孔令磊，李 立，劉國娜

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 擠密砂樁工藝簡介

擠密砂樁屬于擠土、壓實(shí)類地基處理方法。其工作原理是：通過沖擊或振動(dòng)的方法將底端封閉的鋼管貫入地基中成孔，孔內(nèi)填入砂料后再由鋼管回壓搗實(shí)擴(kuò)徑成樁。該工藝通過在軟弱地基中植入砂樁，擠密周圍松散土，使樁與擠密后的地基組成復(fù)合地基，提高地基的承載力、抗剪切力和抗液化變形的能力。

擠密砂樁工藝于上世紀(jì)50年代首先由日本提出，經(jīng)過幾十年的發(fā)展在日本已經(jīng)形成一套完整的施工工藝。施工設(shè)備不斷向大型化和自動(dòng)化方向發(fā)展，應(yīng)用范圍也從陸地工程逐步擴(kuò)展到海洋工程。

同傳統(tǒng)海底地基處理方法相比擠密砂樁具有獨(dú)特的優(yōu)勢：加固效果明顯，可快速提高地基承載力，對環(huán)境影響小。因此可以快速推進(jìn)施工進(jìn)程，縮短工期，為在軟弱地基上建造重力式結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。該工藝在日本已擁有眾多成功案例，如羽田國際機(jī)場D滑道護(hù)岸、巖國港碼頭、石卷港防波堤等。

2 擠密砂樁船的工藝設(shè)備、施工流程及特點(diǎn)

由于海上工程施工存在一定的特殊性，所以擠密砂樁船從其搭載的工藝設(shè)備到施工流程都有一定的特點(diǎn)。為滿足港珠澳大橋人工島標(biāo)段施工，首次引進(jìn)了“砂樁6號(hào)”擠密砂樁船，它是國內(nèi)第一艘真正意義上的擠密砂樁船。以該船所搭載的典型工藝設(shè)備系統(tǒng)和施工工藝流程作為重點(diǎn)，介紹海上擠密砂樁船的各項(xiàng)特點(diǎn)。

擠密砂樁船工藝設(shè)備的主要系統(tǒng)包括：輸砂系統(tǒng)：儲(chǔ)砂料斗、輸送帶、中轉(zhuǎn)料斗、送料料斗、收料料斗；制樁系統(tǒng)：樁架、振動(dòng)錘、套管；施工管理系統(tǒng)：GPS定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)、ASL系統(tǒng)（砂面儀）；壓縮空氣系統(tǒng)：空氣壓縮機(jī)、空氣罐等。見圖1。

2.1 擠密砂樁船的施工工藝流程

擠密砂樁船的施工工藝流程可分為樁位確定、制樁準(zhǔn)備和制樁3個(gè)階段（見圖2）。

1） 樁位確定階段：船舶根據(jù)GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)指示進(jìn)行船舶駐位和擠密砂樁定位。

2） 制樁準(zhǔn)備階段：套管在振動(dòng)錘的作用下沉入海底泥面下接近設(shè)計(jì)標(biāo)高；同時(shí)輸砂系統(tǒng)按照指令向套管內(nèi)預(yù)供一定數(shù)量的砂料，壓縮空氣系統(tǒng)在套管內(nèi)建立預(yù)設(shè)空氣壓力。由于向套管內(nèi)加砂和加壓需要一定時(shí)間，所以套管內(nèi)部會(huì)混入部分泥、水、砂混合物。上拔套管到一定高度，通過套管內(nèi)的空氣壓力和砂料重量將混合物排出套管。

3） 制樁階段：操作手根據(jù)數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)指令上拔套管，在地基內(nèi)形成孔洞。套管內(nèi)的砂料在套管內(nèi)空氣壓力作用下不斷落入孔洞內(nèi)形成一定長度的松散砂樁。數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)通過對比套管上拔高度和套管內(nèi)砂面落下長度后，適時(shí)向操作手發(fā)出停止上拔并回壓套管至一定深度的指令。松散砂樁在套管搗實(shí)作用下擴(kuò)徑形成一定直徑的擠密砂樁。見圖3。

操作手在數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)指令下不斷重復(fù)上述制樁操作，分段制做擠密砂樁直至整根砂樁制作完成。在此過程中輸砂系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)測量套管內(nèi)砂存量并適時(shí)向套管內(nèi)補(bǔ)充砂料。

2.2 擠密砂樁船施工特點(diǎn)

2.2.1 先進(jìn)的砂樁定位系統(tǒng)

GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全天候施工。該系統(tǒng)對光線強(qiáng)度沒有要求，白天或夜間均可測量；減少環(huán)境因素的影響，無論刮風(fēng)、下雨、大霧等不利天氣均可測量；減少海上測量平臺(tái)的搭建數(shù)量，提高經(jīng)濟(jì)性；能為沉樁偏位提供精確數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化沉樁，保證沉樁質(zhì)量。

2.2.2 搭載設(shè)備集成度高，施工能力強(qiáng)

擠密砂樁船在海上施工期間需要具備一定的獨(dú)立施工能力和較高的作業(yè)效率，因此該型船舶上集成了大量設(shè)備以滿足施工要求。典型的擠密砂樁船會(huì)搭載能儲(chǔ)存一定砂料的儲(chǔ)料斗和砂料輸料系統(tǒng)。為了提高效率，擠密砂樁船還會(huì)搭載3套或以上的制樁系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)保證船舶能夠同時(shí)施打多根擠密砂樁。

2.2.3 自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制樁

擠密砂樁船在整個(gè)施工過程中從船舶定位到制樁均有施工管理系統(tǒng)進(jìn)行指引和監(jiān)控。操作人員可以方便了解設(shè)備狀態(tài)并在施工管理系統(tǒng)的指令下進(jìn)行操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低的同時(shí)也為成樁質(zhì)量提供了保證和數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化制樁。

3 擠密砂樁船施工管理系統(tǒng)

擠密砂樁的工藝原理簡單，但如何保證施工質(zhì)量則是困擾該項(xiàng)工藝廣泛應(yīng)用的瓶頸。隨著以工業(yè)電腦（PLC）等自動(dòng)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的施工管理系統(tǒng)的出現(xiàn)才為擠密砂樁的大范圍應(yīng)用提供了條件。作為海上擠密砂樁工藝的核心技術(shù)，擠密砂樁船施工管理系統(tǒng)可分為GPS定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)和ASL系統(tǒng)（砂面儀）3個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 GPS定位系統(tǒng)

通過船載GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確確定樁位，并實(shí)時(shí)顯示實(shí)際樁位與目標(biāo)位置之間的偏差。操作人員可以很方便地在駕駛室內(nèi)根據(jù)顯示的情況遠(yuǎn)程控制錨泊設(shè)備，將船移泊至目標(biāo)位置并最終確定擠密砂樁的樁位。

3.2 數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)

數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)居于施工管理系統(tǒng)的核心地位。由數(shù)據(jù)采集、運(yùn)算、輸出及記錄3個(gè)模塊構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)控制著擠密砂樁的施工過程。見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)

1） 數(shù)據(jù)采集模塊在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)采集各工藝設(shè)備的狀態(tài)信息并編譯為系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)信息后傳遞給數(shù)據(jù)運(yùn)算系統(tǒng)。

①輸送帶時(shí)間繼電器記錄輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，用以控制砂料的輸送量；

②送料斗位置計(jì)數(shù)器記錄送料斗在樁架上的高度位置，用以計(jì)算和控制送料斗在向套管內(nèi)供砂時(shí)的移動(dòng)高度；

③套管GL深度計(jì)數(shù)器記錄套管前端沉入水面以下的深度，用以控制和記錄沉樁的標(biāo)高和送料料斗的目標(biāo)高度；

④套管壓力傳感器記錄套管內(nèi)的壓力值，用以控制套管內(nèi)壓力值；

⑤接收ASL系統(tǒng)測量的套管內(nèi)的砂面高度數(shù)據(jù)，用以反應(yīng)制樁時(shí)砂料用量值。

2） 數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊將接收到的各工藝設(shè)備信息點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入程序進(jìn)行運(yùn)算并將運(yùn)算結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)輸出及記錄系統(tǒng)。

3）數(shù)據(jù)輸出及記錄模塊則將運(yùn)算結(jié)果按照程序設(shè)置分別下發(fā)給打樁機(jī)操作屏、輸送帶等擠密砂樁的工藝設(shè)備執(zhí)行器和記錄文件。

操作手根據(jù)打樁機(jī)操作屏指令結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行制樁操作。制樁完成后數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)自動(dòng)處理各信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)并生成完工資料。完工資料通常包括：制樁時(shí)間、樁參數(shù)、沉樁速度、用砂量等。

3.3 ASL系統(tǒng)（砂面儀）

ASL系統(tǒng)原理是通過超聲波對套管內(nèi)砂面進(jìn)行回聲測距。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反映套管內(nèi)砂面在施工過程中的變化情況。數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)作為一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。操作手根據(jù)ASL系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行相關(guān)操作。如：向套管內(nèi)補(bǔ)充砂料、根據(jù)砂面下降量速度控制套管上升速度等。

4 擠密砂樁船施工期間的質(zhì)量管理控制

擠密砂樁的質(zhì)量管理控制可分為施工前、中、后3個(gè)階段，見表1。以下重點(diǎn)介紹施工管理系統(tǒng)在擠密砂樁質(zhì)量管理控制中發(fā)揮的作用。

表1 擠密砂樁各施工階段質(zhì)量管理內(nèi)容

4.1 海底高度、砂樁位置及標(biāo)高控制

擠密砂樁船按操作程序應(yīng)在打樁位置進(jìn)行施工前和施工后的水深測量。在整個(gè)海底地基加固工程完畢后，形成該施工區(qū)域的海底高度實(shí)際隆起量的測量報(bào)告。

施工過程中需要定時(shí)進(jìn)行潮位測量并將測量數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)演算器中，以修正潮位變化對套管貫入度的影響，保證砂樁完成后的樁標(biāo)高參數(shù)不會(huì)因?yàn)槌蔽蛔兓a(chǎn)生誤差。

擠密砂樁的平面位置數(shù)據(jù)則通過樁位確定階段由GPS定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄沉樁位置，為砂樁平面位置控制提供數(shù)據(jù)支持。

4.2 砂樁長度、投放砂量、砂樁的連續(xù)性控制

1）砂樁長度由樁架上的套管GL深度計(jì)數(shù)器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。在整個(gè)制樁過程中套管GL深度計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)記錄套管移動(dòng)距離。包括套管下沉距離、上拔距離等。最終形成制樁過程中套管GL軌跡圖作為砂樁長度的支持資料。

2）砂料投放量由數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)進(jìn)行控制。在擠密砂樁制作過程中，數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)根據(jù)套管GL上拔的距離與套管內(nèi)砂面SL的變化值進(jìn)行比較。待套管上拔到設(shè)定高度且從套管內(nèi)落下的砂料體積滿足設(shè)計(jì)要求后，數(shù)據(jù)演算器向操作手發(fā)出回壓套管的指令。這樣就保證了制樁過程中砂料的投放量能夠得到有效控制。

3）擠密砂樁的連續(xù)性是通過數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)對套管GL上拔速度和砂面SL下降速度的對比進(jìn)行控制。在制樁過程中數(shù)據(jù)演算器將對比后的結(jié)果在操作手顯示屏內(nèi)進(jìn)行顯示作為操作手的操作依據(jù)。套管GL速度過快表示套管上拔太快或套管內(nèi)部砂料下落困難，這樣就會(huì)造成套管在地基中形成的空間內(nèi)沒有足量的砂料進(jìn)行填充。該空間就有可能被周圍的淤泥填充從而導(dǎo)致樁的連續(xù)性被破壞。這就需要操作手降低套管GL的上拔速度或通過操作加快套管內(nèi)砂料的下降速度。數(shù)據(jù)演算系統(tǒng)將記錄制樁過程中套管GL與砂面SL的速度關(guān)系并形成擠密砂樁制樁波形圖為擠密砂樁的連續(xù)性提供數(shù)據(jù)支持。見圖5。

5 結(jié)語

海上擠密砂樁工藝是一種新型的施工方法，其核心設(shè)備擠密砂樁船在國內(nèi)應(yīng)用尚屬首例，因此擠密砂樁船的施工及質(zhì)量管理暫無可以借鑒的成熟經(jīng)驗(yàn)。只能在試驗(yàn)和實(shí)際工作中不斷學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)，逐步掌握了擠密砂樁船的海上施工工藝。

隨著全球經(jīng)濟(jì)與海上運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，海港碼頭向離岸、開敞、深水海域發(fā)展已經(jīng)成為必然趨勢。伴隨著外海筑港，人工島的建設(shè)向深水區(qū)推進(jìn)，地基加固已成為外海筑港建設(shè)中必不可少的施工技術(shù)。擠密砂樁工藝作為一種比較先進(jìn)和成熟的海底地基處理工藝，將在外海筑港及人工島建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]日本國土交通省港灣局監(jiān)修.港灣の施設(shè)の技術(shù)上の基準(zhǔn)·同解說[M].日本港灣協(xié)會(huì)，2007.

[2]日本國土運(yùn)輸省港灣局監(jiān)修.港灣の施設(shè)の技術(shù)上の基準(zhǔn)·同解說[M].日本港灣協(xié)會(huì)，2007.

[3] 河川提防の液狀化對策工法設(shè)計(jì)施工マニュアル（案）第3513號(hào)[R].日本：建設(shè)省土木研究所，1997.