基于深層攪拌工法的海上基礎(chǔ)加固施工設(shè)備

謝繼偉

（中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 引 言

隨著內(nèi)陸可用土地資源日益減少，我國部分重大基礎(chǔ)工程的建設(shè)已逐步從陸地轉(zhuǎn)移到沿海，尤其是近年來為保護(hù)領(lǐng)海主權(quán)和推進(jìn)海洋發(fā)展戰(zhàn)略，我國加大了對沿海港口碼頭、防波堤、護(hù)岸和人工島圍海造地等海上工程的規(guī)劃與建設(shè)。此外，我國長江流域的港口碼頭和護(hù)岸等大量原有沿岸工程的水下基礎(chǔ)也需加固維護(hù)。這些海上工程及其配套的輔助工程都需進(jìn)行水下軟質(zhì)地基加固，對水下基礎(chǔ)加固設(shè)備形成了持續(xù)性、規(guī)模性的市場需求。但是，目前我國的水下基礎(chǔ)加固施工工法及配套的施工裝備技術(shù)相對比較落后，主要還是采用傳統(tǒng)的成樁法、注漿法和開挖回填等施工方法，加固施工主要依靠船用挖機(jī)、樁機(jī)和搭建的設(shè)備臨時(shí)工作平臺等配合進(jìn)行，存在單次加固面積小、施工效率低和施工成本高等不足?，F(xiàn)有的施工設(shè)備和加固方法已成為制約我國海上資源開發(fā)和海上工程建設(shè)發(fā)展的重要因素。

1 深層攪拌工法

深層攪拌（Deep Cement Continuous Mixing, DCCM）工法的原理是以水泥為主固化劑，通過鉆攪機(jī)械就地對水泥固化劑和軟質(zhì)地基進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，使水泥和地基土等產(chǎn)生一系列物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固基礎(chǔ)[1-2]。對于水下需深層密實(shí)、加固處理區(qū)域大和承載能力小的基礎(chǔ)加固來說，DCCM 工法是世界上公認(rèn)的軟質(zhì)地基加固的最佳工法，已在很多國家得到廣泛應(yīng)用。DCCM工法作為一種無污染、無振動(dòng)、高效經(jīng)濟(jì)的施工方法，在當(dāng)前環(huán)境保護(hù)要求日益嚴(yán)格的情況下，已成為各國施工技術(shù)發(fā)展的必然需求，其經(jīng)濟(jì)性和可靠性已得到國內(nèi)外大量實(shí)際工程的驗(yàn)證[2-3]。水泥攪拌加固技術(shù)已在我國陸上工程的地基加固處理中得到廣泛應(yīng)用，但因海上的施工環(huán)境和條件不同于陸地，在機(jī)械設(shè)備上集成和實(shí)現(xiàn)該技術(shù)難度較大，目前還沒有在海上投入應(yīng)用。

2 研究介紹

研究一種以工程船為載體，采用 DCCM 工法，用于對海上軟質(zhì)地基進(jìn)行加固處理的專用施工設(shè)備，已成為我國海上基礎(chǔ)施工裝備領(lǐng)域急需突破的技術(shù)瓶頸。該設(shè)備研制成功之后，能更好地服務(wù)于我國沿海及遠(yuǎn)海開發(fā)建設(shè)，維護(hù)我國的海洋權(quán)益，有著廣闊的市場前景。中鐵工程機(jī)械研究設(shè)計(jì)院根據(jù)多年來在樁工機(jī)械和船用樁機(jī)領(lǐng)域積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用深層攪拌加固技術(shù)研發(fā)一種以工程船為載體，滿足船舶與海上設(shè)備設(shè)計(jì)規(guī)范[4]要求，專用于水下基礎(chǔ)加固處理的施工機(jī)械設(shè)備。

2.1 總體設(shè)計(jì)技術(shù)

該設(shè)備主要由樁架系統(tǒng)、鉆進(jìn)攪拌系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、施工管理系統(tǒng)和漿液制造及輸送系統(tǒng)組成。設(shè)備的加固處理深度大、一次攪拌成樁數(shù)量多，具有成樁離散度可調(diào)的功能，不僅能對水下基礎(chǔ)形成間距可調(diào)的離散攪拌樁加固，而且可形成水下連續(xù)水泥土墻以承受載荷或隔水。設(shè)備總體設(shè)計(jì)圖見圖 1，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 設(shè)備總體設(shè)計(jì)圖

表1 設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 樁架系統(tǒng)

設(shè)備的樁架系統(tǒng)采用3幅樁架橫向并行布置的設(shè)計(jì)，每幅樁架上安裝1套可沿導(dǎo)軌上下滑移的鉆進(jìn)攪拌裝置和泥漿輸送系統(tǒng)，中間樁架的位置固定，兩側(cè)樁架相對于中間樁架的橫向距離可調(diào)，調(diào)節(jié)距離為0～2400mm（見圖2）。該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)成樁的離散度可調(diào)，不僅滿足對水下地基離散成樁加固的要求，而且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)成墻加固。

圖2 樁架布置圖

2.2.2 鉆進(jìn)攪拌系統(tǒng)

鉆攪設(shè)備采用4軸1噴設(shè)計(jì)，其中：4根攪鉆軸承采用正方形四角點(diǎn)布置方式，與鉆桿連接；加固劑噴口布置在中心，與輸漿管連接（見圖 3）。 鉆桿具有螺旋鉆進(jìn)翼與攪拌翼相間設(shè)置的特點(diǎn)，可根據(jù)不同的地質(zhì)和成樁要求，選擇與之相適應(yīng)的強(qiáng)度、直徑和長度等鉆桿參數(shù)，鉆桿最大扭矩為 60kN·m，最大成孔直徑為φ1300mm，單次處理面積為4.8m2，最大鉆進(jìn)深度為水下45m。

2.2.3 工作選擇模式

該設(shè)備設(shè)有3套鉆進(jìn)攪拌處理系統(tǒng)，每幅鉆進(jìn)攪拌處理系統(tǒng)都設(shè)有4根鉆攪軸，鉆桿攪拌翼和鉆進(jìn)翼布置見圖4。該設(shè)備最多可實(shí)現(xiàn)3幅鉆進(jìn)攪拌系統(tǒng)的12根鉆桿同時(shí)工作，也可實(shí)現(xiàn)單幅或其中2幅鉆進(jìn)攪拌系統(tǒng)組合施工，且每幅鉆進(jìn)攪拌系統(tǒng)的攪拌翼的直徑可根據(jù)成樁厚度進(jìn)行增減。多樣化的工作選擇模式增強(qiáng)了該設(shè)備的適應(yīng)性和靈活性，提升了施工效率和經(jīng)濟(jì)性。

2.2.4 提升系統(tǒng)

每套鉆攪設(shè)備對應(yīng)2組提升系統(tǒng)（見圖5），即主提升系統(tǒng)和輔助提升系統(tǒng)，其中：主提升系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)鉆攪裝置的貫入和上拔，鉆攪裝置可通過提升系統(tǒng)沿樁架導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)垂直升降；輔助提升系統(tǒng)用于更換或加長鉆桿。

2.2.5 施工管理系統(tǒng)

施工管理系統(tǒng)是DCCM處理系統(tǒng)的指揮控制中心，以各類傳感器、工業(yè)電腦和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）為核心，通過軟件控制程序?qū)κ┕?shù)進(jìn)行設(shè)定和控制，用顯示器實(shí)時(shí)顯示施工參數(shù)和制供漿系統(tǒng)的運(yùn)行情況，具有對施工數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、保存和打印等功能，供用戶對加固的過程和質(zhì)量進(jìn)行分析。

圖3 鉆攪設(shè)備

圖4 鉆桿攪拌翼和鉆進(jìn)翼布置

圖5 提升系統(tǒng)

3 成果應(yīng)用

上述研究成果已獲得國家發(fā)明專利[5]，并在“四航固基”號深層水泥攪拌船（圖6）上得到成功應(yīng)用。該船為國內(nèi)首臺基于DCCM工法、采用三樁架處理系統(tǒng)的攪拌船，交付之后完成了香港大嶼山機(jī)場海域和香港機(jī)場第三跑道擴(kuò)建圍海造地的軟基處理工程施工建設(shè)，各項(xiàng)性能均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

圖6 “四航基固”號深層水泥攪拌船

4 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的海上軟質(zhì)地基加固方法相比，水泥深層攪拌加固技術(shù)不會顯著改變海底的動(dòng)力特性，不會造成環(huán)境污染；所形成基礎(chǔ)的強(qiáng)度、整體性和抗震性非常好，特別適用于對差異沉降和工后殘余沉降、抗震性要求較高的工程項(xiàng)目?；贒CCM工法的海上加固處理設(shè)備不僅能滿足當(dāng)前對海上軟質(zhì)基礎(chǔ)加固的迫切需求，而且將是未來海上基礎(chǔ)加固處理的必然趨勢；同時(shí)，其設(shè)計(jì)原理可用于水下及陸地污染區(qū)域的土壤改良，技術(shù)成果能更好地服務(wù)于我國海上工程建設(shè)，并將帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。