DSM法硬土層輔助貫入施工技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

安秀山，馮寶強

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

大直徑圓筒已成為碼頭、防波堤等工程中應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，具有施工快，工序簡單的特點，也是人工島成型的首選結(jié)構(gòu)形式。目前圓筒的下沉方法主要有兩種，一種是靜力壓入法，原理簡單，但下沉荷載不易控制，糾偏難，施工比較繁瑣，適用于強度較低的淤泥質(zhì)軟土[1]，有時也結(jié)合抽真空的方式實施[2]。另一種是振動式下沉，采用多錘聯(lián)動方式，擾動筒體周圍土體，降低土體摩阻力使圓筒下沉插入土層。天津大學(xué)等科研院所通過理論分析、有限元計算、模型試驗等多種方法研究了大圓筒的極限工作狀態(tài)[3-5]、動力下沉分析方法等[2，6-7]。在施工方法方面，中交一航局在2003 年總結(jié)了大直徑圓筒（混凝土和鋼圓筒）的振沉工藝[8-9]，并于近期總結(jié)了大直徑圓筒的振沉和計算方法[10-11]，滕愛國等總結(jié)了大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉設(shè)備及工藝[12]。近20 a 的理論和實踐為大直徑鋼圓筒的應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗。

工程經(jīng)驗表明，圓筒結(jié)構(gòu)較易穿過淤泥質(zhì)黏土層，而不易穿透亞砂土和砂土層。在振動下沉過程中，土體在動荷載作用下擾動，動強度降低，圓筒結(jié)構(gòu)才會下沉。然而在較長期的循環(huán)荷載作用下，孔壓持續(xù)升高，對于砂土而言，可能會發(fā)生液化變形，土體孔隙結(jié)構(gòu)重新排列，土體反而逐漸趨于密實，此時會導(dǎo)致圓筒結(jié)構(gòu)下沉困難[7]。在砂土類地基上，對較厚的混凝土筒壁，可結(jié)合高壓水、高壓氣和排泥管進行施工[2]，工序復(fù)雜，效率低。對薄壁鋼圓筒結(jié)構(gòu)，工程實踐中有采用中粗砂置換的案例，但是在振沉?xí)r發(fā)現(xiàn)振沉使回填砂密實，也造成振沉困難[13]。因此在砂土類地基上采用大直徑鋼圓筒將面臨施工困難的窘?jīng)r。

在鋼圓筒穿透深厚砂層的工程案例中，深中通道工程西人工島工程由直徑28 m，高度不等的57 個鋼圓筒形成島壁（圖1）。筒頂標高+3.5 m，筒底標高為-31.5～-36.0 m，筒重為584～683 t，工程區(qū)域原泥面標高為-13.0～-15.0 m。鋼圓筒打設(shè)過程中，砂層也發(fā)生了振密效應(yīng)，給鋼圓筒振沉帶來了很大的困難，強行打設(shè)很容易造成鋼圓筒結(jié)構(gòu)的破壞。同時鋼圓筒下方不均一的復(fù)雜地質(zhì)條件難以保證圓筒下沉的垂直度等技術(shù)要求。因此，急需解決薄壁鋼圓筒的下沉施工問題。

圖1 深中通道西人工島鋼圓筒布置圖Fig.1 Steel cylinder arrangement for west artificial island of Shenzhen-Zhongshan Bridge

針對這一問題，結(jié)合現(xiàn)場實際情況及工程特點，考慮施工安全、施工環(huán)境、施工成本、施工效率等因素，開發(fā)了一套DSM 技術(shù)（深層泥漿攪拌技術(shù)，Deep Slurry Mixing Technology），該技術(shù)采用噴水或噴射泥漿的方式，在鋼圓筒振沉前對深厚砂土層進行預(yù)處理，使鋼圓筒容易打入，但是又不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。通過在深中通道工程中實踐、總結(jié)和完善，該技術(shù)可為類似鋼圓筒圍堰結(jié)構(gòu)施工提供經(jīng)驗。

1 技術(shù)原理、特點及適用范圍

1.1 技術(shù)原理

DSM法硬土層輔助貫入施工技術(shù)采用專業(yè)性船舶對水下硬土層地質(zhì)進行處理。船舶上處理機的驅(qū)動電機驅(qū)動傳動軸、攪拌軸和鉆頭旋轉(zhuǎn)，同時處理機依靠自身重力和攪拌軸鉆頭切削力的共同作用，貫入土層直至持力土層或設(shè)定深度。

1.2 技術(shù)特點

1）DSM 施工工藝由DCM 施工工藝改造優(yōu)化而來。 DSM 施工工藝是采用逆向思維，創(chuàng)新優(yōu)化，通過機械攪拌硬土層同時噴射泥漿，軟化和松動硬土層。

2）DSM 船屬于特種專業(yè)性施工船舶，是將DCM 專用船上的水泥漿系統(tǒng)改造為泥漿系統(tǒng)而成。

3）DSM 船具有自動機械化程度高、設(shè)備儀器先進、測量定位準確以及安全環(huán)保等優(yōu)點。施工管理系統(tǒng)進行自動化施工作業(yè)，可自動生成原始記錄施工圖，平面位置、垂直度以及處理深度都可以通過操作室的顯示屏實時顯示數(shù)據(jù)，保證處理精度。

4）DSM 船的處理機鉆頭在泥面以下作業(yè)，泥漿不在水中溢流，施工噪音小，利于環(huán)保。

1.3 適用范圍

該技術(shù)已成功應(yīng)用于深中通道工程大型鋼圓筒振沉。施工后，鋼圓筒平面偏差≤350 mm，垂直度≤1%，鎖口平面偏位（扭角）≤2°，筒底2/3位置位于持力層上（持力層包括砂層、圓礫、花崗巖等地質(zhì)），達到控制設(shè)計和精度要求。深中通道西人工島工程鋼圓筒振沉區(qū)域有較硬夾砂層，筒底強風(fēng)化巖標高起伏變化較大，以下為幾種典型復(fù)雜地質(zhì)概況：

1）振沉垂直范圍內(nèi)中間夾有9 m 厚的砂層，且標貫擊數(shù)較大（35 擊），依靠筒和錘組的自重?zé)o法自沉穿透，且振沉后砂層更加密實。

2）振沉平面范圍內(nèi)一側(cè)無夾砂層，而另一側(cè)有4 m 厚、標貫擊數(shù)在14～27 擊的夾砂層，垂直度≤1%難以保證。

3）振沉平面范圍內(nèi)存在約2 m 的巖面起伏。一側(cè)是在-32.9 m 入巖，一側(cè)是在-34.67 m 入巖，垂直度無法達到設(shè)計要求。

該技術(shù)適用于對水下硬土層（指標準貫入擊數(shù)N≤70 擊的中粗砂、圓礫及全風(fēng)化巖等硬土層）平面精度、樁位垂直度、處理深度要求高以及環(huán)保要求高的水上橋梁工程、外海人工島工程、防波堤工程以及海上風(fēng)電工程等，同時與鋼圓筒施工工藝相結(jié)合，滿足在不同復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工要求，施工質(zhì)量和施工效率可控。

2 DSM法硬土層輔助貫入施工技術(shù)應(yīng)用分析

2.1 工藝流程

結(jié)合深中通道項目中鋼圓筒振沉施工，總結(jié)實施步驟，主要包括閉環(huán)的精確定位控制以及噴漿攪拌法處理硬土層兩大環(huán)節(jié)，如圖2 所示。

圖2 施工工藝流程圖Fig.2 Flow chart of construction process

2.2 施工設(shè)備

本法依靠大型海上水泥攪拌樁施工船舶提供工作平臺，輔以研發(fā)的精確定位和自動施工管理系統(tǒng)完成工法實施。DSM 船舶樁架最高點距滿載水線的高度49.5 m（滿載吃水為2.5 m），船舶總長73.2 m，型長70 m，型寬30 m，樁架間距4.8～6.0 m，總噸位3 359 t，凈噸位1 007 t，滿載吃水2.5 m，滿載排水量5 013 t。

測量定位系統(tǒng)專為DSM 船設(shè)計，可以實時顯示樁位圖形、船位圖形、樁位坐標數(shù)據(jù)、平面偏差數(shù)據(jù)、船舶方位角數(shù)據(jù)、船甲板標高數(shù)據(jù)以及樁架垂直度數(shù)據(jù)等信息，測量精度高，滿足全天候24 h 作業(yè)的施工要求。施工管理系統(tǒng)亦專為DSM 船設(shè)計，可以實時顯示處理機鉆桿轉(zhuǎn)速、貫入速度、提升速度、每根鉆桿電流值、處理機提升卷揚電流值以及泥漿泵噴漿量等數(shù)據(jù)，自動化程度高，可自動記錄施工數(shù)據(jù)，繪制施工曲線圖。

2.3 技術(shù)要點

2.3.1 施工順序

DSM 單樁樁型布置如圖3 所示，單樁截面積4.64 m2。鋼圓筒直徑28 m，考慮到DSM 船處理機的布置間距，布置40 根樁即可布滿鋼圓筒圓周，滿足施工要求（圖4）。

圖3 DSM 單樁樁型布置圖（mm）Fig.3 Arrangement of single DSM pile type（mm）

圖4 單筒DSM 樁布置圖（m）Fig.4 Arrangement of DSM piles around the single cylinder(m)

2.3.2 船舶駐位

為便于DSM 船拋錨駐位最大限度處理量以及鋼圓筒尺寸與處理機的相對位置，采用“八”字錨布置，利于船舶移動流水線作業(yè)。

2.3.3 精準定位

1）平面位置定位

測量定位系統(tǒng)實時顯示平面偏移數(shù)據(jù)。通過錨機操作，使處理機中心與樁位中心接近重合，平面偏差控制在100 mm 以內(nèi)，收緊錨纜，使船舶穩(wěn)定。

2）歸零標高值確定

處理機鉆頭下噴漿口與水面相平歸零，深度設(shè)定為0。測量人員通過測量定位系統(tǒng)測出船首甲板標高值，同時實時校核潮差值。根據(jù)實測船舶甲板至水面高度值，得出歸零點標高值。

2.3.4 處理機貫入

待處理機定位和歸零完成后，處理機鉆頭開始貫入處理作業(yè)，貫入施工時參數(shù)見表1。

表1 貫入時各處理階段施工技術(shù)參數(shù)Table 1 Construction technical parameters at each treatment stage during penetration

2.3.5 處理機提升

待處理機鉆頭到達處理砂層底標高后，停止噴漿，反轉(zhuǎn)提升，轉(zhuǎn)速為35 r/min，提升速度為1.7 m/min。處理機提出水面，檢查鉆頭有無磨損后方可移船至下一個樁位作業(yè)。

2.4 技術(shù)參數(shù)

通過對試驗實施和正式施工中得出的數(shù)據(jù)分析，確定泥漿配合比及比重，優(yōu)化各項施工參數(shù)，對DSM法硬土層輔助貫入施工技術(shù)進行技術(shù)總結(jié)，形成技術(shù)參數(shù)見表2、表3，為后續(xù)類似工程實施提供借鑒。

表2 推薦施工參數(shù)Table 2 Recommended construction parameters

表3 樁位處理質(zhì)量控制標準Table 3 Quality control criterion for pile position

2.5 處理效果

選取3 個勘探孔位進行硬土層貫入處理試驗，試驗證明DSM 船可穿透標貫擊數(shù)為43 擊的硬土層。同時對勘探孔處進行硬土層攪拌泥漿試驗，并對其進行復(fù)勘，原硬土層標貫擊數(shù)為34～43 擊，復(fù)勘原地層標貫擊數(shù)為5～8 擊，處理效果良好。

通過專用鉆頭研發(fā)與試驗，對處理機貫入進行記錄、整理與分析。在處理機達到最大處理深度時，成功穿透處理標貫擊數(shù)為68 擊的花崗閃長巖，有力證明新型鉆頭和船舶設(shè)備滿足DSM 專業(yè)化船舶要求，獲得成功。

結(jié)合深中通道西人工島硬土層處理的施工經(jīng)驗可知，平均每根樁處理全過程需要55 min（未考慮移船定位時間），每天工作按12 h 計，采用合理編排樁位施工圖，受鋼圓筒處理區(qū)域為圓形限制，不能連續(xù)采用3 臺處理機同時作業(yè)的施工要求，但也能每天平均完成22 根，仍可滿足施工工期的要求。

3 結(jié)語

深中通道西人工島鋼圓筒振沉區(qū)域采用DSM法硬土層輔助貫入施工技術(shù)取得了成功。實現(xiàn)了在外海施工條件下處理樁位平面位置偏差≤100 mm，垂直度≤1%的高精度要求。通過對此技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，確定和優(yōu)化了施工參數(shù)，制定了施工操作規(guī)程。在研究和施工過程中，不斷總結(jié)和完善施工經(jīng)驗，形成了一套成熟的處理工藝流程、施工質(zhì)量控制方法及處理質(zhì)量檢測方法，為硬土層處理技術(shù)提供了從設(shè)計、施工到檢測等一整套施工經(jīng)驗，對以后類似工程的成功實施具有借鑒價值，為該工藝的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。