簡析深海碎石樁底部喂料法振沖設(shè)備

王 聰，華曉濤

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

引 言

示例項(xiàng)目振沖碎石樁地基處理，為以色列Ashdod港 Hadarom港區(qū)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，平均處理深度約11 m；LEE防波堤的水深為-14～-17.5 m，平均處理深度約19.5 m，位置如圖1所示。

碎石樁施工方法主要分為沉管法和振沖法，如圖2所示。沉管法是在鋼（套）管頂部安裝振動(dòng)錘，底部設(shè)有活瓣鋼樁靴[1]或變向外雙開平型合頁門[2]，在振動(dòng)錘的激振力作用下，把鋼（套）管打入到設(shè)計(jì)高程。沉管法穿透力較弱，適用于松散液化砂土及粉土地基；振沖法[3]是在振沖器底部設(shè)有振沖頭，依靠振沖頭內(nèi)部的電機(jī)帶動(dòng)偏心塊，使振沖器產(chǎn)生高強(qiáng)振動(dòng)，同時(shí)依靠高壓水流，在邊振邊沖的共同作用下將振沖器沉入到設(shè)計(jì)高程。振沖法穿透力較強(qiáng)，適用于黏性土、砂土地基。

圖1 海上振沖碎石樁施工區(qū)域示意

圖2 碎石樁施工方法

碎石樁振沖成樁工藝主要包括頂部喂料法和底部喂料法，如圖3所示。頂部喂料法是振沖器在軟弱地基中成孔后，從孔口填入足夠量的碎石等填料，其適用于陸上及淺水區(qū)域；底部喂料法[4]是振沖器在軟弱地基中成孔后，振沖器內(nèi)部的輸送系統(tǒng)把碎石輸送至振沖器底部，實(shí)現(xiàn)邊供料邊振沖，該方法廣泛應(yīng)用于水上碎石樁施工。本項(xiàng)目采用的是底部喂料法的振沖工藝。

圖3 振沖成樁工藝示意

1 振沖設(shè)備簡介

振沖設(shè)備主要包括振沖器、碎石泵、碎石水泵、潛水泵、射水泵、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、液壓動(dòng)力站、空氣水總管、數(shù)據(jù)記錄儀、軟啟動(dòng)器及配電柜等。

1.1 振沖器

振沖器包括振沖頭、連接件、筒倉管、接收罐和接收料斗等。

振沖頭長度約為3.6 m，連接件長度約為1.7 m，接收罐至吊耳距離約為7 m，筒倉管長度根據(jù)碎石樁最大長度確定。本項(xiàng)目碎石樁最大長度約為19 m，筒倉管長度定為14.9 m。

碎石輸送設(shè)備主要包括潛水泵、碎石水泵和碎石泵。

潛水泵的功能是為碎石水泵供水；碎石泵主要用于石料儲(chǔ)存和計(jì)量，其包括碎石料斗和碎石罐，兩者中間為液壓油缸控制開啟和閉合的斗門；碎石水泵的功能是通過離心作用產(chǎn)生高壓水，把碎石泵中的碎石通過碎石管輸送至振沖器接收料斗中。

潛水泵額定功率43 kW，揚(yáng)程33 m，額定流量680 m3/h，水力輸送壓力為3 bar；碎石水泵的功率約為89 kW，流量為550 m3/h，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。

1.2 配套控制設(shè)備

配套控制設(shè)備主要包括發(fā)電機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀、空壓機(jī)、射水泵、液壓動(dòng)力站、軟啟動(dòng)器。

1）發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)主要為振沖頭、碎石水泵、潛水泵、射水泵等提供電能，其功率需要綜合考慮各用電設(shè)備的功率，主要考慮振沖頭正常工作和峰值情況。發(fā)電機(jī)功率一般根據(jù)振沖頭峰值工作狀態(tài)下各振沖設(shè)備總功率進(jìn)行選擇。

2）數(shù)據(jù)記錄儀

數(shù)據(jù)記錄儀，用于設(shè)置控制振沖施工的各種參數(shù)，例如振沖器底端初始高程、碎石樁編號(hào)等。施工中指導(dǎo)操作手進(jìn)行振沖操作，可以實(shí)時(shí)顯示高程、電流、傾斜度、各部位的水壓及空壓等參數(shù)，圖4。

圖4 數(shù)據(jù)記錄儀

3）其它控制設(shè)備

空壓機(jī)主要為振沖器和碎石泵提供空氣壓力，其工作壓力12 bar，空氣流量500 cu.ft/min；射水泵為振沖器成孔提供高壓水流，其額定功率90 kW，額定流量120 m3/h，頻率50 Hz，出水口壓力約為3 bar；液壓動(dòng)力站控制液壓斗門開合，其功率約為5 kW，液壓壓力高達(dá)200 bar；軟啟動(dòng)器為振沖頭啟關(guān)控制和保護(hù)裝置，連接振沖頭和發(fā)電機(jī)。

1.3 壓力倉注入系統(tǒng)

壓力倉注入系統(tǒng)，是海上碎石樁施工底部喂料工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其流程如圖5。

料斗中的碎石，應(yīng)用空氣（水）泵通過直徑6英寸的碎石管，輸送碎石至振沖器頂部儲(chǔ)料倉；接收罐頂部的密封門能將碎石鎖在接收罐，并將其形成高壓狀態(tài)（2～6 bar）；應(yīng)用空氣（水力）輸送壓力通過接收罐、筒倉管和導(dǎo)管組成的連通室，把碎石注入在振沖器導(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。

圖5 壓力倉注入系統(tǒng)

2 浮式駁船振沖設(shè)備

2.1 振沖設(shè)備布置

表1 試驗(yàn)區(qū)碎石樁施工設(shè)備

碎石樁試驗(yàn)區(qū)施工采用的是浮式駁船固定履帶吊懸吊振沖器的方案[5]，振沖設(shè)備完成陸上拼裝后，需要在駁船上合理布置并連接管線。對(duì)于浮式駁船，因?yàn)閮H布置一套振沖設(shè)備，空間比較大，各個(gè)設(shè)備維修空間是次要的考慮因素；振沖設(shè)備布置主要考慮各個(gè)設(shè)備連接相匹配的原則。

1）碎石輸送設(shè)備，需要根據(jù)連接順序合理的布置在一起；2）發(fā)電機(jī)、軟啟動(dòng)器、空壓機(jī)需要遠(yuǎn)離可能噴水的設(shè)備；3）碎石管、水管、空氣管、液壓管、電纜五種管線要綜合考慮連接及走線布置，尤其是碎石樁要考慮吊車和碎石泵的相對(duì)位置，盡可能的減少碎石管的長度。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)區(qū)碎石樁施工使用的相關(guān)設(shè)備如表1所示。

現(xiàn)場(chǎng)浮式駁船各個(gè)振沖設(shè)備布置如圖6。

圖6 浮式駁船各個(gè)振沖設(shè)備布置示意

2.2 振沖頭比選

根據(jù)碎石樁施工區(qū)域地勘資料，試驗(yàn)C區(qū)在地質(zhì)孔DHV 036附近，主要穿過表層密實(shí)砂層，下部致密砂層，如圖7所示。其中下部致密砂層局部標(biāo)貫擊數(shù)超過 50擊，施工難度較大。本項(xiàng)目根據(jù)地質(zhì)情況，選用了兩種常用的振沖頭，并通過試驗(yàn)比較兩種振沖頭穿透硬層的能力。兩種振沖頭參數(shù)如表2。

圖7 試驗(yàn)C區(qū)地層剖面

表2 振沖頭參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)，選取了C區(qū)其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩種振沖頭成樁圖像如圖8所示，該圖像展示了振沖頭成樁深度和電流隨時(shí)間的變化。碎石樁設(shè)計(jì)底高程為-33 m，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，B36振沖頭成孔深度約為-30 m，此時(shí)電流達(dá)到380 A，不能達(dá)到設(shè)計(jì)高程；B27振沖頭成孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)高程-33 m，電流達(dá)到200 A。因而當(dāng)遇到硬土層時(shí)，B27比B36的穿透能力更強(qiáng)。經(jīng)過分析其原因主要為：雖然 B36振沖頭具有更高的能量和激振力，但是B27振沖頭相對(duì)截面更小，穿越該硬層時(shí)，截面阻力相對(duì)于能量占主導(dǎo)因素。根據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)目最終確定采用B27振沖頭。

圖8 振沖頭成樁圖像

3 自升式平臺(tái)振沖設(shè)備布置

3.1 設(shè)備布置考慮因素

碎石樁正式施工，采用自升式平臺(tái)+門機(jī)吊打的施工方案[6]。自升式平臺(tái)甲板尺寸為50 m×42 m，中間月池尺寸為27 m×19 m。平臺(tái)甲板上需要布置三套振沖設(shè)備，同時(shí)需考慮皮帶機(jī)、儲(chǔ)料倉等配套設(shè)備。根據(jù)初始設(shè)計(jì)，自升式平臺(tái)各個(gè)布置區(qū)域劃分如圖9所示。

圖9 自升式平臺(tái)各個(gè)布置區(qū)域劃分

由于平臺(tái)相對(duì)空間有限，振沖設(shè)備布置需要綜合考慮各個(gè)設(shè)備所需要的維修空間和管線布置。

3.2 振沖設(shè)備布置

表3 各個(gè)振沖設(shè)備所需要的維修空間

圖10 自升式平臺(tái)振沖設(shè)備布置示意

各個(gè)振沖設(shè)備所需要的維修空間如表3和圖10所示。對(duì)于振沖器，其長度為27.2 m，因而首要考慮振沖器拼裝和維修區(qū)域；其次需要考慮碎石泵、皮帶機(jī)供料下料口以及振沖器的相對(duì)位置，從而確定碎石水泵、潛水泵的位置；發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、射水泵及其它配套設(shè)備，考慮管線位置因素，確定各自位置。

4 結(jié) 語

1）依托以色列Ashdod港項(xiàng)目深海碎石樁施工所采用的底部喂料法成樁工藝，總結(jié)介紹了各個(gè)振沖設(shè)備的基本功能及其參數(shù)，以及發(fā)電機(jī)規(guī)格型號(hào)的選取原則；

2）試驗(yàn)區(qū)碎石樁施工所采用的浮式駁船方案，振沖設(shè)備布置主要考慮各個(gè)設(shè)備連接相匹配的問題。根據(jù)試樁施工數(shù)據(jù)，得出對(duì)于本項(xiàng)目地質(zhì)B27振沖頭穿透硬層能力比B36更強(qiáng)，具體選用時(shí)需綜合考慮振沖頭能量和橫截面積對(duì)成孔阻力的比重；

3）采用自升式平臺(tái)門機(jī)吊打的碎石樁施工方案，對(duì)于三套振沖設(shè)備的布置，需綜合考慮各個(gè)振沖設(shè)備的維修空間和連接相匹配的問題，重點(diǎn)需要合理考慮各個(gè)振沖設(shè)備的維修空間。