擠密砂樁加固水下軟土地基專用設備研制

馬振江，張敏贏，劉璐

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

擠密砂樁加固水下軟土地基專用設備研制

馬振江1，張敏贏2，劉璐3

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

在已有研究成果的基礎上，通過對擠密砂樁加固工藝關鍵技術和設備的進一步研究，對控制系統設計和設備總成調試等工作，研制開發了新一代水下擠密砂樁專用船，可以進行水面以下66m 深度的擠密砂樁地基加固施工工藝，成樁最大直徑可達 2m，復合地基置換率可達 70%。研制開發的設備成功應用于港珠澳大橋島隧工程地基處理，效果良好。

軟弱地基；砂樁船；擠密砂樁；地基處理

0 引言

近年隨著交通基礎設施工程建設向外海發展，水下地基加固已成為外海工程建設中不可或缺的施工技術。水下擠密砂樁與傳統地基處理方法相比具有加固效果明顯，快速提高地基承載力，減小工后沉降，推進施工進程等優勢[1]。

擠密砂樁技術源自日本，自 2004 年以來，出于國內水運工程建設的需要，三航局等企業通過自主創新，克服國外技術封鎖，經過大量的研究與試驗，逐步掌握了海上擠密砂樁施工的基本工藝，研制了全套設備，并在洋山深水港試驗成功，形成了國內第一代擠密砂樁施工設備[2]。

為了進一步趕超國際先進水平，適應國內交通建設發展的需要，特別是針對港珠澳大橋島隧工程建設的需要，從 2010 年開始三航局開展了新一代擠密式砂樁船成樁能力和作業控制技術的研究。在已有成果的基礎上，通過進一步的研發工作，新造了 3 條砂樁船，船型總長 75m、型寬26m、型深 5.20m，設計吃水 3.0m。新一代擠密砂樁船可進行水面下 66m 深度的擠密砂樁施工，可進行自動、手動兩種模式的操作，綜合性能達到國際先進水平。

1 關鍵技術研究

1.1 砂料供給及自動控制

砂料供給系統為砂樁的形成提供原材料，由砂箱、砂料輸送帶、計量斗、提升斗及進料斗組成，是砂樁成樁的基本要素。為保證成樁效率，必須保證樁管內時刻存有砂料，降低砂料輸送系統對成樁效率的影響。通過對控制系統設計及總體協調，優化工藝，提高各設備工作協調性，降低操作人員勞動強度，提高施工效率。

砂料供給系統的一個循環周期主要由以下幾部分組成：

通過對砂料輸送帶電機的選型及砂料輸送帶在砂樁船的工藝尺寸要求進行了優化設計縮減 T1；通過對計量斗斗門優化設計縮減 T2；提升斗的提升控制選用變頻電機，在重斗提升時采用 50 Hz低速運行，在空斗下降時采用 100 Hz高速運行，且為了系統安全考慮，在提升斗啟動和停止時均采用斜坡控制加減速過程，斜坡控制斜率可調，在出廠調試時對提升斗的加減速斜率、位置等參數進行優化，降低時間 T3；進料斗采用雙導門形式，即在成樁的整個過程中提升斗均可以向進料斗放砂，在回打階段進料斗均可以向樁管放砂，且無須將樁管內的壓縮空氣壓力釋放，節省放氣和重新加壓的時間，避免樁管底部土壓力回入管內，降低時間 T4和 T5。

砂料供給系統的控制包括砂料輸送帶的啟動和停止、計量斗門的打開和關閉、提升斗的上升和下降、提升斗門的打開和關閉、進料斗門的開啟和關閉及進料斗內的充氣和放氣。純手動操作步驟較多，對操作人員要求高，工作強度大。故在控制系統研發過程中，設計有自動和手動兩種操作模式，自動模式下可以實現砂料控制系統的全自動供給，極大地降低了操作人員的勞動強度，且由于控制系統的總體協調性較好，提高了整個砂料供給系統的效率。

1.2 振動錘的選型

進口錘的各種參數和性能優于國產錘，但價格是國產錘的2倍。對兩種錘型實際使用和性能參數進行分析，從性價比看，進口錘的優勢并不明顯，且進口錘對船舶電站能力的要求比較大，后期維修比較困難。綜合考慮，選用國產 DZL500振動錘，該錘型主要用于地基改良的擠密砂樁、大型鋼管樁的施工作業，具有較大的靜偏心力矩、振動振幅和振動加速度，沉樁能力強，作業效率高。該錘采用較低的振動頻率，尤其適用于地基加固的擠密砂樁貫入，有利于提高振動錘軸承的使用壽命。采用飛濺加強制潤滑方式，結合體外循環冷卻，有效提高軸承的潤滑和散熱效果。潤滑油溫度實時監控，能有效防止潤滑油溫度升高，延長振動錘的使用時間。

1.3 樁管與高壓注水裝置

不同的擠密砂樁工程施工，地質的差異較大，有時會出現砂層或黏土層，造成僅僅依靠振動錘無法實現樁管下沉的情況。根據前期施工經驗及研究結果，采取在樁管端部外側安裝噴嘴，引入高壓水泵，依靠樁管外部高壓注水對樁管周圍的砂層或砂土進行擾動破壞，使樁管順利貫入。經對高壓水泵設備調研選型，本次研制的 86m 擠密砂樁船配制的高壓水泵性能參數為 50m3/h，水壓1.2MPa。因為在該船上配置了較大的振動錘，樁管對一定厚度的砂層具有穿透功能，同時引入高壓注水裝置，可以順利地實現樁管的貫入，經港珠澳大橋現場施工驗證，達到了預期效果。

1.4 成樁工藝及自動控制

引入雷達式砂面計。在擠密砂樁打設過程中，必須對樁管內的砂量進行檢測，保證排出的砂量符合設計要求，避免出現由于下砂量不足造成斷樁或者縮徑樁的出現，所以樁管內砂量的檢測尤為重要。但樁管內的工作環境比較惡劣，里面有高達幾公斤的氣壓和砂料，如裝在樁管的內部，極易對砂面測量設備造成損壞，且檢測設備與樁管外部的接口也必須保證密封。常規的檢測手段為接觸式測量：通過重錘測量砂面的高度，其缺點有：要有一套伺服控制系統，價格較為昂貴；重錘需往復運動，測得數據存在間斷性；加砂階段要保證重錘不被砂埋而無法拉出，造成測量系統損壞。因此引入非接觸測量方式：采用雷達式砂面計，其測量原理為采用能量很低的極短微波脈沖通過天線系統發射并接收。雷達波以光速運行，運行時間可以通過電子部件轉換成料位信號，用一種特殊的時間延伸方法可以確保極短時間內穩定和精確的測量，輸入容器尺寸將上空距離值轉換成與料位成正比的信號。通過對套管長度、套管內最高空氣壓力、振動體系的頻率及加速度和施工要求的測量精度及測量速度等參數的研究，選擇合適的雷達式砂面計，并經現場施工長達一個月振動驗證，所選型號的雷達波料位計完全能夠在套管內惡劣環境下使用，同時測量精度達到1 cm，滿足砂樁施工的砂面測量要求，工作效果良好。

引入噸位計。首先通過噸位計測量樁管在下放過程中的受力，根據噸位計的實測值控制系統自動控制樁管下放速度，防止提升樁管的卷揚機鋼絲繩下放速度過快，避免鋼絲繩松弛引起重達96 t、高度 79.5m 的樁管處于無約束的自由狀態，造成安全事故。其次通過噸位計檢測拔管的卷揚機拉力大小，控制樁管內外噴嘴產生脈沖式氣體、液體干擾樁管下端周圍土體，使土體松動，降低拔管力，避免由于拔管力過大造成設備損壞。最后通過噸位計檢測施工區域的土層地質情況，且將樁管內的壓力控制與樁管深度、噸位計、下砂量建立關系，使壓力控制更符合實際要求，保證沉管階段樁管內排水、排泥符合實際要求，成樁階段下砂量順暢。

成樁過程中壓力控制共引入了 P1、P2、P3、P4四檔壓力，其分別與樁管底部的高層、樁管受的土體反力、土體反力的影響系數、下砂量存在有一定的對應關系，并綜合了原有的砂樁施工經驗，在成樁不同階段分別采用不用的壓力控制方式，且控制系統采集每次成樁時的相關數據，可供研究人員做數據分析和系統優化之用，使控制系統功能不斷得以優化提高。

采用先下砂后拔管的控制工藝，并通過設計下砂量與實際下砂量的對比實現自動控制，并根據下砂量的多少控制拔管速度[2]，并在打設管理界面上以曲線方式顯示理論下砂量和實際下砂量的對應關系，不僅避免斷樁和縮徑樁的出現，保證了成樁質量，打設管理人員也可以通過曲線顯示實時監控成樁情況，提高擠密式砂樁的質量控制。

1.5 壓縮空氣系統

擠密砂樁施工中壓縮空氣的用量非常大，在選擇空壓機供氣量的同時，對砂樁管內部結構和空氣排放形式進行研究，最后定為4臺電驅動空壓機：排 量為 60m3/min，排 出壓力 1.2MPa。為連續提供高壓空氣，特設置 3 個總容積約 250m3的空氣瓶，以滿足樁管短時間、大容量的耗氣需求。空壓機安放在船員住艙的后甲板上，儲氣瓶放置于船舶的前艙內，由管路引至布氣平臺，通過布氣平臺的閥門控制每組砂樁管進氣排氣。

2 控制系統方案確定

2.1 控制系統軟、硬件構建方案

控制策略采用集散控制模式，主要有集中控制系統、砂料供給控制系統、提升斗升降絞車控制系統、樁管絞車升降控制系統等組成。由集中控制系統總體協調其他集散控制子系統，系統主要由下列三大模塊組成：信號檢測元件模塊、信號執行元件模塊和信號控制模塊。信號檢測元件模塊主要包括：限位開關、壓力傳感器、編碼器、噸位計、雷達測距儀；信號執行元件模塊：氣動球閥、氣缸、電磁閥組、樁管升降絞車電機、提升斗升降絞車電機、振動錘電機、砂料輸送帶電機、空壓機；信號控制模塊：PLC、變頻器、人機界面、觸摸屏。

2.2 控制系統人機界面

考慮到砂樁船上打設操作人員的專業水平，故砂樁施工人機界面分施工管理、集中管理和打設管理三部分。施工管理、集中管理較為復雜的人機界面由施工管理人員進行操作，配備一到兩名即可。打設管理人機界面均為提示性操作，簡單、友好，具有較強的實用性。

施工管理人機界面主要功能有：制作配樁圖、樁管基本參數設置、砂樁基本參數設置、砂樁數據保存、查詢和打印等功能。集中管理人機界面如圖1所示，主要功能包括：調入施工管理人機界面設定的配樁圖、設置三套樁管打設的樁編號及順序、設置三套樁管打設砂樁時的樁管速度控制、下砂速度控制、樁管內壓力控制、端部處理控制等參數。

圖1 集中管理人機界面Fig.1 Centralizedmanagementman-machine interface

圖2 打設管理界面Fig.2 Management inter face

打設管理界面如圖2所示，主要功能包括：顯示設定的成樁參數、顯示成樁的階段、顯示進氣、排氣狀態、導門的打開、關閉狀態；顯示下砂量的控制曲線、SL 曲線和 GL 曲線。通過砂樁各種參數的顯示和提醒，使操作人員在控制室可以完全掌握砂樁打設過程，降低勞動強度和操作難度，提高砂樁成樁質量。且打設管理界面還包括觸摸屏人工干預界面，人工干預界面分為全手動操作模式和砂投入自動運行模式兩種干預模式。全手動人工干預模式可以實現對整個自動成樁過程的狀態干預，要求操作人員具有較高的砂樁施工工藝知識及操作水平；砂投入自動運行模式可以實現對進氣閥、排氣閥、內噴嘴、外噴嘴的人工干預。人工干預通過微調壓力控制參數實現下砂量的控制，進一步提高了砂樁的成樁質量。

3 系統總成

在已有研發成果的基礎上，針對外海工程建設的需要，通過自主創新新造了3條砂樁船。砂樁船最高達 86m，為三聯管設計，三聯管打樁間距可調，并引入了國產的 500 kW 的振動錘，船上布置有砂料輸送系統、砂料提升系統、雙導門進料系統、振動錘系統、長66m 的樁管系統、氣路系統和施工自動控制系統。擠密砂樁船建造過程中，根據施工工藝和控制系統的需要合理配置各類電氣控制元件，設計加工電氣柜，同時引入了GPS 測量定位系統，并將 GPS 測量系統獲取的潮位與 SCP 擠密砂樁自動控制系統進行數據交換，可以將打樁標高進行實時修訂，確保滿足設計要求；將整個操作系統分管理操作和打設兩部分進行設計，使施工員和管理人員任務明確，管理方便，節省了人力和物力。

4 工程應用情況

港珠澳大橋島隧工程人工島鋼圓筒外側島壁結構采用置換率為 25.6%的擠密砂樁進行加固，提高加固土體的承載力，減少島外側拋石堤的沉降，對人工島的穩定性起著非常重要的作用。東人工島擠密砂樁用砂方量約 35.42 萬 m3。隧道過渡段分別采用置換率為 70%、60%、50%、41%的擠密砂樁進行加固，以消除施工期沉降，減小次固結沉降，從而降低隧道過渡段的不均勻沉降，東人工島隧道過渡段共計用砂 29.83 萬 m3。為保證施工質量，每施工 1 000 根樁進行標貫抽樣檢測2根，檢測結果表明均滿足設計要求。

通過港珠澳工程施工驗證了新一代砂樁船的施工工藝及參數適合本工程地質和工況條件，可高效進行擠密砂樁施工；且通過操作控制系統監控和選樣標貫檢測，證明新造的擠密砂樁船可以保證砂樁施工質量。

5 結語

新建的 3艘86m高擠密砂樁船及施工作業自動化系統，可以適用砂質地基、黏土地基以及其他復合地基，可實施排水砂樁 （SD 工法）、擠密砂樁 （SCP 工法）、排水碎石樁 （GD 工法） 以及擠密碎石樁 （GCP工法） 等多種工藝。具有自動化（擁有人工干預功能）和手動兩種打樁模式，在施工時通過監檢 SL、GL 和噸位計等確保砂樁成樁質量。通過自動化高效實現樁管下降、貫入、著底、端部處理、拉拔、回打、引上整個施工流程[3]，降低了施工和管理人員操作強度， 可實現水下 66m深度的擠密砂樁地基處理施工，成樁最大直徑可達 2m，復合地基置換率可達 70%，綜合施工能力及技術水平達到國際先進水平。

[1]MASAKIKITAZUME.Thesand compaction pilemethod[M].Japan：Taylor&Francis Ltd.，2005.

[2]汪飛.洋山深水港區四期工程砂樁施工技術[J].中國港灣建設，2010（2）：55-57. WANG Fei.Construction technology of sand piles in the fourth phase of Yangshan deepwater harbor[J].China Harbour Engineering，2010（2）：55-57.

[3]地質工學會.擠密砂樁設計與施工[M].日本：地質工學會，2009. Geotechnical Society.Design and construction of sand compaction pile[M].Japan：Geotechnical Society，2009.

Research and developm ent of com paction sand pile treatment equipm ent of soft foundation

MA Zhen-jiang1，ZHANGMin-ying2，LIU Lu3
（1.CCCCShanghaiThird Traffic Science Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；2.CCCCThird Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；3.CCCCEngineering VesselCo.，Ltd.ofTHEC，Shanghai200137，China）

Based on the existing research results， compaction sand pile ships are successfully developed through further research on the key compaction technology，key equipmentselection，control system design and equipmentassembly debugging. The ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m under water to improve the production process， the pile diameter can reach 2m and the rep lacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Moreover，the equipment wassuccessfully applied to the tunnelengineering foundation treatmentofHong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island and theeffectwasgood.

soft foundation；sand pile ship；compaction sand pile；foundation treatment

U655.32

C

1003-3688（2014）01-0070-05

10.7640/zggw js201401014

2013-06-03

國家科技支撐計劃項目 （2011BAG07B002）

馬振江 （1978 — ），男，河南濮陽人，工程師，工藝自動化設計研究所工藝所所長，從事港口工程工藝及機電一體化設備研究。E-mail：mazhenjiang1978@163.com