專用擠密砂樁船的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉璐，馬振江

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

專用擠密砂樁船的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉璐1，馬振江2

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

為適應(yīng)工程建設(shè)的需要，國(guó)內(nèi)擠密砂樁船從引進(jìn)仿制到自主研發(fā)，經(jīng)歷了兩代發(fā)展。最新研制開發(fā)的擠密砂樁專用船可以進(jìn)行水面以下66m深的擠密砂樁地基處理，最大成樁直徑可達(dá)2m，復(fù)合地基置換率可達(dá)70%，具有更好的可操作性，更高工效和環(huán)保性，已成功應(yīng)用于洋山深水港及港珠澳大橋島隧工程建設(shè)中，地基加固效果良好。

軟弱地基；擠密砂樁；地基處理；砂樁船；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

0 引言

為適應(yīng)港口吞吐能力發(fā)展的要求，離岸群島間的深水岸線和深水港建設(shè)大量興起，人造陸域的使用越來越普遍，遠(yuǎn)離陸域、風(fēng)浪條件惡劣、有效作業(yè)時(shí)間短等施工環(huán)境都給外海工程的地基處理帶來了難度，地基加固技術(shù)已成為外海交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中至關(guān)重要的施工技術(shù)，傳統(tǒng)的地基處理方法面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

水下擠密砂樁是一種地基加固新技術(shù)，它以砂樁船作為作業(yè)平臺(tái)，通過振動(dòng)設(shè)備和管腔增壓裝置把砂強(qiáng)制壓入水下軟弱地基中，經(jīng)過振動(dòng)拔管、回打、擠密擴(kuò)徑，形成擠密砂樁。通過擠密砂樁的置換、擠密、排水作用，可增加地基強(qiáng)度，加快地基固結(jié)，減少結(jié)構(gòu)物沉降，提高地基的抗液化能力。擠密砂樁成樁工藝如圖1所示[1-2]。與傳統(tǒng)的地基加固方法相比，水下擠密砂樁技術(shù)采用專業(yè)施工船舶很好地解決可操作性與工效等問題，適用范圍廣泛，可應(yīng)用于對(duì)砂性土、黏性土、有機(jī)質(zhì)土等幾乎所有土質(zhì)的地基加固處理，非常適用于外海人工島、防波堤、護(hù)岸、碼頭等工程的地基基礎(chǔ)加固。

1 國(guó)內(nèi)外擠密砂樁船的發(fā)展歷程

砂樁法作為一種地基處理方法歷史悠久。砂樁處理地基在19世紀(jì)30年代源于歐洲。20世紀(jì)50年代后期，日本成功研制了振動(dòng)式和沖擊式砂樁施工工藝，大大提高了工作效率和施工質(zhì)量。目前在國(guó)外特別是日本、韓國(guó)海上工程中水下擠密砂樁得到廣泛應(yīng)用，施工均采用專用擠密砂樁船。國(guó)際上專用砂樁船加固地基深度能達(dá)到水面以下60m，其擠密砂樁的置換率可達(dá)60%～70%，砂樁直徑可達(dá)2 m。典型工程如日本的關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)一期、二期和新敦賀港，韓國(guó)的釜山新港等。

圖1 水下擠密砂樁成樁工藝流程Fig.1 The pile-form ing process flow of underwater com paction sand pile

1.1 國(guó)內(nèi)水下砂樁的應(yīng)用

水下砂樁特別是水下擠密砂樁在我國(guó)應(yīng)用時(shí)間較短。在2004年以前水下砂樁在國(guó)內(nèi)有一定的應(yīng)用，但直徑較小（不超過800 mm），加固深度較淺（不超過10 m），且在施工工藝上與水下擠密砂樁有很大差異，一般多為直接將陸上砂樁施工機(jī)具直接移至船舶上，振動(dòng)錘能力較小，一般不超過135 kW。

1.2 國(guó)內(nèi)第一代擠密砂樁船

自2004年以來，中交三航局等企業(yè)通過自主創(chuàng)新，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，形成了國(guó)內(nèi)第一代擠密砂樁專用施工設(shè)備。第一代擠密砂樁船在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)了成套的水下擠密砂樁施工設(shè)備、施工工藝、施工過程自動(dòng)控制系統(tǒng)以及施工管理軟件。這一代設(shè)備主要采用現(xiàn)有工程船舶改造，如駁船、起重船，配備的振動(dòng)錘能力有很大提高，一般使用 200～300 kW振動(dòng)錘，使之具備水下擠密砂樁施工的能力。設(shè)備及控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了初步的自動(dòng)化、專業(yè)化。代表施工船舶有三航砂樁2號(hào)、三航砂樁3號(hào)、三航起重10號(hào)。

1.3 國(guó)內(nèi)第二代擠密砂樁船

第二代擠密砂樁船在第一代擠密砂樁船的基礎(chǔ)上提高了施工工效，加強(qiáng)了施工質(zhì)量管理，具備施工自動(dòng)化系統(tǒng)和施工管理軟件，采用大功率振動(dòng)錘和大流量高壓空壓機(jī)，加固深度大大提高，可進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式的施工作業(yè)，綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。代表船舶有三航砂樁6號(hào)、三航砂樁7號(hào)、三航砂樁8號(hào)。

國(guó)內(nèi)砂樁船分類見表1。

表1 國(guó)內(nèi)砂樁船分類表Table 1 Classification of domestic sand pile ships

2 第二代擠密砂樁船系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)

第二代擠密砂樁船樁架高度86 m，總長(zhǎng)75 m、型寬26m、型深5.20m，設(shè)計(jì)吃水3.0m，為三聯(lián)管設(shè)計(jì)，三聯(lián)管打樁間距可調(diào)，配備國(guó)產(chǎn)500 kW振動(dòng)錘，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)、超長(zhǎng)66 m的樁管系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和施工自動(dòng)控制系統(tǒng)[3]。

2.1 硬件系統(tǒng)配置特點(diǎn)

為滿足水下擠密砂樁的施工要求，第二代擠密砂樁船選用具有較大靜偏心力矩、振動(dòng)振幅和振動(dòng)加速度的上海國(guó)產(chǎn)DZ500振動(dòng)錘。該錘型沉樁能力強(qiáng)，作業(yè)效率高。砂料輸送系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)砂料的全自動(dòng)供給，極大地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了砂料供給效率。配備套管貫入輔助裝置，克服加固地基土中的硬土夾層。砂面儀采用非接觸式砂面儀，測(cè)量精度達(dá)到1 cm，對(duì)樁管內(nèi)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。配備有空氣壓縮系統(tǒng)，由4臺(tái)電驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)和總?cè)莘e約250m3的空氣瓶組成，單臺(tái)排量為60m3/min，排出壓力1.3MPa，能滿足樁管短時(shí)間、大容量耗氣需求。

2.2 自動(dòng)化系統(tǒng)及施工管理軟件系統(tǒng)

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)其他子系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括信號(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)行元件模塊包括：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)控制模塊包括：PLC、變頻器、人機(jī)界面、觸摸屏。

砂樁施工管理軟件系統(tǒng)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。施工管理軟件界面參見文獻(xiàn)[3]，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即可完全掌握砂樁打設(shè)過程，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和操作難度，提高了砂樁成樁質(zhì)量。

3 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)有多項(xiàng)工程采用或有意向采用擠密砂樁處理軟基技術(shù)，如洋山深水港工程、港珠澳大橋島隧工程和海南?？跒衬虾Ｃ髦槿斯u工程均采用了水下擠密砂樁作為軟土地基處理的手段，海南三亞榆林港深水防波堤工程也有意采用水下擠密砂樁作為軟基處理方案。

3.1 洋山深水港工程

洋山深水港建設(shè)中廣泛采用了水下砂樁處理軟土地基（近10萬根水下砂樁），并在國(guó)內(nèi)首次采用了擠密砂樁技術(shù)加固沉箱式碼頭基礎(chǔ)。洋山深水港三期工程原料碼頭基礎(chǔ)采用擠密砂樁加固，結(jié)構(gòu)形式為沉箱重力式結(jié)構(gòu)，地基為軟土地基，碼頭面高程為6.50 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面標(biāo)高-5.50 m，拋石基床頂標(biāo)高為-6.30 m。擠密砂樁總工程量：50%置換率砂樁144根，60%置換率砂樁280根，合計(jì)424根。經(jīng)檢測(cè)擠密砂樁的成樁直徑達(dá)到1.8m，鉆孔取樣檢測(cè)表明砂樁長(zhǎng)度達(dá)到要求，樁身連續(xù)性好，密實(shí)度為中密—密實(shí)狀態(tài)。根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)，工后6個(gè)月的殘余沉降僅為24 mm，說明擠密砂樁加固處理后的軟土地基達(dá)到了較好的效果。

3.2 港珠澳大橋島隧工程

港珠澳大橋主體工程采用橋隧組合方式，在其人工島及海底沉管隧道建設(shè)中采用了水下擠密砂樁作為軟土地基處理方法，總方量高達(dá)150萬m3，為國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的水下擠密砂樁應(yīng)用工程[4]。

3.3 海口灣南海明珠人工島工程

?？跒衬虾Ｃ髦槿斯u工程位于?？谑形骱０缎聡?guó)賓館北側(cè)約2 km海域，通過填海造地形成南海明珠人工島，面積約265 hm2，以開發(fā)建設(shè)25萬總噸級(jí)郵輪母港及配套設(shè)施等高端旅游服務(wù)產(chǎn)業(yè)。該人工島為砂質(zhì)土地基，采用直徑1.35m，長(zhǎng)度8～12.5m的擠密砂樁對(duì)人工島內(nèi)、外護(hù)岸地基進(jìn)行加固處理，以提高地基抗液化能力。水下擠密砂樁總工程量共計(jì)32.5萬m3。

4 設(shè)備發(fā)展方向及應(yīng)用前景

隨著擠密砂樁施工設(shè)備和施工工藝的日臻完善，擠密砂樁在外海的作業(yè)能力有了更進(jìn)一步的提升，更加適合外海深水條件下水下軟土地基處理。擠密砂樁法將是今后離岸深水工程中重要和主要的地基加固方法。與國(guó)外同類技術(shù)相比，我國(guó)第二代擠密砂樁船其設(shè)備能力、加固深度與成樁直徑均已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。值得指出的是隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)境保護(hù)及可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識(shí)的不斷加深，對(duì)擠密砂樁船的節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求。可以預(yù)見我國(guó)今后擠密砂樁船的發(fā)展將具備以下特點(diǎn)。

1）自動(dòng)化集成度更高

具有全自動(dòng)化（擁有人工干預(yù)功能）和手動(dòng)兩種打樁模式，在施工的同時(shí)，通過檢測(cè)監(jiān)控砂面儀、樁管標(biāo)高、噸位計(jì)等確保砂樁成樁質(zhì)量。通過全自動(dòng)化高效實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)作業(yè)，可縮短操作人員培訓(xùn)時(shí)間，減輕操作人員工作強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2）各系統(tǒng)可靠性明顯提高

系統(tǒng)可靠性提高，在設(shè)計(jì)中充分考慮系統(tǒng)各組件的維修，進(jìn)一步降低擠密砂樁船的維護(hù)費(fèi)用。

3）設(shè)備工藝適用性提高

提高設(shè)備對(duì)各種地基（砂質(zhì)地基、黏土地基以及其他復(fù)合地基）的廣泛應(yīng)用性。擠密砂樁船可以實(shí)施排水砂樁、擠密式砂樁、排水碎石樁以及擠密碎石樁等多種工藝。

4）環(huán)保性能進(jìn)一步提升擠密砂樁船將采用最新的技術(shù)，提高能源利用效率，充分考慮能源的循環(huán)利用，落實(shí)節(jié)能指標(biāo)，同時(shí)在減震降噪方面將進(jìn)一步提升，以滿足日益提高的環(huán)保新標(biāo)準(zhǔn)。

[1]寺師昌明.擠密砂樁設(shè)計(jì)與施工[M].日本：地質(zhì)工學(xué)會(huì)，2009. TERASHIMasaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2]尹海卿.水下擠密砂樁加固軟土地基技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013：18-49. YIN Hai-qing.A technique to treat themarine soft ground using sand compaction pile[M].Beijing:China Communications Press, 2013:18-49.

[3]馬振江，張敏贏，劉璐.擠密砂樁加固水下軟土地基專用設(shè)備研制[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（1）：70-74. MA Zhen-jiang，ZHANGMin-ying，LIU Lu.Research and development of compaction sand pile treatment equipment of soft foundation[J].ChinaHarbourEngineering,2014(1):70-74.

[4]林鳴，梁桁，劉曉東，等.海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程的應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2012（4）：72-77. LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,et al.Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. ChinaHarbour Engineering,2012(4):72-77.

表1 直螺紋接頭安裝時(shí)的最小擰緊扭矩值Table1 Them inim um tightening torque value for a straight threaded joint

5 結(jié)語

港珠澳大橋設(shè)計(jì)使用年限120 a，其中西人工島島上段隧道暗埋段因結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，配筋率高，鋼筋安裝極為困難。通過采取極為細(xì)致的質(zhì)量保證措施，不斷優(yōu)化鋼筋安裝施工工藝，規(guī)范過程控制，鋼筋安裝精度及質(zhì)量不斷提高，并極大提高了施工效率，節(jié)省了人力物力，為以后類似工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊紹斌，張洪.自動(dòng)化鋼筋加工生產(chǎn)線在港珠澳大橋沉管預(yù)制中的運(yùn)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2013（3）：66-70. YANGShao-bin,ZHANGHong.Automated reinforcementproduction line used in prefabrication of immersed tube sections for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering, 2013(3):66-70.

[2]趙傳林，張怡戈，楊潤(rùn)來.港珠澳大橋島隧工程西人工島暗埋段隧道模板設(shè)計(jì)及施工技術(shù)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2013（3）：49-54. ZHAO Chuan-lin,ZHANG Yi-ge,YANG Run-lai.Design and technology for construction of formwork for buried tunnel in west man-made island for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2013(3):49-54.

[3]JTG/TF50—2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]. JTG/T F50—2011,Technical specification for construction of highway bridgesand culverts[S].

[4]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].2013. Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and qualityacceptance criteria for tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].2013.

[5] JGJ107—2010，鋼筋機(jī)械連接通用技術(shù)規(guī)程[S]. JGJ 107—2010,General technical specification for mechanical connection of reinforcement[S].

App lication status and development trends of com paction sand pile ship

LIU Lu1,MA Zhen-jiang2
（1.CCCCEngineering VesselCo.,Ltd.of THEC,Shanghai200137,China; 2.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

In order tomeet the need of engineering construction,the domestic sand pile ship experienced two generations of development from introduction and imitation to independent research and development.The new sand pile ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m underwater to improve the production process,the pile diameter can reach 2m and the replacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Due to its better operability,efficiency and environmental protection,the equipment is successfully applied to the construction of Yangshan deepwater portand Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel projectand the effect isgood.

soft foundation;compaction sand pile;foundation treatment;sand pile ship;application status;development trends

U655.32

A

2095-7874（2015）11-0116-04

10.7640/zggw js201511031

2015-10-12

劉璐（1983— ），男，安徽淮南人，工程師，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：linwen166@126.com