水上沉管法碎石樁軟基加固在港口工程中的應用

徐瑞寶+章途鑫

摘 要：根據溫州港狀元岙港區圍墾（第三施工段促淤堤）工程的水文、地質及施工環境等因素，工程堤基采用水上振動沉管法沉設碎石樁進行軟基加固，通過先進的施工方法和嚴格的質量控制，達到了階段性的處理效果。該施工工藝在我國尚首例，通過該工程的順利實施，施工工藝已趨成熟，為今后水上軟基加固處理開辟了一條新途徑和類似工程施工提供參考。

關鍵詞：軟土地基 水上振動沉管法 施工應用

1.工程概況

溫州港狀元岙港區圍墾（第三施工段促淤堤）工程，分北側潛堤和西側潛堤，北側潛堤長約1350m（樁號K1+850～K3+200），西側堤長約650m（樁號K3+200～K3+850）。根據勘察成果及區域地質資料，區內分布約有3～70m厚的第四系松散沉積物，上部約25～40m系海相沉積的淤泥、淤泥質粘土，具有厚度大、含水量高、孔隙比大、強度低、靈敏度高、滲透性低等特點，中部為湖海相的粘土，下部基巖。

本工程堤基加固采用碎石樁工藝，加固面積約13.6萬m2。碎石樁采用分區加固，置換率分別為20%及15%，樁徑1m，采用梅花形（等腰三角形）布置，本工程共布置碎石樁30644根。

2.軟土地基碎石樁法的加固原理

碎石樁施工時，振動沉管的強烈振動使土粒間的平衡發生破壞，孔隙水壓力升高，飽和粘土強度降低，待孔隙水壓力消散后，重新形成穩定的平衡體系，土的強度得以恢復并提高。

密實的碎石樁體替代了與樁同體積的軟弱飽和軟粘土，因碎石樁的強度和抗變形的能力均優于原狀土，所形成的復合地基的承載力比原來天然地基土高，沉降量比原天然地基土小，從而提高了地基的整體穩定性和抗破壞能力。

同時，碎石樁體成為飽和粘土孔隙水的良好排水通道，縮短了排水距離，孔隙水壓力得到有效緩解，加速土層排水固結，增強粘土強度，減少由剪切變形引起的沉降。碎石樁加固飽和軟粘土地基起到置換和排水固結的作用，實質是把天然地基變成由密實的碎石樁和樁間土組成共同工作的復合地基。

在深厚的飽和軟粘土中，碎石樁形成懸浮體，與樁間土共同組成厚墊層基礎，起到分散上部荷載的作用，從而達到提高地基承載力的目的。

3.施工方法

3.1施工工藝

根據地質情況和設計碎石樁的置換深度，本工程碎石樁需穿透1-3淤泥層，根據施工區域的水深條件，沉樁采用水上振動沉管一次拔管法成樁工藝。

3.2施工設備

為確保工程按期完工，在船機設備配備方面給予保障，加大機械化施工程度，提高生產效率。配備足夠的施工船舶承擔施工材料運輸；同時，配備備用發電機（船）承擔水上施工現場的供電，保障工程正常施工。

3.3測量定位

現場架設高精度GPS并設參考站，采用船載的GPS衛星定位為主，常規定位為輔，確保工程質量滿足設計要求。施工前把每根碎石樁的樁中心坐標，輸入控制系統，控制沉樁定位的精準度。碎石樁船拋錨就位在沉設碎石樁施工分區適當位置后，測量人員和施工員指揮碎石樁船移位，達到理論計算位置，校核準確后，收緊錨纜，即開始沉管。

3.4碎石樁成樁試驗

正式施工開始前，在位于潛堤軸線外側40～55m范圍選取150m2作為成樁試驗區，在試驗區內選取40根碎石樁進行成樁試驗。成樁試驗后召開專家會議，確定合理的碎石填充量（充盈系數）、套管升降幅度和速度、套管往復擠壓振動次數、振動器振動時間等施工參數，保證樁身連續性和密度均勻。

3.5沉管及停錘

松鋼套管吊鉤，壓錘，套管停止下沉后開啟振動錘，在振動錘的激振力作用下，把下端設有活瓣鋼樁靴的鋼套管打入到設計要求的標高后，沉管時要保證鋼套管垂直，樁管水平偏位要滿足設計允許偏差值。

碎石樁沉管停錘以設計樁底標高控制為準，沉管時注意觀測套管下沉速度，當套管下沉速度突然減緩乃至停止下沉，表明套管已進入粉質粘土層，繼續振動60s碎石樁管下沉量在30cm以內即停錘，已滿足設計標高的要求。3.6灌碎石

根據碎石樁實際的入土長度計算需要灌碎石的理論量，而后乘以平均充盈系數1.28（充盈系數是通過碎石樁成樁試驗成果確定）得出需要灌碎石的實際用量。用吊車把碎石料吊至碎石樁船上的集料箱內，再用皮帶機運至計量料斗內，提升計量料斗，開啟閥門灌至鋼套管中，一次性加滿碎石料。若一次性加滿料仍不能滿足實際用量，則應二次加料。

如出現上料斗的碎石料不易進入鋼套管內時，我們在碎石樁船提升料斗側面設置附著式振搗器，在下料時開啟振搗器，振動上料斗，使碎石料能順利進入套管內。

3.7撥管

根據成樁試驗拔管速率控制在1.8m/min左右，上部提升適當放慢。振動器自拔管開始即打開，一直到套管提離泥面，以保證碎石樁的密實度及碎石樁與砂被墊層的連通，然后再將套管往上拔出砂被墊層頂面。

4.施工質量控制

4.1原材料質量控制

碎石樁碎石料采用未風化的干凈礫石或扎制碎石，粒徑宜為2cm～10cm，粒料級配不應采用單級，含泥量不大于5%，且不得含黏土塊。

4.2對碎石樁位置的控制

沉樁施工主要采用GPS定位，在樁位滿足設計要求后再下樁，確保樁位的準確性。下沉套管時，套管在水面處的平面位置偏差不超過±10 0 m m，樁頂標高不超過±10 0 m m，套管垂直度不超過±1.5%，成樁直徑不小于設計樁徑的5%，并不宜大于設計樁徑的10%。成樁后將按照0.25%的檢測密度對完成沉設的碎石樁進行復核檢測。

4.3對碎石樁的樁長的控制

碎石樁施工沉管時，注意控制套管的入土深度。確保套管能夠達到設計深度。根據船上的檢測儀器，記錄碎石樁底高程。

4.4對碎石樁密實度的控制

通過控制碎石樁輸碎石管的拔管速度，控制碎石樁振動器的振動，控制好碎石灌入速度，根據現場實際總碎石灌入量，來保證碎石樁的密實度。具體數據通過試樁的數據確定。

4.5施工順序和施工速率控制

根據施工進度安排，將采用兩條碎石樁船同時進行施工。碎石樁施工順序從中間開始，向兩端或者四周進行，施工過程中，合理控制施工速率。施工中一旦發生串樁現象，及時分析原因，及時采取相應的補救措施，如重新振密、補樁等。

5.碎石樁的質量檢測

軟土地基加固后的復合地基承載力、變形特性與加固方法和施工質量關系密切，因此施工過程中和施工后的質量檢測對工程建設的成敗至關重要。2012年3月4日至2013年5月24日分3次對溫州港狀元岙港區圍墾（第三施工段促淤堤）工程碎石樁施工區域進行了現場動力觸探試驗N63.5（共計 72 組）。

5.1碎石樁長檢測

碎石樁的樁長關系到地基處理深度和復合地基承載力，施工期樁長檢測是工程質量控制的關鍵。通過對碎石樁施工區域72組N63.5動力觸探現場試驗連續貫入法，檢測樁體長度，以錐頭貫入時遇土后的深度即為樁底深度。

5.2碎石樁樁身連續性、樁身密實度檢測

通過對碎石樁施工區域 72 組N63.5 動力觸探試驗，根據《港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程》（JTJ246-2004），受檢碎石樁的N63.5 錘擊數除個別為9.5擊，大部分在10擊以上，最大錘擊數達到16擊。可以判定受檢碎石樁樁身連續、無斷樁，平均值大于于 10 擊，樁身密實。

5.3碎石樁樁間土地基檢測

根據設計要求，樁間土處理效果的檢測在潛堤施工階段不執行，但在后期圍堤身加高前應對樁間土處理效果的進行檢測，檢測點選在預埋鋼套管位置。沿第三施工段堤身軸線共布置10個預埋鋼套管。檢測方法采用標準貫入或十字板剪切試驗等原位試驗方法進行，也可采用室內土工試驗方法進行。

6.結論和建議

溫州港狀元岙港區圍墾（第三施工段促淤堤）工程，采用水上振動沉管法沉設碎石樁進行軟基加固，達到了階段性的處理效果，該工藝在我國尚屬首例。通過該工程的順利實施，施工工藝已趨成熟，為今后水上軟基加固處理開辟了一條新途徑和類似工程施工提供參考。

目前，溫州港狀元岙港區圍墾工程第三施工段僅完成促淤堤部分（國家85高程+0.2m），建議在溫州港狀元岙港區圍墾工程第三施工段圍堤堤身全部完成后，及時做好樁間土處理效果的檢測工作，以進一步檢驗該工程的軟基的處理效果。

參考文獻：

[1]港口工程碎石樁復合地基設計與施工規程.JTJ 246-2004，北京：人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國交通運輸部.水運工程質量檢驗標準.JTS 257-2008，北京：人民交通出版社，2008.

[3]施立軍.溫州港狀元岙港區圍墾工程碎石樁施工方案，2011，10.

[4]上海港灣工程質量檢測有限公司.溫州港狀元岙港區圍墾（第三施工段促淤堤）工程碎石樁檢測報告，2013，06.