專用擠密砂樁船的應用現狀及發展趨勢

劉璐，馬振江

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

專用擠密砂樁船的應用現狀及發展趨勢

劉璐1，馬振江2

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

為適應工程建設的需要，國內擠密砂樁船從引進仿制到自主研發，經歷了兩代發展。最新研制開發的擠密砂樁專用船可以進行水面以下66m深的擠密砂樁地基處理，最大成樁直徑可達2m，復合地基置換率可達70%，具有更好的可操作性，更高工效和環保性，已成功應用于洋山深水港及港珠澳大橋島隧工程建設中，地基加固效果良好。

軟弱地基；擠密砂樁；地基處理；砂樁船；應用現狀；發展趨勢

0 引言

為適應港口吞吐能力發展的要求，離岸群島間的深水岸線和深水港建設大量興起，人造陸域的使用越來越普遍，遠離陸域、風浪條件惡劣、有效作業時間短等施工環境都給外海工程的地基處理帶來了難度，地基加固技術已成為外海交通基礎設施建設中至關重要的施工技術，傳統的地基處理方法面臨嚴峻的挑戰。

水下擠密砂樁是一種地基加固新技術，它以砂樁船作為作業平臺，通過振動設備和管腔增壓裝置把砂強制壓入水下軟弱地基中，經過振動拔管、回打、擠密擴徑，形成擠密砂樁。通過擠密砂樁的置換、擠密、排水作用，可增加地基強度，加快地基固結，減少結構物沉降，提高地基的抗液化能力。擠密砂樁成樁工藝如圖1所示[1-2]。與傳統的地基加固方法相比，水下擠密砂樁技術采用專業施工船舶很好地解決可操作性與工效等問題，適用范圍廣泛，可應用于對砂性土、黏性土、有機質土等幾乎所有土質的地基加固處理，非常適用于外海人工島、防波堤、護岸、碼頭等工程的地基基礎加固。

1 國內外擠密砂樁船的發展歷程

砂樁法作為一種地基處理方法歷史悠久。砂樁處理地基在19世紀30年代源于歐洲。20世紀50年代后期，日本成功研制了振動式和沖擊式砂樁施工工藝，大大提高了工作效率和施工質量。目前在國外特別是日本、韓國海上工程中水下擠密砂樁得到廣泛應用，施工均采用專用擠密砂樁船。國際上專用砂樁船加固地基深度能達到水面以下60m，其擠密砂樁的置換率可達60%～70%，砂樁直徑可達2 m。典型工程如日本的關西國際機場一期、二期和新敦賀港，韓國的釜山新港等。

圖1 水下擠密砂樁成樁工藝流程Fig.1 The pile-form ing process flow of underwater com paction sand pile

1.1 國內水下砂樁的應用

水下砂樁特別是水下擠密砂樁在我國應用時間較短。在2004年以前水下砂樁在國內有一定的應用，但直徑較小（不超過800 mm），加固深度較淺（不超過10 m），且在施工工藝上與水下擠密砂樁有很大差異，一般多為直接將陸上砂樁施工機具直接移至船舶上，振動錘能力較小，一般不超過135 kW。

1.2 國內第一代擠密砂樁船

自2004年以來，中交三航局等企業通過自主創新，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，形成了國內第一代擠密砂樁專用施工設備。第一代擠密砂樁船在國內首次開發了成套的水下擠密砂樁施工設備、施工工藝、施工過程自動控制系統以及施工管理軟件。這一代設備主要采用現有工程船舶改造，如駁船、起重船，配備的振動錘能力有很大提高，一般使用 200～300 kW振動錘，使之具備水下擠密砂樁施工的能力。設備及控制系統操作簡便，運行穩定，實現了初步的自動化、專業化。代表施工船舶有三航砂樁2號、三航砂樁3號、三航起重10號。

1.3 國內第二代擠密砂樁船

第二代擠密砂樁船在第一代擠密砂樁船的基礎上提高了施工工效，加強了施工質量管理，具備施工自動化系統和施工管理軟件，采用大功率振動錘和大流量高壓空壓機，加固深度大大提高，可進行自動、手動兩種模式的施工作業，綜合性能達到國際先進水平。代表船舶有三航砂樁6號、三航砂樁7號、三航砂樁8號。

國內砂樁船分類見表1。

表1 國內砂樁船分類表Table 1 Classification of domestic sand pile ships

2 第二代擠密砂樁船系統構成特點

第二代擠密砂樁船樁架高度86 m，總長75 m、型寬26m、型深5.20m，設計吃水3.0m，為三聯管設計，三聯管打樁間距可調，配備國產500 kW振動錘，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、超長66 m的樁管系統、氣路系統和施工自動控制系統[3]。

2.1 硬件系統配置特點

為滿足水下擠密砂樁的施工要求，第二代擠密砂樁船選用具有較大靜偏心力矩、振動振幅和振動加速度的上海國產DZ500振動錘。該錘型沉樁能力強，作業效率高。砂料輸送系統實現砂料的全自動供給，極大地降低了勞動強度，提高了砂料供給效率。配備套管貫入輔助裝置，克服加固地基土中的硬土夾層。砂面儀采用非接觸式砂面儀，測量精度達到1 cm，對樁管內砂量進行檢測，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。配備有空氣壓縮系統，由4臺電驅動空壓機和總容積約250m3的空氣瓶組成，單臺排量為60m3/min，排出壓力1.3MPa，能滿足樁管短時間、大容量耗氣需求。

2.2 自動化系統及施工管理軟件系統

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子系統。系統主要包括信號檢測元件模塊、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；信號執行元件模塊包括：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；信號控制模塊包括：PLC、變頻器、人機界面、觸摸屏。

砂樁施工管理軟件系統分施工管理、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。施工管理軟件界面參見文獻[3]，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即可完全掌握砂樁打設過程，降低了勞動強度和操作難度，提高了砂樁成樁質量。

3 工程應用現狀

目前我國有多項工程采用或有意向采用擠密砂樁處理軟基技術，如洋山深水港工程、港珠澳大橋島隧工程和海南海口灣南海明珠人工島工程均采用了水下擠密砂樁作為軟土地基處理的手段，海南三亞榆林港深水防波堤工程也有意采用水下擠密砂樁作為軟基處理方案。

3.1 洋山深水港工程

洋山深水港建設中廣泛采用了水下砂樁處理軟土地基（近10萬根水下砂樁），并在國內首次采用了擠密砂樁技術加固沉箱式碼頭基礎。洋山深水港三期工程原料碼頭基礎采用擠密砂樁加固，結構形式為沉箱重力式結構，地基為軟土地基，碼頭面高程為6.50 m，碼頭前沿設計泥面標高-5.50 m，拋石基床頂標高為-6.30 m。擠密砂樁總工程量：50%置換率砂樁144根，60%置換率砂樁280根，合計424根。經檢測擠密砂樁的成樁直徑達到1.8m，鉆孔取樣檢測表明砂樁長度達到要求，樁身連續性好，密實度為中密—密實狀態。根據碼頭結構沉降觀測數據，工后6個月的殘余沉降僅為24 mm，說明擠密砂樁加固處理后的軟土地基達到了較好的效果。

3.2 港珠澳大橋島隧工程

港珠澳大橋主體工程采用橋隧組合方式，在其人工島及海底沉管隧道建設中采用了水下擠密砂樁作為軟土地基處理方法，總方量高達150萬m3，為國內最大規模的水下擠密砂樁應用工程[4]。

3.3 海口灣南海明珠人工島工程

海口灣南海明珠人工島工程位于海口市西海岸新國賓館北側約2 km海域，通過填海造地形成南海明珠人工島，面積約265 hm2，以開發建設25萬總噸級郵輪母港及配套設施等高端旅游服務產業。該人工島為砂質土地基，采用直徑1.35m，長度8～12.5m的擠密砂樁對人工島內、外護岸地基進行加固處理，以提高地基抗液化能力。水下擠密砂樁總工程量共計32.5萬m3。

4 設備發展方向及應用前景

隨著擠密砂樁施工設備和施工工藝的日臻完善，擠密砂樁在外海的作業能力有了更進一步的提升，更加適合外海深水條件下水下軟土地基處理。擠密砂樁法將是今后離岸深水工程中重要和主要的地基加固方法。與國外同類技術相比，我國第二代擠密砂樁船其設備能力、加固深度與成樁直徑均已達到國際領先水平。值得指出的是隨著國內外對于環境保護及可持續發展認識的不斷加深，對擠密砂樁船的節能減排和環境保護提出了更高的要求。可以預見我國今后擠密砂樁船的發展將具備以下特點。

1）自動化集成度更高

具有全自動化（擁有人工干預功能）和手動兩種打樁模式，在施工的同時，通過檢測監控砂面儀、樁管標高、噸位計等確保砂樁成樁質量。通過全自動化高效實現全自動作業，可縮短操作人員培訓時間，減輕操作人員工作強度，提高勞動生產率。

2）各系統可靠性明顯提高

系統可靠性提高，在設計中充分考慮系統各組件的維修，進一步降低擠密砂樁船的維護費用。

3）設備工藝適用性提高

提高設備對各種地基（砂質地基、黏土地基以及其他復合地基）的廣泛應用性。擠密砂樁船可以實施排水砂樁、擠密式砂樁、排水碎石樁以及擠密碎石樁等多種工藝。

4）環保性能進一步提升擠密砂樁船將采用最新的技術，提高能源利用效率，充分考慮能源的循環利用，落實節能指標，同時在減震降噪方面將進一步提升，以滿足日益提高的環保新標準。

[1]寺師昌明.擠密砂樁設計與施工[M].日本：地質工學會，2009. TERASHIMasaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2]尹海卿.水下擠密砂樁加固軟土地基技術[M].北京：人民交通出版社，2013：18-49. YIN Hai-qing.A technique to treat themarine soft ground using sand compaction pile[M].Beijing:China Communications Press, 2013:18-49.

[3]馬振江，張敏贏，劉璐.擠密砂樁加固水下軟土地基專用設備研制[J].中國港灣建設，2014（1）：70-74. MA Zhen-jiang，ZHANGMin-ying，LIU Lu.Research and development of compaction sand pile treatment equipment of soft foundation[J].ChinaHarbourEngineering,2014(1):70-74.

[4]林鳴，梁桁，劉曉東，等.海上擠密砂樁工法及其在港珠澳大橋島隧工程的應用[J].中國港灣建設，2012（4）：72-77. LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,et al.Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. ChinaHarbour Engineering,2012(4):72-77.

表1 直螺紋接頭安裝時的最小擰緊扭矩值Table1 Them inim um tightening torque value for a straight threaded joint

5 結語

港珠澳大橋設計使用年限120 a，其中西人工島島上段隧道暗埋段因結構形式復雜，配筋率高，鋼筋安裝極為困難。通過采取極為細致的質量保證措施，不斷優化鋼筋安裝施工工藝，規范過程控制，鋼筋安裝精度及質量不斷提高，并極大提高了施工效率，節省了人力物力，為以后類似工程積累了寶貴經驗。

參考文獻：

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[2]趙傳林，張怡戈，楊潤來.港珠澳大橋島隧工程西人工島暗埋段隧道模板設計及施工技術[J].中國港灣建設，2013（3）：49-54. ZHAO Chuan-lin,ZHANG Yi-ge,YANG Run-lai.Design and technology for construction of formwork for buried tunnel in west man-made island for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2013(3):49-54.

[3]JTG/TF50—2011，公路橋涵施工技術規范[S]. JTG/T F50—2011,Technical specification for construction of highway bridgesand culverts[S].

[4]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋主體工程隧道工程施工及質量驗收標準[S].2013. Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and qualityacceptance criteria for tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].2013.

[5] JGJ107—2010，鋼筋機械連接通用技術規程[S]. JGJ 107—2010,General technical specification for mechanical connection of reinforcement[S].

App lication status and development trends of com paction sand pile ship

LIU Lu1,MA Zhen-jiang2
（1.CCCCEngineering VesselCo.,Ltd.of THEC,Shanghai200137,China; 2.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

In order tomeet the need of engineering construction,the domestic sand pile ship experienced two generations of development from introduction and imitation to independent research and development.The new sand pile ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m underwater to improve the production process,the pile diameter can reach 2m and the replacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Due to its better operability,efficiency and environmental protection,the equipment is successfully applied to the construction of Yangshan deepwater portand Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel projectand the effect isgood.

soft foundation;compaction sand pile;foundation treatment;sand pile ship;application status;development trends

U655.32

A

2095-7874（2015）11-0116-04

10.7640/zggw js201511031

2015-10-12

劉璐（1983— ），男，安徽淮南人，工程師，港口航道與海岸工程專業。E-mail：linwen166@126.com