海上擠密砂樁施工控制

黃強

摘 要：通過海上擠密砂樁施工，形成一套擠密砂樁質量控制標準。

關鍵詞：擠密砂樁 工藝 控制標準 推廣應用

1.前言

海上擠密砂樁具有擠密、排水和置換等改良地基作用，能大幅度的提高軟土地基承載力，減少地基沉降量，加速土體固結，提高土體密實度，對后續(xù)工序的快速推進十分有利，但由于海上擠密砂樁的施工技術和設備要求較高，在國內鮮有使用，目前國家還沒有推出一套成熟全面的有關海上擠密砂樁施工質量控制標準，港珠澳大橋島隧工程的擠密砂樁施工的成功案例，能為國內推廣擠密砂樁施工技術和制定質量控制標準提供良好借鑒。

2.工程概況

港珠澳大橋島隧工程東人工島位于伶仃洋水域，地層主要由第四紀覆蓋層、殘積土和風化巖組成。由于水工岸壁結構穩(wěn)定的需要，東人工島壁外圍45m～65m范圍內需軟基處理，處理方式采用開挖換填+擠密砂樁，施工面積75329.7m2，置換砂方量約為35萬方。基槽開挖泥至-18.0m，回填2.0m厚碎石墊層，水上施打排水砂井及擠密砂樁。擠密砂樁樁徑絕大部分為1.6m，設計樁頂標高為-16m，設計樁底暫定標高為-31m，-31m以下為排水砂井。在救援碼頭區(qū)域樁基正方形平面布置，間距1.8m，置換率62%；其他區(qū)域矩形平面布置，平行護岸方向樁基間距2.7m，垂直護岸方向2.9m，置換率25.6%。

3.擠密砂樁施工工藝

3.1船機選型

東人工島采用三艘砂樁船的船型參數均一樣：船長75m，船寬26m，型深5.2m，設計吃水3m，儲料倉容積240m3，套管長度61m。本工程區(qū)域砂樁最深為-43.0m，按100年一遇高水位+3.47m計算，套管計算長度=3.47-（-43.0）+1（甲板高）=47.47m<61m，故選擇的3艘砂樁船均滿足最大沉管深度要求。每艘砂樁船配備三條套管及其控制系統(tǒng)，套管的底端長度1.0m范圍，其外徑為φ1016mm，其它管段的內徑為φ749mm，套管頂部振動錘功率為300～400kw。

3.2成樁工藝流程

船機就位→打入套管→投砂→貫入完畢→提管排泥，回打到設計底標高→投砂→上拔套管排砂→套管回打擴徑成樁→循環(huán)上拔和回打套管→成樁→移船和循環(huán)上述操作。

3.3施工控制

（1）定位控制

打開“海上SCP定位監(jiān)測系統(tǒng)”，將船舶移至設計樁位附近（系統(tǒng)設備屏幕上顯示移動樁位和設計樁位），然后微調至設計樁位，加固纜繩保證施工中樁位偏差不大于250mm。

（2）高程控制

砂樁船通過自動控制系統(tǒng)打設擠密砂樁。技術員事先往控制系統(tǒng)中輸入每條樁坐標、高程等施工參數，擠密砂樁打設系統(tǒng)根據套管貫入深度，自動計算出下打高程和上拔高程，操作人員通過主機監(jiān)視器顯示套管目標高程進行砂樁打設，偏差值控制±100mm內。

（3）套管垂直度控制

擠密砂樁打設過程中，砂樁船自動調平系統(tǒng)始終處于打開狀態(tài)，通過調節(jié)壓倉水調整船體水平，同時使用吊錘對套管的垂直度進行復核，以保證砂樁打設時套管的垂直度控制在1.5%之內。

（4）原材料質量控制

根據設計要求，砂樁采用中粗砂作為擠密材料，砂的含泥量不大于3%，原材料顆粒大小分配曲線應符合擠密砂樁使用范圍。承包人、監(jiān)理單位、建設單位分別按規(guī)定的頻率對進場砂料進行抽樣檢測，任何一方對檢測到不符合設計和規(guī)范要求的砂料，有權拒絕使用。

（5）典型施工

通過典型施工獲得砂樁施工主要工藝控制參數。每段循環(huán)形成直徑為1.6m的擠密砂樁高度1.0m，提管高度2.7m，回打高度1.7m，下砂高度4.56m，排砂量2.01m3。樁頂1m范圍，成樁高度0.5m，提管高度1.35m，回打高度0.85m，砂樁套管內排出砂柱高度2.28m；成樁高度0.3m，提管高度0.81m，回打高度0.51m，砂樁套管內排出砂柱高度1.37m；成樁高度0.2m，提管高度0.54m，回打高度0.34m，砂樁套管內排出砂柱高度0.91m。不同深度套管內施加壓力：0～4.99m，深度壓-0.4kg.f/cm2；5～9.99m，深度壓-0.3kg.f/cm2；10～14.99m，深度壓-0.2kg.f/cm2；15～19.99m，深度壓+0.1kg.f/cm2；20～24.99m，深度壓+0.3kg.f/cm2；25～29.99m，深度壓+0.6kg.f/cm2；30～34.99m，深度壓+0.8kg.f/cm2。套管排砂擠密示意圖如圖1。

每制造1m高度砂樁，套管提升高度和下砂長度計算如下：

①直徑φ1600mm，1m高砂樁的體積V=（1.6/2）2×π=2.011m3；

②底端套管的外徑橫斷面積A′=（1.016/2）2×π=0.811㎡；

③提管高度H=V÷A′=2.011÷0.811=2.48m；

④打回高度H′=H – 1.0=2.48-1.00=1.48m；

⑤上部套管的內徑橫斷面積A=（0.749/2）2×π=0.441㎡；

⑥提管時，套管內排出砂量長度SL=V÷A=2.011÷0.441= 4.56m。

（6）制樁過程控制

①砂樁船完成移船和精確定位后，依次分別沉放三根砂樁套管，當套管接近泥面時，關閉砂樁套管上上料灌砂導門，開啟加壓系統(tǒng)，根據水深向管內適當加壓，直至監(jiān)控系統(tǒng)顯示管內剩余1～2m水柱，停止加壓，在持壓狀態(tài)下繼續(xù)沉管。管內排水壓力應在沉設套管前，根據水深資料計算確定，可設定壓縮空氣最大壓力為0.9倍樁位泥面處的水壓力，防止壓縮空氣沖出管端。

②完成套管內排水后，繼續(xù)沉放套管，在套管自重作用下無法沉放時，開啟振動錘打設套管，當套管入土層一定深度后，打開上導門減壓放氣并向套管內灌砂6～10m3。關閉上導門，加壓0.4～0.5MPa并持壓繼續(xù)振動打設套管接近設計處理底標高，維持管內一定壓力上拔砂樁套管，使管內砂柱頂面標高不變，將管內泥柱排出管外，并通過監(jiān)控系統(tǒng)檢查，確保管內均為砂柱。完成管內排泥和端部處理后，保持套管內壓力將套管施打至設計標高。

③根據入土深度設定管內壓力，持壓上拔套管使管內砂留在土層中，拔管時注意控制拔管速度，確保排砂量不小于理論用砂量后（顯示在監(jiān)測顯示屏上），持續(xù)加壓拔管排砂，使土層中形成一定的砂井，至標高-31.0m為止。

④根據樁管所處土層深度設定管內壓力，持壓上拔套管使管內砂留在土層中，當拔管排砂量不小于理論用量后，持續(xù)加壓拔管排砂，使土層中形成一定的砂柱（每次拔管高度以回打擴徑成樁高度為1m左右控制），持續(xù)維持管內壓力進行回打，使砂柱擠密壓實擴徑，直至達到設計擴徑要求后，形成一段擠密砂樁。在持壓拔管過程中，為使套管內砂留在土層中，必須保持一定的管內壓力（通過計算和典型施工確定），并打開套管底部的噴氣口，防止砂在套管內起拱而形成堵塞，使砂能從套管底部順利排出，并達到理論用砂量。該施工過程采用雷達砂面自動檢測儀，實時跟蹤管內砂面標高，并通過施工監(jiān)控系統(tǒng)反應在顯示器上，以便施工人員操作和監(jiān)控。

⑤重復提管→回打，逐漸形成整根擠密砂樁。

4.施工注意事項

（1）振動沉管過程中，若遇到薄的夾砂層造成沉管困難，必要時可采用高壓水輔助沉管。

（2）在拔管排砂過程中，通過砂面監(jiān)測儀，自動跟蹤套管內殘余砂量的高度，確保其高度不小于3m，若小于此值立即停止上拔并開始加砂，防止在排氣加砂過程中管外軟土在水（土）壓作用下回灌而造成砂樁夾泥等。

（3）由于砂樁頂部入土較淺，周圍土壓力較小，因此回打時管內壓力要減小，防止壓力過大而將管內砂全部沖出，造成砂樁斷樁。為此，當施工至距樁頂1m后，應縮短每次成樁的高度，盡量提高砂樁頂部的密實度。

（4）套管上拔時一定要控制拔管速度并觀察排砂量（在顯示屏上提示），即根據砂面檢測儀跟蹤管內砂面標高，并通過監(jiān)控系統(tǒng)計算其排砂量，判斷是否與理論排砂量基本一致，以防止因拔管過快，排砂相對較慢而形成管底空腔，使周圍軟土進入而造成夾泥。

5.成樁標貫檢測

制樁完成的擠密砂樁是否密實和樁身連續(xù)，需通過標準貫入試驗進行檢測。承包人每月按完成砂樁根數不小于0.2%的頻率進行標貫自檢。在施工過程中或成樁后如監(jiān)理人員發(fā)現(xiàn)個別砂樁存在異常情況，比如：打設樁長或回打擴徑值與設計值相差較大，振動貫入速率未達到設計規(guī)定就停錘或停止擴徑，停錘或停止擴徑前連續(xù)振動時間達不到設計規(guī)定，成樁曲線圖中顯示套管下打或上拔過程不正常等，這些異常情況成為監(jiān)理單位選做標貫的重點。典型施工階段和正式施工階段擠密砂樁標貫檢測結果如表1、表2所示。

典型施工在施工區(qū)域外進行，承包人在典型施工階段標貫自檢3組，在正式施工階段標貫自檢20組，監(jiān)理單位在正式施工階段標貫抽檢4組。標貫檢測結果顯示樁身連續(xù)性較好，未發(fā)現(xiàn)有粘土夾層，正式施工階段實測標貫擊數平均值大于典型施工階段，且兩階段實測標貫擊數平均值遠遠大于設計值。標貫檢測結果表明擠密砂樁施工質量能滿足設計要求。

6.工效分析

在典型施工階段，砂樁船平均每條套管每小時完成砂量約19.6m3（實方）。在正式施工階段，按正常工況條件，砂樁船平均每條套管每小時完成砂量約28.3m3，如每天工作時間按13小時計算，每條套管每天完成368m3砂，1船3管每天共完成砂量約為1104m3，3條船每天共完成3312m3砂，每月按20個有效工作日計算，每船每月完成砂量為22080m3，3條船每月共完成砂量為66240m3。

7.存在問題及處理措施

（1）擠密砂樁主要處理軟土層，提高軟土強度并減少壓縮量，在較硬土層施打時沉管或擴徑困難，且加固處理效果不明顯。由于土層分布較復雜比較難確定軟硬土層的分界，有少量擠密砂樁沒能打至設計樁底標高或回打擴徑達不到設計值。監(jiān)理單位對此類砂樁進行標貫抽檢和地層勘探，經查明該地層基本都為粉質粘土、粘土或密實砂層，其標貫擊數較高，套管下沉或砂樁擴徑較困難，效果不明顯，經設計確認該地層沉管和擴徑效果已滿足設計要求。為了避免對設備的損傷及加快施工進度，監(jiān)理單位同意設計提出當沉管振動貫入速率小于0.15m/min，且連續(xù)振動3min以上仍小于該速率時，可停止沉管，但如果此時砂樁底標高與設計底標高相差≥3.0m，應報設計確認；當回打擴徑速率小于0.05m/min，且連續(xù)回打3min以上仍小于該速率時，可停止擴徑。承包人按照該停錘標準及停止擴徑標準進行沉管，以設計樁底標高作為鋪助控制組織施工，當實際樁底與設計樁底相差較多且較集中時，除上報設計確認外，還在監(jiān)理工程師見證下，進行標貫抽檢，核實地層和標貫是否滿足設計要求。

（2）按理論計算，直徑為1.6m的擠密砂樁，成樁高度1.0m，其提管計算高度應為2.48m，回打高度為1.48m。在典型施工時，發(fā)現(xiàn)套管每次提升到2.48m后，套管內的下砂量仍剩余約20cm～30cm未排出，繼續(xù)提升套管約10-20cm后，管內剩余砂料方完全排出。經過分析，可能是套管提升時，周圍土體在土壓力作用下向空間移動，從而導致套管提升所形成的空間減小， 實際空間小于計算值。經綜合考慮，參建單位最終確定直徑為1.6m的擠密砂樁，成樁高度1.0m時，其提管高度為2.7m，回打高度為1.7m。

8.結語

通過港珠澳大橋島隧工程擠密砂樁施工，參建單位確定了擠密砂樁振沉的停錘標準和停止擴徑標準，并形成了一套成熟成樁工藝、控制方法和檢驗標準。隨著操作人員操作技能的不斷熟練，單位時間內完成工程量不斷提高，標貫擊數越來越大，施工效率和質量越來越高，這些將為以后海上擠密砂樁成功實施提供良好的借鑒和參考，會促進擠密砂樁施工技術推廣應用。

參考文獻：

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