王 聰，馮先導

(中交第二航務工程局有限公司，武漢 430040)

1 依托項目

以色列Ashdod港項目位于Ashdod新建Hadarom港。本項目施工范圍包括碼頭、防波堤工程及地基處理工程。防波堤工程主要包括600 m主防波堤延伸段、1 480 m LEE防波堤，如圖1所示。

圖1 海上碎石樁施工區(qū)域Fig.1 Construction area of deep-sea stone column

在防波堤施工前，需要利用振沖碎石樁進行地基處理。主要包括主防波堤600 m地基和LEE防波堤480 m坡腳位置，其中主防波堤水深為21.0～23.3 m，碎石樁處理深度約11.0 m；LEE防波堤的水深為14.0～17.5 m，碎石樁處理深度約19.5 m。

根據技術規(guī)格書要求，碎石樁處理要求達到平面面積置換率為0.13，樁間距要求1.0 m≤S≤2.5 m，按此要求碎石樁采用直徑0.95 m中心距2.5 m的等邊三角形方式布置。經計算，總處理土體約160萬m3，共23 896根碎石樁。

工程區(qū)域海浪主要由涌浪及波浪組成，強涌浪作用比較明顯[1]。由于全年海面多吹向陸風，且持續(xù)時間較長，即使風力不強，也會形成較高涌浪，對施工船舶的定位和作業(yè)造成非常大的影響。根據2011年4月至2014年3月的波浪數據，統(tǒng)計分析得到各月各級有效波高出現(xiàn)的平均頻率，如表1所示。根據統(tǒng)計結果分析可知，滿足通常施工駁船作業(yè)的有效波高在50 cm以下的年平均出現(xiàn)頻率不足30%。此外，工程區(qū)域冬季季風風暴期間波況極為惡劣，最大有效波高可達6 m以上，現(xiàn)場的施工船機設備需要根據天氣預報及時進行撤離避風。

2 自升式平臺及施工工藝

2.1 自升式平臺

本工程前期碎石樁試驗區(qū)[2]施工，采用的是浮式駁船固定履帶吊懸吊振沖器的施工方案。由于受強涌浪的影響，碎石樁試驗區(qū)施工的作業(yè)窗口要求最大有效波高不大于50 cm，滿足條件的作業(yè)時間非常少，施工工效非常低，不能滿足施工工期要求。同時由于涌浪對船舶產生的搖蕩運動，平面位置和施工質量難以控制。因而提出了采用自升式平臺進行碎石樁施工的方案，即自升式平臺+門機吊打+泵送碎石的方案，如圖2所示。

表1 各月各級有效波高出現(xiàn)的平均頻率(%)Tab.1 Average frequency of wave height at each grade every month (%)

圖2 自升式碎石樁平臺Fig.2 Self-elevating platform of stone column

碎石樁平臺是一艘插銷式液壓油缸升降的四腿自升式工程作業(yè)平臺，由平臺主體、樁腿(帶樁靴)、升降系統(tǒng)和碎石樁作業(yè)系統(tǒng)等部分組成。平臺主體平面形狀為長42 m、寬50 m的矩形，在平臺主體的中間開有一長為19 m、寬為27 m的長方形月池。四根圓柱形樁腿外徑為2.5 m，布置在平臺主體前后的左右兩舷，樁靴為正方形，長6.6 m、寬6.6 m。

自升式碎石樁施工平臺集自升式平臺、行車起重機、自動補料系統(tǒng)于一體。一艘平臺可安裝三套碎石樁施工設備，可在舷外側與月池三處同時施工，每兩次移位可實現(xiàn)無縫覆蓋。碎石樁施工時，平臺船體及起重設備抬離水面，克服了強涌浪的影響；平臺上行車懸吊振沖器，通過齒輪實現(xiàn)移動定位，提高了定位精度；振沖器應用空氣壓力和水壓振動成孔；平臺上皮帶機輸送的碎石，依靠壓力倉注入系統(tǒng)把碎石注入到振沖器底部導管尖端的土壤內，該系統(tǒng)可保證連續(xù)供料，從而實現(xiàn)振沖器底部可邊供料邊振沖密實。

2.2 施工工藝

根據碎石樁平臺特點，研發(fā)了與其相配套的碎石樁施工工藝，而且現(xiàn)場實際應用效果較好，顯著節(jié)約了施工工期。碎石樁平臺施工工藝流程主要包括：平臺拖航、平臺定位、石料補充、振沖施工、振沖器檢修、平臺移位等工序。

(1)平臺拖航。平臺入水后，選取合適作業(yè)窗口(Hs≤0.9 m)，將平臺兩套拖索具分別與拖輪連接，并拖航至工作區(qū)域附近。

(2)平臺定位。拖輪將平臺拖至施工區(qū)域后，利用拖輪初步定位；借助船位GPS定位系統(tǒng)，利用錨纜進行精確定位；利用平臺頂升系統(tǒng)，下放樁腿，調整壓載水量，對角樁腿兩兩預壓，達到設計值后，整體抬升平臺，使平臺脫離水面，完成平臺定位。

(3)補料船補料。選擇合適的窗口(Hs≤0.9 m)，碎石補料船行駛至平臺儲料倉側拋錨就位。調整補料船上移動皮帶機高度，使其對準儲料倉進行補料。

(4)振沖施工。在合適的作業(yè)窗口(Hs≤1.5 m)下，利用振沖器起升小車GPS定位系統(tǒng)，移動門架并精確定位振沖器位置。檢查振沖動力系統(tǒng)，啟動振沖器，同時在月池和兩側舷外區(qū)域進行振沖造孔。當振沖器達到設計深度時，將振沖器提升距孔底一定距離后，啟動泵送系統(tǒng)，將碎石泵送至孔底，利用振沖器計量系統(tǒng)，精確控制泵送碎石量，并振沖、密實，達到要求后，再將振沖器提升一定高度，重復上述步驟，直至將單根碎石樁施工完畢。

(5)振沖器檢修。碎石樁施工過程中，如遇振沖器故障或損壞，利用門架行車上輔助吊鉤配合主吊鉤，將振沖器平吊至平臺檢修區(qū)域進行檢修。

(6)平臺移位。單次駐位碎石樁全部施工完畢后，選擇合適作業(yè)窗口(Hs≤0.9 m)，平臺收起樁腿，使平臺浮于水面，利用平臺錨纜移至下一工作位置，繼續(xù)進行碎石樁施工。

3 成樁質量控制措施

3.1 概述

對于振沖碎石樁成樁質量的控制，國內許多學者對所采取的措施已進行了詳細的論述。主要是通過密實電流[3]和留振時間[4]來控制成樁質量，輔助的控制措施包括填料量[5]、加密段長度[6]及樁位偏移[7]等。

圖3 兩種不同技術要求的碎石樁成樁直徑示意圖Fig.3 Sketch of stone column construction diameter with two different technical requirements

本工程碎石樁施工主要技術要求為：(1)置換率(ARR)不小于0.13；(2)樁間距不小于1.0 m，不大于2.5 m；(3)平面及高程誤差在30 cm之內；(4)連續(xù)縮徑高度不能超過1 m。

國內碎石樁成樁質量主要控制參數是密實度，即密實電流，對于不同的土層，碎石樁成樁直徑隨深度是變化的。而本工程主要控制參數為置換率，需嚴格控制碎石樁成樁直徑，要求連續(xù)縮徑高度不能超過1 m，因而對于不同的土層，碎石樁成樁直徑基本一致。兩種不同技術要求的碎石樁成樁直徑示意如圖3所示?；谥脫Q率等控制參數的要求，主要介紹本項目碎石樁成樁質量的控制措施。

3.2 置換率

對于成樁參數置換率不小于0.13，主要通過樁徑、樁間距采取質量控制措施。

碎石樁采用正三角形網格進行布置。碎石樁半徑為r，樁間距為s。置換率的計算示意如圖4所示。

圖4 三角形網格及置換率計算圖示Fig.4 Sketch of triangular mesh and replacement rate calculation

式中：Ac為碎石樁的橫截面積；A為每根碎石樁“單元”占有的總的橫截面積。

因而： 當r=0.475 m；s=2.50 m；置換率ARR=0.131

即當樁間距2.5 m固定時，可以通過成樁直徑判斷是否滿足置換率要求。

碎石樁成樁直徑隨深度的變化，需要通過后處理軟件導出圖像。成樁圖像如圖5所示，根據成樁的平均直徑，可以直觀的判斷出施工的碎石樁是否滿足置換率要求。

3.3 成樁步距

施工中根據碎石體積、壓實系數、振沖次數、每次振沖高度與樁徑之間的關系，換算得到了成樁步距的樁徑控制參數。

施工0.95 m直徑的碎石樁時：每輸送1 m3石料，振沖器上下往復提升的次數為9次；振沖器每次提升1 m，振沖0.86 m，成樁高度為0.14 m；因而每輸送1 m3石料成樁高度為1.26 m，如圖6所示。施工中，嚴格按照成樁步距的控制參數操作，避免了縮頸現(xiàn)象，也保證了成樁樁徑質量。

圖5 成樁直徑隨深度變化圖Fig.5 Construction diameter of stone column variation with depth圖6 成樁步距控制參數示意圖Fig.6 Control parameters sketch of stone column construction step distance

圖7 高程控制示意圖Fig.7 Sketch of elevation control

3.4 平面位置及高程

碎石樁的平面位置，主要通過懸吊振沖器小車頂部的GPS進行定位，如圖10所示，定位精度可以控制在3 cm以內。高程控制，基于自升式平臺和振沖器相對位置的特殊性，采用小車頂GPS+角度傳感器+激光水準儀的測量方案，對樁的標高進行控制。

高程控制措施如下所述(圖7)：(1)振沖器拼裝完成后，在距離振沖器底端合適位置做一個標記，用鋼尺量出其高度HC1；(2)將激光水準儀放置在平臺固定位置，確保其高度保持不變。升降振沖器，讓激光水準儀對準振沖器標記，此時，振沖器相對平臺的位置固定不變；(3)使用全站儀測量振沖器標記處的高程，小車頂GPS可以給出小車頂的高程，兩者差值即振沖器標記距小車頂GPS的高度HC2；(4)HC1和HC2之和為HC，即小車頂GPS距振沖器底端的高度。(5)碎石樁施工時，讓激光水準儀對準振沖器標記，即可根據小車頂GPS高程，換算得到初始時刻振沖器底端的高程；(6)根據角度傳感器測得的鋼絲繩升降的距離，即可得到振沖器底端的實時高程。

表2 碎石樁平臺理論工效與實際工效對比分析表Tab.2 Comparative analysis Table of stone column construction efficiency between theory and practice

4 施工工效

根據項目前期碎石樁試驗區(qū)施工，分析得到以下數據：

(1)主防波堤。主防波堤碎石樁平均樁長約為11 m，每根碎石樁施工時間平均約為35 min，每天有效工作時間按12 h考慮，3套振沖設備單日理論最高成樁數為60根。

(2)LEE防波堤。LEE堤碎石樁平均樁長約為19.5 m，每根碎石樁施工時間平均約為60 min，每天有效工作時間按12 h考慮，3套振沖設備單日理論最高成樁數為36根。

根據試驗區(qū)的基礎數據，對于使用碎石樁平臺施工主防波堤和Lee防波堤的理論工效進行了預測。后期記錄了碎石樁平臺每個月的實際施工情況。在此選取了部分數據，對碎石樁平臺理論施工工效與實際施工工效進行了對比分析，如表2所示。

分析表格中的數據可知，該工程區(qū)域碎石樁平臺實際施工保證率平均值約為0.63，預估的理論施工保證率平均值約為0.70，兩者之間存在一定的差距。對于三個影響因素，作業(yè)工況在有效波高<1.5 m的概率是根據歷年的波浪數據統(tǒng)計分析得出的，不需要進行調整。因而主要調整平臺操作和石料供應的保證率和設備性能保證率。根據對平臺移位、石料供應及設備故障記錄數據的初步分析，設備性能保證率基本維持在0.80。主要原因是強涌浪對平臺移位及石料供應影響較大，導致平臺不能及時移位或者不能及時給平臺儲料倉補料，建議平臺操作和石料供應的保證率取值為0.80。

5 結語

(1)自升式平臺碎石樁施工方案及其相配套的施工工藝，消除了強涌浪對施工作業(yè)平臺的影響，提高了作業(yè)窗口期、施工工效和施工可控性，適用于強涌浪深海海域碎石樁施工；(2)基于置換率等技術要求，系統(tǒng)總結了深海碎石樁施工在成樁直徑、成樁步距、高程等方面的質量控制措施，分析得到的成樁步距、樁徑控制參數為碎石樁施工操作提供了依據；(3)該工程區(qū)域自升式平臺碎石樁實際施工工效保證率約為0.63，設備性能保證率約為0.80，平臺操作和石料供應的保證率約為0.80，可為類似工程提供借鑒。