可調(diào)節(jié)樁機系統(tǒng)在深層水泥攪拌船的應(yīng)用

劉錦寧，張 寬

（中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州 510230）

引言

DCM（Deep Cement Mixing）即深層水泥攪拌法，是一種地基處理方法，其工作原理是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機械，就地將軟土和固化劑（水泥漿）強制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基土強度和增大變形模量，加固體和天然地基形成復合地基，共同承擔上部荷載。該施工工藝可以在短時間內(nèi)得到高強度的改良地基，具有構(gòu)筑物沉降小、抗震性能好、對周邊環(huán)境的影響小等優(yōu)點。該方法速度快、效率高，同時對施工海域的環(huán)境污染小。

為適應(yīng)不同的施工參數(shù)，垂向處理深度可從幾米到四十幾米，水平處理間距可從4 m，4.8 m，6 m中快速切換。

深層水泥攪拌船可調(diào)節(jié)樁架，主要通過對樁架固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，使固定在A 架上的樁架可以橫向調(diào)節(jié)樁架之間的間隔距離，以適應(yīng)不同的施工參數(shù)要求；對高度進行調(diào)節(jié)，以提高對不同海底深度的處理能力。

1 施工工藝

1.1 施工流程

DCM 施工過程如圖1 所示，在確定好施工參數(shù)與定好樁位之后，鉆桿開始下鉆。半自動下貫至樁底之后，切換到全自動程序，全自動程序會按照設(shè)計的施工參數(shù)進行相應(yīng)的動作，并根據(jù)設(shè)計給定的樁頂與樁底，進行注漿攪拌。

圖1 DCM 施工作業(yè)流程

深層攪拌船在施工時，通過處理機自身重力不斷向下攪拌，當觸及到地基強度高的地層后，處理機開始提升，同時從前部噴漿口不斷噴出事先按一定配比攪拌好的水泥漿，并通過攪拌翼的攪拌同海底砂土混合均勻，形成加固樁，不斷的循環(huán)往復施工可以形成海底連續(xù)墻及海底加固地基。而處理機轉(zhuǎn)桿的長度決定了對海底軟基處理的深度[1]。

1.2 樁機作業(yè)參數(shù)

圖2 為處理機成樁示意圖。處理機使用四根轉(zhuǎn)桿組成一簇，一簇的處理面積為4.628 m2，每次三簇樁一起作業(yè)，即每一循環(huán)處理截面面積為13.884 m2。

圖2 處理機成樁示意

圖3 為樁機作業(yè)時，每組樁樁心距，根據(jù)不同的海底軟基處理要求及施工設(shè)計參數(shù)，樁心距可根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為3.6 m 到6 m，每次之調(diào)節(jié)為0.4 m 的倍數(shù)。

圖3 樁機參數(shù)

2 可調(diào)節(jié)樁機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)對打樁船樁架的研發(fā)措施主要有兩種。第一種方案是基于現(xiàn)有打樁船的樁架進行結(jié)構(gòu)改造，第二種是設(shè)計新型的樁架[3]。打樁船的樁架一般有固定式與全回轉(zhuǎn)式之分。前者只能在艏部打樁作業(yè)，后者既可在艏端打樁作業(yè)，又可在舷部的左右兩舷打樁作業(yè)[4]?？烧{(diào)節(jié)樁機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是在綜合了大部分深層攪拌船樁機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計而來。樁機系統(tǒng)由A 架，樁架，處理機，轉(zhuǎn)桿，起重鋼絲繩，滑輪組，樁架底部滑臺，樁架底部固定裝置，樁架頂部固定裝置，樁架中間固定裝置組成。樁機系統(tǒng)如圖4 所示。A 架總重約130 t，單個樁架重約68 t，單個處理機系統(tǒng)重約100 t。

圖4 樁架系統(tǒng)

可調(diào)節(jié)樁機系統(tǒng)可實現(xiàn)樁機在一定范圍內(nèi)垂向與水平橫向的調(diào)節(jié)，垂向調(diào)節(jié)主要調(diào)節(jié)處理機轉(zhuǎn)桿的長度，樁架的高度以及A 架的高度。水平橫向調(diào)節(jié)主要通過設(shè)計的專用樁架固定裝置，來實現(xiàn)水平橫向移動的目標。將固定螺栓松開之后，通過設(shè)置臨時的液壓頂推和葫蘆等裝置使樁架滑動，從而改變樁架之的間距，改變樁心距，提高處理機對不同軟基處理施工參數(shù)的適應(yīng)性。

2.1 樁架系統(tǒng)固定形式

樁架固定形式如圖5 所示。樁架系統(tǒng)由A 架，樁架，上下鉸接點，樁架底座等部分組成。A 架為固定塔樓式結(jié)構(gòu)形式，底部設(shè)置四個鉸接點，通過鉸接形式固定在甲板面。其結(jié)構(gòu)形式具有較好的穩(wěn)定性，較好的抗風浪能力。頂部設(shè)置橫梁，橫梁上設(shè)置絞座，通過樁架上的特制鉸接結(jié)構(gòu)進行連接，再用銷軸鎖死固定。

圖5 樁架固定形式

樁架采用立井式樁架結(jié)構(gòu)，分為幾段進行拼裝，樁架與樁架之間采用螺栓固定，樁架與A 架之間采用橫梁上設(shè)置絞座方式固定。底部采用樁架底座，下鉸接，螺栓形式固定。

2.2 垂向調(diào)節(jié)

垂向調(diào)節(jié)主要分為三個部分，第一個是A 架結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)；第二個是樁架結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)；第三個是處理機轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。三個部分的調(diào)節(jié)根據(jù)具體的施工參數(shù)進行確定，調(diào)節(jié)A 架的方式需要整體拆除處理機系統(tǒng)，樁架，對頂部結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)A 架的工程量較大，工作作業(yè)時間較長，需要較大噸位的吊機配合，同時，需要較大的堆場存放樁架，轉(zhuǎn)桿，鉆頭等設(shè)備。在施工現(xiàn)場的操作難度較大。

樁架結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是在A 架垂向高度足夠的情況下，對樁架加高或者縮短。

處理機轉(zhuǎn)桿調(diào)節(jié)，主要對轉(zhuǎn)桿進行拆卸與加裝，減少或增加垂向高度，減少設(shè)備磨損，提高施工效率，減少管路采購成本。

1）調(diào)節(jié)A 架

調(diào)節(jié)A架主要是針對A架的高度限制了處理機系統(tǒng)的施工作業(yè)，主要體現(xiàn)在處理機需要對水面以下的較深軟基的處理，已不能通過增加轉(zhuǎn)桿長度的方式來解決，需要對樁架系統(tǒng)進行加高調(diào)節(jié)。而樁架最大應(yīng)力區(qū)域主要在垂直支撐梁上，故對垂直支撐梁結(jié)構(gòu)進行加強，并采用高強度鋼制造[5]。加高A 架需要對A 架頂部結(jié)構(gòu)進行加高設(shè)計加工。加高之后的A 架結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 加高10m 的A 架

加高后的樁架與原樁架采用法蘭連接形式，使用高強度螺栓固定。如圖7 所示。

圖7 A 架法蘭連接局部

調(diào)節(jié)之后的A 架高度能夠多容納10 m 的樁架高度，轉(zhuǎn)桿可以多加長10 m，對海底軟基的處理深度能夠再向下擴展10 m。作業(yè)能力得到顯著提高，可以適應(yīng)更廣的海域施工，適應(yīng)更多的項目施工。

2）調(diào)節(jié)樁架

樁架法蘭連接如圖8 所示，樁架為多段式立井桁架結(jié)構(gòu)，整個樁架由三段不同長度的樁架組成，在樁架中部增加10 m 長度樁架，中間段上下接頭采用高強度螺栓連接。底部段采用樁架底座與樁架鉸接的形式進行連接。

圖8 樁架法蘭連接局部

采用法蘭連接形式的樁架，具有更好的靈活性，可實現(xiàn)樁架的自由加高，滿足更深海底的軟基處理要求。在淺水海域作業(yè)時可以拆卸縮短樁架高度，降低船舶重心，提高船舶拖航的穩(wěn)性，以及獲得更好的防風性能。

3）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)桿

整個轉(zhuǎn)桿采用多段不同長度的短轉(zhuǎn)桿對接結(jié)構(gòu)，通過6 m，2 m，3.6 m 等不同長度的轉(zhuǎn)桿進行拼接。每次調(diào)節(jié)可根據(jù)樁架長度，結(jié)合海底需要處理的軟基參數(shù)，選擇合適長度的轉(zhuǎn)桿加裝或拆除，將轉(zhuǎn)桿調(diào)節(jié)到最佳長度。中心桿采用法蘭連接形式，轉(zhuǎn)桿采用鍥形對接再用銷軸卡位形式。對轉(zhuǎn)桿的調(diào)節(jié)可以在施工現(xiàn)場，利用船舶自有吊機進行更換?？刹僮餍愿?，無需大型吊機進場，經(jīng)濟成本低。極大的提高了DCM 施工船舶對工程施工參數(shù)的適應(yīng)性。

2.3 水平橫向調(diào)節(jié)

深層水泥攪拌船水平橫向調(diào)節(jié)，主要目的是實現(xiàn)樁架與處理機系統(tǒng)的整體橫調(diào)，改變?nèi)_處理機之間的間隔距離，以適應(yīng)不同海底地質(zhì)的施工參數(shù)設(shè)計?？烧{(diào)節(jié)主要結(jié)構(gòu)由樁架上鉸軸，樁架下底座，滑板，樁架下鉸座組成。樁架上鉸軸結(jié)構(gòu)如圖9 所示，鉸軸為活動鉸接軸，作為樁架的固定橫軸，以鉸軸強度滿足使用條件為基本的要素，通過改變銷軸直徑、材質(zhì)等方式達到要求[2]。樁架在橫移時，以樁架上鉸接軸的軸向方向進行橫調(diào)，鉸接軸起到上下前后四個方向的定位作用。間距可調(diào)節(jié)范圍在3.6～6 m，每次調(diào)節(jié)距離為0.4 m 的倍數(shù)。

圖9 樁架上鉸接結(jié)構(gòu)

在香港三跑項目施工現(xiàn)場對DCM 船樁架進行整體水平橫調(diào)，實現(xiàn)了100 t 樁架及處理機系統(tǒng)整體橫調(diào)0.8 m，使樁心距從4 m 調(diào)節(jié)為4.8 m。

3 結(jié)語

深層水泥攪拌船可調(diào)節(jié)樁架系統(tǒng)，在DCM 施工船舶得到成功應(yīng)用。在香港三跑項目施工現(xiàn)場成功實現(xiàn)對約100 t 樁架整體水平橫調(diào)0.8 m，極大的提高了DCM 施工船舶的作業(yè)能力。在深中通道項目，實現(xiàn)對樁架系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，加高A 架10 m，加高樁架10 m，加長處理機轉(zhuǎn)桿，使得DCM 船舶能夠?qū)崿F(xiàn)最深海底軟基處理高程到達-41 m，實現(xiàn)從淺水海域軟基處理向較深海底軟基處理的成功應(yīng)用。