基于深層攪拌工法的海上基礎加固施工設備

謝繼偉

（中鐵工程機械研究設計院有限公司，湖北 武漢 430066）

0 引 言

隨著內陸可用土地資源日益減少，我國部分重大基礎工程的建設已逐步從陸地轉移到沿海，尤其是近年來為保護領海主權和推進海洋發(fā)展戰(zhàn)略，我國加大了對沿海港口碼頭、防波堤、護岸和人工島圍海造地等海上工程的規(guī)劃與建設。此外，我國長江流域的港口碼頭和護岸等大量原有沿岸工程的水下基礎也需加固維護。這些海上工程及其配套的輔助工程都需進行水下軟質地基加固，對水下基礎加固設備形成了持續(xù)性、規(guī)模性的市場需求。但是，目前我國的水下基礎加固施工工法及配套的施工裝備技術相對比較落后，主要還是采用傳統(tǒng)的成樁法、注漿法和開挖回填等施工方法，加固施工主要依靠船用挖機、樁機和搭建的設備臨時工作平臺等配合進行，存在單次加固面積小、施工效率低和施工成本高等不足?，F(xiàn)有的施工設備和加固方法已成為制約我國海上資源開發(fā)和海上工程建設發(fā)展的重要因素。

1 深層攪拌工法

深層攪拌（Deep Cement Continuous Mixing, DCCM）工法的原理是以水泥為主固化劑，通過鉆攪機械就地對水泥固化劑和軟質地基進行強制攪拌，使水泥和地基土等產生一系列物理反應和化學反應，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥加固基礎[1-2]。對于水下需深層密實、加固處理區(qū)域大和承載能力小的基礎加固來說，DCCM 工法是世界上公認的軟質地基加固的最佳工法，已在很多國家得到廣泛應用。DCCM工法作為一種無污染、無振動、高效經濟的施工方法，在當前環(huán)境保護要求日益嚴格的情況下，已成為各國施工技術發(fā)展的必然需求，其經濟性和可靠性已得到國內外大量實際工程的驗證[2-3]。水泥攪拌加固技術已在我國陸上工程的地基加固處理中得到廣泛應用，但因海上的施工環(huán)境和條件不同于陸地，在機械設備上集成和實現(xiàn)該技術難度較大，目前還沒有在海上投入應用。

2 研究介紹

研究一種以工程船為載體，采用 DCCM 工法，用于對海上軟質地基進行加固處理的專用施工設備，已成為我國海上基礎施工裝備領域急需突破的技術瓶頸。該設備研制成功之后，能更好地服務于我國沿海及遠海開發(fā)建設，維護我國的海洋權益，有著廣闊的市場前景。中鐵工程機械研究設計院根據(jù)多年來在樁工機械和船用樁機領域積累的設計經驗，采用深層攪拌加固技術研發(fā)一種以工程船為載體，滿足船舶與海上設備設計規(guī)范[4]要求，專用于水下基礎加固處理的施工機械設備。

2.1 總體設計技術

該設備主要由樁架系統(tǒng)、鉆進攪拌系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、施工管理系統(tǒng)和漿液制造及輸送系統(tǒng)組成。設備的加固處理深度大、一次攪拌成樁數(shù)量多，具有成樁離散度可調的功能，不僅能對水下基礎形成間距可調的離散攪拌樁加固，而且可形成水下連續(xù)水泥土墻以承受載荷或隔水。設備總體設計圖見圖 1，主要技術參數(shù)見表1。

圖1 設備總體設計圖

表1 設備主要技術參數(shù)

2.2 關鍵技術

2.2.1 樁架系統(tǒng)

設備的樁架系統(tǒng)采用3幅樁架橫向并行布置的設計，每幅樁架上安裝1套可沿導軌上下滑移的鉆進攪拌裝置和泥漿輸送系統(tǒng)，中間樁架的位置固定，兩側樁架相對于中間樁架的橫向距離可調，調節(jié)距離為0～2400mm（見圖2）。該設計能實現(xiàn)成樁的離散度可調，不僅滿足對水下地基離散成樁加固的要求，而且能實現(xiàn)連續(xù)成墻加固。

圖2 樁架布置圖

2.2.2 鉆進攪拌系統(tǒng)

鉆攪設備采用4軸1噴設計，其中：4根攪鉆軸承采用正方形四角點布置方式，與鉆桿連接；加固劑噴口布置在中心，與輸漿管連接（見圖 3）。 鉆桿具有螺旋鉆進翼與攪拌翼相間設置的特點，可根據(jù)不同的地質和成樁要求，選擇與之相適應的強度、直徑和長度等鉆桿參數(shù)，鉆桿最大扭矩為 60kN·m，最大成孔直徑為φ1300mm，單次處理面積為4.8m2，最大鉆進深度為水下45m。

2.2.3 工作選擇模式

該設備設有3套鉆進攪拌處理系統(tǒng)，每幅鉆進攪拌處理系統(tǒng)都設有4根鉆攪軸，鉆桿攪拌翼和鉆進翼布置見圖4。該設備最多可實現(xiàn)3幅鉆進攪拌系統(tǒng)的12根鉆桿同時工作，也可實現(xiàn)單幅或其中2幅鉆進攪拌系統(tǒng)組合施工，且每幅鉆進攪拌系統(tǒng)的攪拌翼的直徑可根據(jù)成樁厚度進行增減。多樣化的工作選擇模式增強了該設備的適應性和靈活性，提升了施工效率和經濟性。

2.2.4 提升系統(tǒng)

每套鉆攪設備對應2組提升系統(tǒng)（見圖5），即主提升系統(tǒng)和輔助提升系統(tǒng)，其中：主提升系統(tǒng)用于實現(xiàn)鉆攪裝置的貫入和上拔，鉆攪裝置可通過提升系統(tǒng)沿樁架導軌實現(xiàn)垂直升降；輔助提升系統(tǒng)用于更換或加長鉆桿。

2.2.5 施工管理系統(tǒng)

施工管理系統(tǒng)是DCCM處理系統(tǒng)的指揮控制中心，以各類傳感器、工業(yè)電腦和可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）為核心，通過軟件控制程序對施工參數(shù)進行設定和控制，用顯示器實時顯示施工參數(shù)和制供漿系統(tǒng)的運行情況，具有對施工數(shù)據(jù)進行記錄、保存和打印等功能，供用戶對加固的過程和質量進行分析。

圖3 鉆攪設備

圖4 鉆桿攪拌翼和鉆進翼布置

圖5 提升系統(tǒng)

3 成果應用

上述研究成果已獲得國家發(fā)明專利[5]，并在“四航固基”號深層水泥攪拌船（圖6）上得到成功應用。該船為國內首臺基于DCCM工法、采用三樁架處理系統(tǒng)的攪拌船，交付之后完成了香港大嶼山機場海域和香港機場第三跑道擴建圍海造地的軟基處理工程施工建設，各項性能均達到了設計指標的要求。

圖6 “四航基固”號深層水泥攪拌船

4 結 語

與傳統(tǒng)的海上軟質地基加固方法相比，水泥深層攪拌加固技術不會顯著改變海底的動力特性，不會造成環(huán)境污染；所形成基礎的強度、整體性和抗震性非常好，特別適用于對差異沉降和工后殘余沉降、抗震性要求較高的工程項目?；贒CCM工法的海上加固處理設備不僅能滿足當前對海上軟質基礎加固的迫切需求，而且將是未來海上基礎加固處理的必然趨勢；同時，其設計原理可用于水下及陸地污染區(qū)域的土壤改良，技術成果能更好地服務于我國海上工程建設，并將帶來顯著的經濟效益和社會效益。