低凈空條件下海上振沖碎石樁施工新技術(shù)及應用

蘇巖松，胡偉明

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

引言

干法底部出料振沖碎石樁最早于1970 年起源于德國，我國在2 000 年后開始逐步引進這項技術(shù)。通過不斷迭代升級，這項技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應用，耿光宏[1]、陳健[2]、張金[3]等對該工藝方法已經(jīng)進行了較為深入的探討和研究。本文結(jié)合港珠澳大橋香港口岸人工島低凈空施工條件，討論了振沖碎石樁伸縮管施工技術(shù)和相應裝備，并對其施工效率進行了分析比較。

1 工程概況

港珠澳大橋香港口岸人工島（HKBCF）是港珠澳大橋香港連接線的一個重要組成部分，位于香港國際機場東北海面，經(jīng)過香港赤臘角國際機場連接屯門及大嶼山，海堤總長度為6 296 m，占地面積為149.69 萬m2。該人工島主要用作旅客及貨物過關(guān)的設(shè)施。人工島島壁地基加固技術(shù)采用海上底部出料振沖碎石樁施工工藝，上部采用格型鋼板樁形成剛性島壁。

圖1 港珠澳大橋香港口岸與香港機場相對位置示意圖Fig.1 Location of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB) Hong Kong Boundary Crossing Facilities (HKBCF) and Hong Kong Airport (HKIA)

1.1 工程地質(zhì)條件

本項目典型的地質(zhì)條件如下：

1）海相沉積層

非常軟至軟，淺灰色、灰色，局部略含砂，粘土質(zhì)淤泥，偶見貝殼。該層厚度約10～22 m；

2）粘土沖積層

堅固至堅硬，淺灰～深灰色，淤泥質(zhì)粘土，粘土質(zhì)淤泥，該層頂標高一般在-20 m 左右。中間夾中砂至粗砂，一般深度在-29 m，厚度0.5～2 m。

表1 場地土體力學參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of site soils

1.2 水文條件

施工海域平均海面高程1.2 m，漲潮時平均高水位為2.1 m，退朝時平均低水位為0.3 m。正常情況下波浪主要風產(chǎn)生，浪高0.8～1.0 m，波浪周期2～3 s；極端情況下波浪主要由颶風產(chǎn)生，浪高2.5～3 m，波浪周期3～4 s，極端條件下所有海上施工作業(yè)需要停止并執(zhí)行防護措施。

1.3 機場高度限制（低凈空）條件

項目建設(shè)期間，尤其是港珠澳大橋香港口岸的區(qū)域 A、B、C 以及區(qū)域5、6、7、8 區(qū)域，香港國際機場的高度限制十分明顯，如圖2，在該區(qū)域內(nèi)作業(yè)的施工設(shè)備必須滿足機場高度限制條件并接受報警系統(tǒng)管理。

圖2 港珠澳大橋香港口岸機場高度限制AHR 示意圖Fig.2 Diagram of Airport Height Restriction AHR for HZMB Hong Kong Boundary Crossing Facilities

2 施工技術(shù)創(chuàng)新

2.1 工程特點

1）工程規(guī)模巨大，屬同類工程第一

本項目實施碎石樁超過4.3 萬根，約129 萬延米，尤其是低凈空區(qū)域內(nèi)的碎石樁數(shù)量達到總工程量的35 %；

2）工程地質(zhì)條件特殊

設(shè)身處地為游客著想，明確鄉(xiāng)村旅游的真正目的與意義。其中首要任務是健全基礎(chǔ)設(shè)施，保障游客基本的安全與衛(wèi)生要求。通過采訪、問卷的形式了解周邊地區(qū)游客的需求，從而有針對性地開展活動和提供服務，提高游客滿意度和市場美譽度。此外，還應挖掘鄉(xiāng)村旅游的潛在市場，如聯(lián)系周邊城市中小學，共同開展農(nóng)事體驗、農(nóng)業(yè)知識科普活動。

項目所處位置的特殊性，其珠江出?？诘奶厥怙柡陀倌?、淤泥質(zhì)地質(zhì)條件（不排水抗剪強度小于20 kPa），常規(guī)頂部出料振沖碎石樁工藝難以達到設(shè)計要求，必須采用新型干法底部出料振沖碎石樁技術(shù)及裝備；

3）工程建造環(huán)境極為復雜

水域附近涉及白海豚保護，施工水域水質(zhì)高標準要求、噪聲控制、空氣污染、海航線限制等等要求均十分嚴格；

4）機場高度限制條件

由于機場附近高度限制的原因，導致常規(guī)底部出料振沖碎石樁設(shè)備高度受到凈空高度限制。

要完成設(shè)計所要求的的地基加固深度目標，必須尋求一種新型的底部出料振沖碎石樁施工新技術(shù)，以適應碎石樁施工深度、施工質(zhì)量的需要。

2.2 低凈空條件下的新裝備及施工方法開發(fā)

由于項目受低凈空條件限制，根據(jù)具體施工位置的不同，需將施工設(shè)備頂部高程控制在+25 mPD～ +60 mPD 以下，考慮高潮時海平面平均水位高度以及雙鎖壓力倉、船體干舷等配套設(shè)備尺寸，經(jīng)計算，桅桿的最大吊高分別為19.7～34.7 m 不等，均小于對應區(qū)域振沖碎石樁的設(shè)計長度，尤其是在區(qū)域5，樁長最長超過了36 m。本文所述的伸縮管設(shè)備可實現(xiàn)底部出料振沖碎石樁最大樁長36.5 m，伸縮導桿長度可達到42.5 m（含水深），這樣既未超出香港機場高度限制條件，又能按設(shè)計要求完成既定超長深度的振沖碎石樁。這種在振動環(huán)境下的機械式內(nèi)外管伸縮連接以及密封技術(shù)在全世界范圍內(nèi)屬于首創(chuàng)。

該項新技術(shù)需要兩個部分組成，第一是振沖碎石樁船起重A 架以及桅桿立柱系統(tǒng)，如圖3、圖4，可根據(jù)低凈空限制的高度進行組合配置，第二是懸掛的底部出料振沖器系統(tǒng)，如圖5，可根據(jù)低凈空高度限制的條件進行內(nèi)外雙管伸縮管長度的配置，以滿足不同設(shè)計深度要求以及高度限制的雙重要求。

圖3 無限高條件下打樁船結(jié)構(gòu)示意圖（立柱高度42.5 m）Fig.3 Piling Vessel Structure Under Infinite Height Condition(Column Height 42.5 Meters)

圖4 低凈空條件下打樁船結(jié)構(gòu)示意圖（立柱高度21.5 m）Fig.4 Pile Driving Vessel Structure Under Low Headroom Conditions(Column Height 42.5 Meters)

圖5 底部出料振沖器伸縮管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Telescopic Tube Structure for Bottom Feed Vibroflot

新型的底部出料配套干法振沖施工設(shè)備以及可調(diào)節(jié)高度的打樁船等相應工藝為項目的順利實施創(chuàng)造了可能性，并獲得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.3 低凈空條件下伸縮管配置和施工工藝流程

根據(jù)表2 中的低凈空高度限制條件、設(shè)計深度要求以及現(xiàn)有設(shè)備高度情況，確定新型的伸縮管振沖碎石樁施工所需要配置的內(nèi)管長度為6.6 m 至15.6 m 長。在振沖碎石樁施工過程中，內(nèi)管完全伸出時方能既滿足低凈空作業(yè)限制條件，也滿足振沖碎石樁設(shè)計處理深度的要求，同時內(nèi)外管雙管伸縮結(jié)構(gòu)之間密封均能滿足干法底部出料振沖碎石樁施工工法的基本需要。

表2 低凈空條件下底部出料振沖碎石樁設(shè)計深度及伸縮管長度配置表Tab.2 Design Depth and telescopic Pipe Length Configurations for Bottom Outfeed Vibro Stone Columns under Low Headroom Conditions

低凈空條件下伸縮管底部出料碎石樁施工的工藝流程如圖6 所示。

圖6 低凈空條件下伸縮料管施工工藝流程圖Fig.6 Process Flow of Telescopic Material Pipe Construction Under Low Headroom Conditions

2.4 低凈空條件下伸縮管施工的環(huán)保價值

在低凈空的限高區(qū)域，采用伸縮管施工工藝確保了干法底部出料振沖碎石樁的成功實施，避免了其他諸如疏浚開挖等傳統(tǒng)海床清淤處理方式的發(fā)生，伸縮管施工對于原狀土的擾動最小，并且干法底部出料振沖碎石樁可精準投料至地層各深度范圍內(nèi)，樁體連續(xù)、干凈、不夾泥，形成透水性好的排水通道，加速樁間土的排水固接，尤其施工過程不會產(chǎn)生泥漿，利于海洋環(huán)保。

3 施工效率分析及質(zhì)量檢查

3.1 施工效率分析與比較

根據(jù)施工過程統(tǒng)計分析，低凈空條件下的底部出料振沖碎石樁較無機場高度限制區(qū)域單延米施工效率是有所降低的，降低時間為振沖器造孔過程中的伸縮管伸出時間，以及振沖器加密至伸縮管位置時候的縮回時間。以伸縮管內(nèi)管長度12 m 為例，采用該新型伸縮管技術(shù)的伸出、縮回時間分別為 8 min 以及12 min，合計效率降低單樁時間為 20 min。

雖然采用伸縮管底部處理碎石樁施工工藝較常規(guī)設(shè)備時間略有增加，但是采用的伸縮管裝備及工藝作為一種新的施工裝備及施工方法，為低凈空條件下干法底部出料振沖碎石樁的施工開辟了另一條可行的路徑，將干法底部出料工法成功的應用在本項目的所有施工區(qū)域，為低凈空區(qū)域地基處理的實施起到了一個關(guān)鍵的作用，避免了低凈空條件下再單獨組織疏浚開挖等傳統(tǒng)方式的海床清淤方案。因此，施工效率方面較其他的處理方案具有非常大的優(yōu)勢。

3.2 施工質(zhì)量保證

本文底部出料振沖碎石樁施工過程中采用的新型施工全過程質(zhì)量管理系統(tǒng)，如圖7 所示。隨著深度變化，左側(cè)曲線反映在成樁過程中每延米的碎石用量和設(shè)備電流，同時可推算出樁長深度范圍內(nèi)的每延米振沖碎石樁直徑，如右側(cè)陰影部分所示的碎石樁樁徑圖。

圖7 典型施工過程質(zhì)量記錄表Fig.7 Quality Control Record in Construction Process

在振沖器施工過程中對施工過程的GPS 定位、深度、時間、氣壓、垂直度、電流、電壓、提升段以及管內(nèi)料位進行實時監(jiān)測，并通過人機交互實現(xiàn)了半自動打樁功能。單根碎石樁施工完成后可形成獨立報告，包括深度-時間函數(shù)曲線、深度-電流函數(shù)曲線、深度-傾角函數(shù)曲線填料量-深度函數(shù)曲線以及深度-氣壓函數(shù)曲線等各類函數(shù)曲線，并由此推算出每一米長度范圍的振沖碎石樁直徑以及計算樁體壓實系數(shù)。

4 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，建筑工程技術(shù)領(lǐng)域也隨著時代的進步，信息化的發(fā)展，各類新型的施工技術(shù)、工藝及方法層出不窮。也正是這些新型技術(shù)的開發(fā)和出現(xiàn)，使得工程項目建設(shè)過程中遇到的因為各類外界環(huán)境限制，諸如低凈空條件下的作業(yè)空間限制，采用伸縮管進行底部出料振沖碎石樁施工使得在限高條件下開展大深度地基加固施工作業(yè)成為了可能。

這項低凈空條件下的伸縮管施工新技術(shù)，無論從振沖碎石樁施工效率、還是施工質(zhì)量等諸多方面均能夠很好的滿足各方要求，經(jīng)中國施工企業(yè)協(xié)會以及中交水運工程協(xié)會的有關(guān)專家鑒定，形成如下結(jié)論：

1）自主研發(fā)的新型全自動（控）雙鎖壓力倉儲-供料系統(tǒng)，實現(xiàn)了連續(xù)底部供料成樁，可全自動數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量控制，打破了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)壟斷；

2）研發(fā)的可伸縮的水下成孔和連續(xù)供料管系統(tǒng)，解決了高度限制條件下的海上施工作業(yè)難題，保證了工程順利實施；

3）創(chuàng)新了海上底部出料振沖碎石樁施工技術(shù)，開發(fā)了自動化施工監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了全過程的施工質(zhì)量控制，保證了海上振沖碎石樁的施工質(zhì)量、精度；

4）采用世界先進的干法底部出料振沖裝備，特別是擁有專利技術(shù)的雙鎖壓力倉結(jié)構(gòu)送料系統(tǒng)，使不排水抗剪強度小于20 kPa 的土層可成功應用振沖碎石樁工藝。