強(qiáng)涌浪海域自升式平臺(tái)碎石樁施工技術(shù)

王 聰，馮先導(dǎo)

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430040)

1 依托項(xiàng)目

以色列Ashdod港項(xiàng)目位于Ashdod新建Hadarom港。本項(xiàng)目施工范圍包括碼頭、防波堤工程及地基處理工程。防波堤工程主要包括600 m主防波堤延伸段、1 480 m LEE防波堤，如圖1所示。

圖1 海上碎石樁施工區(qū)域Fig.1 Construction area of deep-sea stone column

在防波堤施工前，需要利用振沖碎石樁進(jìn)行地基處理。主要包括主防波堤600 m地基和LEE防波堤480 m坡腳位置，其中主防波堤水深為21.0～23.3 m，碎石樁處理深度約11.0 m；LEE防波堤的水深為14.0～17.5 m，碎石樁處理深度約19.5 m。

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，碎石樁處理要求達(dá)到平面面積置換率為0.13，樁間距要求1.0 m≤S≤2.5 m，按此要求碎石樁采用直徑0.95 m中心距2.5 m的等邊三角形方式布置。經(jīng)計(jì)算，總處理土體約160萬m3，共23 896根碎石樁。

工程區(qū)域海浪主要由涌浪及波浪組成，強(qiáng)涌浪作用比較明顯[1]。由于全年海面多吹向陸風(fēng)，且持續(xù)時(shí)間較長，即使風(fēng)力不強(qiáng)，也會(huì)形成較高涌浪，對施工船舶的定位和作業(yè)造成非常大的影響。根據(jù)2011年4月至2014年3月的波浪數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得到各月各級有效波高出現(xiàn)的平均頻率，如表1所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知，滿足通常施工駁船作業(yè)的有效波高在50 cm以下的年平均出現(xiàn)頻率不足30%。此外，工程區(qū)域冬季季風(fēng)風(fēng)暴期間波況極為惡劣，最大有效波高可達(dá)6 m以上，現(xiàn)場的施工船機(jī)設(shè)備需要根據(jù)天氣預(yù)報(bào)及時(shí)進(jìn)行撤離避風(fēng)。

2 自升式平臺(tái)及施工工藝

2.1 自升式平臺(tái)

本工程前期碎石樁試驗(yàn)區(qū)[2]施工，采用的是浮式駁船固定履帶吊懸吊振沖器的施工方案。由于受強(qiáng)涌浪的影響，碎石樁試驗(yàn)區(qū)施工的作業(yè)窗口要求最大有效波高不大于50 cm，滿足條件的作業(yè)時(shí)間非常少，施工工效非常低，不能滿足施工工期要求。同時(shí)由于涌浪對船舶產(chǎn)生的搖蕩運(yùn)動(dòng)，平面位置和施工質(zhì)量難以控制。因而提出了采用自升式平臺(tái)進(jìn)行碎石樁施工的方案，即自升式平臺(tái)+門機(jī)吊打+泵送碎石的方案，如圖2所示。

表1 各月各級有效波高出現(xiàn)的平均頻率(%)Tab.1 Average frequency of wave height at each grade every month (%)

圖2 自升式碎石樁平臺(tái)Fig.2 Self-elevating platform of stone column

碎石樁平臺(tái)是一艘插銷式液壓油缸升降的四腿自升式工程作業(yè)平臺(tái)，由平臺(tái)主體、樁腿(帶樁靴)、升降系統(tǒng)和碎石樁作業(yè)系統(tǒng)等部分組成。平臺(tái)主體平面形狀為長42 m、寬50 m的矩形，在平臺(tái)主體的中間開有一長為19 m、寬為27 m的長方形月池。四根圓柱形樁腿外徑為2.5 m，布置在平臺(tái)主體前后的左右兩舷，樁靴為正方形，長6.6 m、寬6.6 m。

自升式碎石樁施工平臺(tái)集自升式平臺(tái)、行車起重機(jī)、自動(dòng)補(bǔ)料系統(tǒng)于一體。一艘平臺(tái)可安裝三套碎石樁施工設(shè)備，可在舷外側(cè)與月池三處同時(shí)施工，每兩次移位可實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋。碎石樁施工時(shí)，平臺(tái)船體及起重設(shè)備抬離水面，克服了強(qiáng)涌浪的影響；平臺(tái)上行車懸吊振沖器，通過齒輪實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位，提高了定位精度；振沖器應(yīng)用空氣壓力和水壓振動(dòng)成孔；平臺(tái)上皮帶機(jī)輸送的碎石，依靠壓力倉注入系統(tǒng)把碎石注入到振沖器底部導(dǎo)管尖端的土壤內(nèi)，該系統(tǒng)可保證連續(xù)供料，從而實(shí)現(xiàn)振沖器底部可邊供料邊振沖密實(shí)。

2.2 施工工藝

根據(jù)碎石樁平臺(tái)特點(diǎn)，研發(fā)了與其相配套的碎石樁施工工藝，而且現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用效果較好，顯著節(jié)約了施工工期。碎石樁平臺(tái)施工工藝流程主要包括：平臺(tái)拖航、平臺(tái)定位、石料補(bǔ)充、振沖施工、振沖器檢修、平臺(tái)移位等工序。

(1)平臺(tái)拖航。平臺(tái)入水后，選取合適作業(yè)窗口(Hs≤0.9 m)，將平臺(tái)兩套拖索具分別與拖輪連接，并拖航至工作區(qū)域附近。

(2)平臺(tái)定位。拖輪將平臺(tái)拖至施工區(qū)域后，利用拖輪初步定位；借助船位GPS定位系統(tǒng)，利用錨纜進(jìn)行精確定位；利用平臺(tái)頂升系統(tǒng)，下放樁腿，調(diào)整壓載水量，對角樁腿兩兩預(yù)壓，達(dá)到設(shè)計(jì)值后，整體抬升平臺(tái)，使平臺(tái)脫離水面，完成平臺(tái)定位。

(3)補(bǔ)料船補(bǔ)料。選擇合適的窗口(Hs≤0.9 m)，碎石補(bǔ)料船行駛至平臺(tái)儲(chǔ)料倉側(cè)拋錨就位。調(diào)整補(bǔ)料船上移動(dòng)皮帶機(jī)高度，使其對準(zhǔn)儲(chǔ)料倉進(jìn)行補(bǔ)料。

(4)振沖施工。在合適的作業(yè)窗口(Hs≤1.5 m)下，利用振沖器起升小車GPS定位系統(tǒng)，移動(dòng)門架并精確定位振沖器位置。檢查振沖動(dòng)力系統(tǒng)，啟動(dòng)振沖器，同時(shí)在月池和兩側(cè)舷外區(qū)域進(jìn)行振沖造孔。當(dāng)振沖器達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，將振沖器提升距孔底一定距離后，啟動(dòng)泵送系統(tǒng)，將碎石泵送至孔底，利用振沖器計(jì)量系統(tǒng)，精確控制泵送碎石量，并振沖、密實(shí)，達(dá)到要求后，再將振沖器提升一定高度，重復(fù)上述步驟，直至將單根碎石樁施工完畢。

(5)振沖器檢修。碎石樁施工過程中，如遇振沖器故障或損壞，利用門架行車上輔助吊鉤配合主吊鉤，將振沖器平吊至平臺(tái)檢修區(qū)域進(jìn)行檢修。

(6)平臺(tái)移位。單次駐位碎石樁全部施工完畢后，選擇合適作業(yè)窗口(Hs≤0.9 m)，平臺(tái)收起樁腿，使平臺(tái)浮于水面，利用平臺(tái)錨纜移至下一工作位置，繼續(xù)進(jìn)行碎石樁施工。

3 成樁質(zhì)量控制措施

3.1 概述

對于振沖碎石樁成樁質(zhì)量的控制，國內(nèi)許多學(xué)者對所采取的措施已進(jìn)行了詳細(xì)的論述。主要是通過密實(shí)電流[3]和留振時(shí)間[4]來控制成樁質(zhì)量，輔助的控制措施包括填料量[5]、加密段長度[6]及樁位偏移[7]等。

圖3 兩種不同技術(shù)要求的碎石樁成樁直徑示意圖Fig.3 Sketch of stone column construction diameter with two different technical requirements

本工程碎石樁施工主要技術(shù)要求為：(1)置換率(ARR)不小于0.13；(2)樁間距不小于1.0 m，不大于2.5 m；(3)平面及高程誤差在30 cm之內(nèi)；(4)連續(xù)縮徑高度不能超過1 m。

國內(nèi)碎石樁成樁質(zhì)量主要控制參數(shù)是密實(shí)度，即密實(shí)電流，對于不同的土層，碎石樁成樁直徑隨深度是變化的。而本工程主要控制參數(shù)為置換率，需嚴(yán)格控制碎石樁成樁直徑，要求連續(xù)縮徑高度不能超過1 m，因而對于不同的土層，碎石樁成樁直徑基本一致。兩種不同技術(shù)要求的碎石樁成樁直徑示意如圖3所示?；谥脫Q率等控制參數(shù)的要求，主要介紹本項(xiàng)目碎石樁成樁質(zhì)量的控制措施。

3.2 置換率

對于成樁參數(shù)置換率不小于0.13，主要通過樁徑、樁間距采取質(zhì)量控制措施。

碎石樁采用正三角形網(wǎng)格進(jìn)行布置。碎石樁半徑為r，樁間距為s。置換率的計(jì)算示意如圖4所示。

圖4 三角形網(wǎng)格及置換率計(jì)算圖示Fig.4 Sketch of triangular mesh and replacement rate calculation

式中：Ac為碎石樁的橫截面積；A為每根碎石樁“單元”占有的總的橫截面積。

因而： 當(dāng)r=0.475 m；s=2.50 m；置換率ARR=0.131

即當(dāng)樁間距2.5 m固定時(shí)，可以通過成樁直徑判斷是否滿足置換率要求。

碎石樁成樁直徑隨深度的變化，需要通過后處理軟件導(dǎo)出圖像。成樁圖像如圖5所示，根據(jù)成樁的平均直徑，可以直觀的判斷出施工的碎石樁是否滿足置換率要求。

3.3 成樁步距

施工中根據(jù)碎石體積、壓實(shí)系數(shù)、振沖次數(shù)、每次振沖高度與樁徑之間的關(guān)系，換算得到了成樁步距的樁徑控制參數(shù)。

施工0.95 m直徑的碎石樁時(shí)：每輸送1 m3石料，振沖器上下往復(fù)提升的次數(shù)為9次；振沖器每次提升1 m，振沖0.86 m，成樁高度為0.14 m；因而每輸送1 m3石料成樁高度為1.26 m，如圖6所示。施工中，嚴(yán)格按照成樁步距的控制參數(shù)操作，避免了縮頸現(xiàn)象，也保證了成樁樁徑質(zhì)量。

圖5 成樁直徑隨深度變化圖Fig.5 Construction diameter of stone column variation with depth圖6 成樁步距控制參數(shù)示意圖Fig.6 Control parameters sketch of stone column construction step distance

圖7 高程控制示意圖Fig.7 Sketch of elevation control

3.4 平面位置及高程

碎石樁的平面位置，主要通過懸吊振沖器小車頂部的GPS進(jìn)行定位，如圖10所示，定位精度可以控制在3 cm以內(nèi)。高程控制，基于自升式平臺(tái)和振沖器相對位置的特殊性，采用小車頂GPS+角度傳感器+激光水準(zhǔn)儀的測量方案，對樁的標(biāo)高進(jìn)行控制。

高程控制措施如下所述(圖7)：(1)振沖器拼裝完成后，在距離振沖器底端合適位置做一個(gè)標(biāo)記，用鋼尺量出其高度HC1；(2)將激光水準(zhǔn)儀放置在平臺(tái)固定位置，確保其高度保持不變。升降振沖器，讓激光水準(zhǔn)儀對準(zhǔn)振沖器標(biāo)記，此時(shí)，振沖器相對平臺(tái)的位置固定不變；(3)使用全站儀測量振沖器標(biāo)記處的高程，小車頂GPS可以給出小車頂?shù)母叱?，兩者差值即振沖器標(biāo)記距小車頂GPS的高度HC2；(4)HC1和HC2之和為HC，即小車頂GPS距振沖器底端的高度。(5)碎石樁施工時(shí)，讓激光水準(zhǔn)儀對準(zhǔn)振沖器標(biāo)記，即可根據(jù)小車頂GPS高程，換算得到初始時(shí)刻振沖器底端的高程；(6)根據(jù)角度傳感器測得的鋼絲繩升降的距離，即可得到振沖器底端的實(shí)時(shí)高程。

表2 碎石樁平臺(tái)理論工效與實(shí)際工效對比分析表Tab.2 Comparative analysis Table of stone column construction efficiency between theory and practice

4 施工工效

根據(jù)項(xiàng)目前期碎石樁試驗(yàn)區(qū)施工，分析得到以下數(shù)據(jù)：

(1)主防波堤。主防波堤碎石樁平均樁長約為11 m，每根碎石樁施工時(shí)間平均約為35 min，每天有效工作時(shí)間按12 h考慮，3套振沖設(shè)備單日理論最高成樁數(shù)為60根。

(2)LEE防波堤。LEE堤碎石樁平均樁長約為19.5 m，每根碎石樁施工時(shí)間平均約為60 min，每天有效工作時(shí)間按12 h考慮，3套振沖設(shè)備單日理論最高成樁數(shù)為36根。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于使用碎石樁平臺(tái)施工主防波堤和Lee防波堤的理論工效進(jìn)行了預(yù)測。后期記錄了碎石樁平臺(tái)每個(gè)月的實(shí)際施工情況。在此選取了部分?jǐn)?shù)據(jù)，對碎石樁平臺(tái)理論施工工效與實(shí)際施工工效進(jìn)行了對比分析，如表2所示。

分析表格中的數(shù)據(jù)可知，該工程區(qū)域碎石樁平臺(tái)實(shí)際施工保證率平均值約為0.63，預(yù)估的理論施工保證率平均值約為0.70，兩者之間存在一定的差距。對于三個(gè)影響因素，作業(yè)工況在有效波高<1.5 m的概率是根據(jù)歷年的波浪數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得出的，不需要進(jìn)行調(diào)整。因而主要調(diào)整平臺(tái)操作和石料供應(yīng)的保證率和設(shè)備性能保證率。根據(jù)對平臺(tái)移位、石料供應(yīng)及設(shè)備故障記錄數(shù)據(jù)的初步分析，設(shè)備性能保證率基本維持在0.80。主要原因是強(qiáng)涌浪對平臺(tái)移位及石料供應(yīng)影響較大，導(dǎo)致平臺(tái)不能及時(shí)移位或者不能及時(shí)給平臺(tái)儲(chǔ)料倉補(bǔ)料，建議平臺(tái)操作和石料供應(yīng)的保證率取值為0.80。

5 結(jié)語

(1)自升式平臺(tái)碎石樁施工方案及其相配套的施工工藝，消除了強(qiáng)涌浪對施工作業(yè)平臺(tái)的影響，提高了作業(yè)窗口期、施工工效和施工可控性，適用于強(qiáng)涌浪深海海域碎石樁施工；(2)基于置換率等技術(shù)要求，系統(tǒng)總結(jié)了深海碎石樁施工在成樁直徑、成樁步距、高程等方面的質(zhì)量控制措施，分析得到的成樁步距、樁徑控制參數(shù)為碎石樁施工操作提供了依據(jù)；(3)該工程區(qū)域自升式平臺(tái)碎石樁實(shí)際施工工效保證率約為0.63，設(shè)備性能保證率約為0.80，平臺(tái)操作和石料供應(yīng)的保證率約為0.80，可為類似工程提供借鑒。