量非常大，在選擇空壓機(jī)供氣量的同時(shí)，對(duì)砂樁管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空氣排放形式進(jìn)行研究，最后定為4臺(tái)電驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)：排 量為 60m3/min，排 出壓力 1.2MPa。為連續(xù)提供高壓空氣，特設(shè)置 3 個(gè)總?cè)莘e約 250m3的空氣瓶，以滿足樁管短時(shí)間、大容量的耗氣需求?？諌簷C(jī)安放在船員住艙的后甲板上，儲(chǔ)氣瓶放置于船舶的前艙內(nèi)，由管路引至布?xì)馄脚_(tái)，通過布?xì)馄脚_(tái)的閥門控制每組砂樁管進(jìn)氣排氣。

2 控制系統(tǒng)方案確定

2.1 控制系統(tǒng)軟、硬件構(gòu)建方案

控制策略采用集散控制模式，主要有集中控制系統(tǒng)、砂料供給控制系統(tǒng)、提升斗升降絞車控制系統(tǒng)、樁管絞車升降控制系統(tǒng)等組成。由集中控制系統(tǒng)總體協(xié)調(diào)其他集散控制子系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由下列三大模塊組成：信號(hào)檢測(cè)元件模塊、信號(hào)執(zhí)行元件模塊和信號(hào)控制模塊。信號(hào)檢測(cè)元件模塊主要包括：限位開關(guān)、壓力傳感器、編碼器、噸位計(jì)、雷達(dá)測(cè)距儀；信號(hào)執(zhí)行元件模塊：氣動(dòng)球閥、氣缸、電磁閥組、樁管升降絞車電機(jī)、提升斗升降絞車電機(jī)、振動(dòng)錘電機(jī)、砂料輸送帶電機(jī)、空壓機(jī)；信號(hào)控制模塊：PLC、變頻器、人機(jī)界面、觸摸屏。

2.2 控制系統(tǒng)人機(jī)界面

考慮到砂樁船上打設(shè)操作人員的專業(yè)水平，故砂樁施工人機(jī)界面分施工管理、集中管理和打設(shè)管理三部分。施工管理、集中管理較為復(fù)雜的人機(jī)界面由施工管理人員進(jìn)行操作，配備一到兩名即可。打設(shè)管理人機(jī)界面均為提示性操作，簡(jiǎn)單、友好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

施工管理人機(jī)界面主要功能有：制作配樁圖、樁管基本參數(shù)設(shè)置、砂樁基本參數(shù)設(shè)置、砂樁數(shù)據(jù)保存、查詢和打印等功能。集中管理人機(jī)界面如圖1所示，主要功能包括：調(diào)入施工管理人機(jī)界面設(shè)定的配樁圖、設(shè)置三套樁管打設(shè)的樁編號(hào)及順序、設(shè)置三套樁管打設(shè)砂樁時(shí)的樁管速度控制、下砂速度控制、樁管內(nèi)壓力控制、端部處理控制等參數(shù)。

圖1 集中管理人機(jī)界面Fig.1 Centralizedmanagementman-machine interface

圖2 打設(shè)管理界面Fig.2 Management inter face

打設(shè)管理界面如圖2所示，主要功能包括：顯示設(shè)定的成樁參數(shù)、顯示成樁的階段、顯示進(jìn)氣、排氣狀態(tài)、導(dǎo)門的打開、關(guān)閉狀態(tài)；顯示下砂量的控制曲線、SL 曲線和 GL 曲線。通過砂樁各種參數(shù)的顯示和提醒，使操作人員在控制室可以完全掌握砂樁打設(shè)過程，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度，提高砂樁成樁質(zhì)量。且打設(shè)管理界面還包括觸摸屏人工干預(yù)界面，人工干預(yù)界面分為全手動(dòng)操作模式和砂投入自動(dòng)運(yùn)行模式兩種干預(yù)模式。全手動(dòng)人工干預(yù)模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)自動(dòng)成樁過程的狀態(tài)干預(yù)，要求操作人員具有較高的砂樁施工工藝知識(shí)及操作水平；砂投入自動(dòng)運(yùn)行模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣閥、排氣閥、內(nèi)噴嘴、外噴嘴的人工干預(yù)。人工干預(yù)通過微調(diào)壓力控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)下砂量的控制，進(jìn)一步提高了砂樁的成樁質(zhì)量。

3 系統(tǒng)總成

在已有研發(fā)成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)外海工程建設(shè)的需要，通過自主創(chuàng)新新造了3條砂樁船。砂樁船最高達(dá) 86m，為三聯(lián)管設(shè)計(jì)，三聯(lián)管打樁間距可調(diào)，并引入了國(guó)產(chǎn)的 500 kW 的振動(dòng)錘，船上布置有砂料輸送系統(tǒng)、砂料提升系統(tǒng)、雙導(dǎo)門進(jìn)料系統(tǒng)、振動(dòng)錘系統(tǒng)、長(zhǎng)66m 的樁管系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和施工自動(dòng)控制系統(tǒng)。擠密砂樁船建造過程中，根據(jù)施工工藝和控制系統(tǒng)的需要合理配置各類電氣控制元件，設(shè)計(jì)加工電氣柜，同時(shí)引入了GPS 測(cè)量定位系統(tǒng)，并將 GPS 測(cè)量系統(tǒng)獲取的潮位與 SCP 擠密砂樁自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以將打樁標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)修訂，確保滿足設(shè)計(jì)要求；將整個(gè)操作系統(tǒng)分管理操作和打設(shè)兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，使施工員和管理人員任務(wù)明確，管理方便，節(jié)省了人力和物力。

4 工程應(yīng)用情況

港珠澳大橋島隧工程人工島鋼圓筒外側(cè)島壁結(jié)構(gòu)采用置換率為 25.6%的擠密砂樁進(jìn)行加固，提高加固土體的承載力，減少島外側(cè)拋石堤的沉降，對(duì)人工島的穩(wěn)定性起著非常重要的作用。東人工島擠密砂樁用砂方量約 35.42 萬(wàn) m3。隧道過渡段分別采用置換率為 70%、60%、50%、41%的擠密砂樁進(jìn)行加固，以消除施工期沉降，減小次固結(jié)沉降，從而降低隧道過渡段的不均勻沉降，東人工島隧道過渡段共計(jì)用砂 29.83 萬(wàn) m3。為保證施工質(zhì)量，每施工 1 000 根樁進(jìn)行標(biāo)貫抽樣檢測(cè)2根，檢測(cè)結(jié)果表明均滿足設(shè)計(jì)要求。

通過港珠澳工程施工驗(yàn)證了新一代砂樁船的施工工藝及參數(shù)適合本工程地質(zhì)和工況條件，可高效進(jìn)行擠密砂樁施工；且通過操作控制系統(tǒng)監(jiān)控和選樣標(biāo)貫檢測(cè)，證明新造的擠密砂樁船可以保證砂樁施工質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

新建的 3艘86m高擠密砂樁船及施工作業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，可以適用砂質(zhì)地基、黏土地基以及其他復(fù)合地基，可實(shí)施排水砂樁 （SD 工法）、擠密砂樁 （SCP 工法）、排水碎石樁 （GD 工法） 以及擠密碎石樁 （GCP工法） 等多種工藝。具有自動(dòng)化（擁有人工干預(yù)功能）和手動(dòng)兩種打樁模式，在施工時(shí)通過監(jiān)檢 SL、GL 和噸位計(jì)等確保砂樁成樁質(zhì)量。通過自動(dòng)化高效實(shí)現(xiàn)樁管下降、貫入、著底、端部處理、拉拔、回打、引上整個(gè)施工流程[3]，降低了施工和管理人員操作強(qiáng)度， 可實(shí)現(xiàn)水下 66m深度的擠密砂樁地基處理施工，成樁最大直徑可達(dá) 2m，復(fù)合地基置換率可達(dá) 70%，綜合施工能力及技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

[1]MASAKIKITAZUME.Thesand compaction pilemethod[M].Japan：Taylor&Francis Ltd.，2005.

[2]汪飛.洋山深水港區(qū)四期工程砂樁施工技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2010（2）：55-57. WANG Fei.Construction technology of sand piles in the fourth phase of Yangshan deepwater harbor[J].China Harbour Engineering，2010（2）：55-57.

[3]地質(zhì)工學(xué)會(huì).擠密砂樁設(shè)計(jì)與施工[M].日本：地質(zhì)工學(xué)會(huì)，2009. Geotechnical Society.Design and construction of sand compaction pile[M].Japan：Geotechnical Society，2009.

Research and developm ent of com paction sand pile treatment equipm ent of soft foundation

MA Zhen-jiang1，ZHANGMin-ying2，LIU Lu3
（1.CCCCShanghaiThird Traffic Science Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；2.CCCCThird Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；3.CCCCEngineering VesselCo.，Ltd.ofTHEC，Shanghai200137，China）

Based on the existing research results， compaction sand pile ships are successfully developed through further research on the key compaction technology，key equipmentselection，control system design and equipmentassembly debugging. The ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m under water to improve the production process， the pile diameter can reach 2m and the rep lacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Moreover，the equipment wassuccessfully applied to the tunnelengineering foundation treatmentofHong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island and theeffectwasgood.

soft foundation；sand pile ship；compaction sand pile；foundation treatment

U655.32

C

1003-3688（2014）01-0070-05

10.7640/zggw js201401014

2013-06-03

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 （2011BAG07B002）

馬振江 （1978 — ），男，河南濮陽(yáng)人，工程師，工藝自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所工藝所所長(zhǎng)，從事港口工程工藝及機(jī)電一體化設(shè)備研究。E-mail：mazhenjiang1978@163.com