水下淤泥固化樁船研發(fā)與應(yīng)用

王 武

（浙江宏力陽生態(tài)建設(shè)股份有限公司，浙江 寧波 315040）

1 問題的提出

沿海工程經(jīng)過長期大規(guī)模開發(fā)后，目前已經(jīng)步入岸線修復(fù)、局部提升、生態(tài)保護(hù)的階段，對施工方法提出更高的要求。沿海灘涂地基屬軟土地基，具有孔隙率大、壓縮性大、含水率大、滲透系數(shù)小、承載能力差等特點(diǎn)，通過軟基處理使地基基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度、整體性、均一性、抗?jié)B性及耐久性，從而在基礎(chǔ)上可以形成相應(yīng)功能的建筑物以達(dá)到施工的目的。水下軟基處理因其施工的特殊性，對施工工藝與施工設(shè)備提出特殊的要求。水下淤泥固化技術(shù)施工工藝靈活，強(qiáng)度形成周期短，是水下軟基處理的一種有效形式。該技術(shù)通過水下淤泥固化樁船將固化劑噴入土體強(qiáng)制攪拌，經(jīng)過一定時(shí)間，使固化劑與土壤發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度的固化土，從而提高軟土層的承載力，改善土體的壓縮特性、剪切特性、透水特性，可在短期內(nèi)投入使用。該技術(shù)可應(yīng)用于淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂土等不同土壤，適用于潮間帶及浮水工況的施工作業(yè)。根據(jù)多年沿海軟基施工經(jīng)驗(yàn)，通過不同的工程實(shí)際情況，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)水下淤泥固化樁船及施工工藝。該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)成功，對沿海軟基加固技術(shù)及成套技術(shù)裝備的研究提供可遵循的理論與實(shí)踐依據(jù)。

該技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先，關(guān)鍵技術(shù)已獲國家發(fā)明專利授權(quán)，專利名稱為《一種水下軟基礎(chǔ)施工的攪拌樁船》。

2 技術(shù)特點(diǎn)與工藝原理

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

以固化劑作為主要加固材料，處理后固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.5 ～ 2.0 MPa，滿足不同設(shè)計(jì)要求；與類似技術(shù)相比，相同技術(shù)指標(biāo)情況下，費(fèi)用降低約10%；在施工過程中對周圍土體無擾動，施工時(shí)無振動、噪音低，對周圍環(huán)境無污染；該技術(shù)的提出，改變水利、海洋等工程對土石方資源的依賴，對沿海軟基加固技術(shù)、成套技術(shù)裝備的研究提供依據(jù)，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約自然資源。

2.2 工藝原理

水下淤泥固化是通過專用設(shè)備將固化劑噴入土體，經(jīng)過充分?jǐn)嚢璧玫骄鶆蚧旌瞎袒粒瑥亩岣咄馏w的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此淤泥固化設(shè)備必須具備定量注漿、帶壓噴入，固化土充分均勻混合的功能，主要由注漿計(jì)量系統(tǒng)、攪拌噴漿系統(tǒng)、定速升降系統(tǒng)組成。其中攪拌噴漿系統(tǒng)具有攪拌器定速轉(zhuǎn)動與噴漿功能，是樁體成形的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，注漿計(jì)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)將固化劑漿液定量帶壓輸送至攪拌噴漿系統(tǒng)，定速升降系統(tǒng)負(fù)責(zé)將攪拌噴漿系統(tǒng)沿樁長方向定速上下運(yùn)動。在攪拌轉(zhuǎn)度、噴漿量和升降速度匹配的情況下，實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行攪拌、噴漿、升降目的，實(shí)現(xiàn)淤泥固化成樁要求，保證固化材料與土體充分混合粘結(jié)。該施工工藝具有攪拌加旋噴的工藝特點(diǎn)，提高淤泥固化成樁效果。水下淤泥固化樁設(shè)備在水上進(jìn)行施工作業(yè)，要求具有移位、定位、轉(zhuǎn)場航行、抵抗風(fēng)浪潮流的功能。圖1為水下淤泥固化樁船施工示意圖。

圖1 水下淤泥固化樁船施工示意圖

加固材料主要是固化劑，一般由水泥和固結(jié)劑組成。固結(jié)劑能夠充分激活海涂泥自身硅酸鹽礦物質(zhì)單元成份中活性分子，產(chǎn)生固化反應(yīng)，不僅在淤泥顆粒相界面產(chǎn)生牢固結(jié)合，而且能與淤泥顆粒中的活性物質(zhì)反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，集物理與化學(xué)作用于一身的固結(jié)效果，提高泥質(zhì)軟基強(qiáng)度的同時(shí)，具有良好的水穩(wěn)性和耐久性。

3 設(shè)備研發(fā)

按照水下淤泥固化工藝原理，研發(fā)水下淤泥固化樁船做為施工裝備（見圖2），該船采用全變頻技術(shù)，通過PLC將注漿量、攪拌轉(zhuǎn)速、升降速度進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，保證成樁效果，具有設(shè)備自動化、調(diào)節(jié)定量化、操作簡單化等優(yōu)點(diǎn)，配制4臺攪拌器，在動力頭橫梁上一字排開， 4軸同時(shí)作業(yè)實(shí)現(xiàn)4樁同時(shí)成形，使工效得到較大提升。

圖2 水下淤泥固化樁船圖

3.1 注漿計(jì)量系統(tǒng)

根據(jù)處理土質(zhì)特性，確定合理的固化漿液摻和量，因此要求注漿泵具有流量可調(diào)、定量輸出的性能，選用活塞式漿液泵做為注漿泵，該泵為容積式泵，采用變頻電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)流量可調(diào)、定量輸出的技術(shù)要求。由于漿液要求高壓噴出，在攪拌器底部設(shè)置可調(diào)節(jié)孔徑的噴頭，通過調(diào)節(jié)孔徑達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到調(diào)節(jié)方便，運(yùn)行可靠的要求。

3.2 攪拌噴漿系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用4臺攪拌動力頭同時(shí)工作，每臺動力頭需提供40 ～ 60 rpm調(diào)速范圍，以及滿足樁徑與土質(zhì)要求的扭矩輸出，可選用變頻電機(jī)經(jīng)擺線針輪減速器做為動力總成。

3.2.1 攪拌器轉(zhuǎn)速、提升速度與攪拌器結(jié)構(gòu)的匹配

經(jīng)試驗(yàn)得出結(jié)論，要實(shí)現(xiàn)淤泥與固化劑的充分均勻混合，淤泥與固化劑混合物在樁長方向每厘米的攪拌次數(shù)應(yīng)達(dá)到24次以上，施工前經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定最佳攪拌次數(shù)。

攪拌器轉(zhuǎn)速、提升速度的計(jì)算:

式中:N為攪拌軸升降次數(shù)，一般取4次；n為回轉(zhuǎn)速度（r/min）；h為葉片高度（cm）；z為葉片數(shù)量；v為升降速度（cm/min），一般取1 000 ～ 1 300 cm/min。

通過上述經(jīng)驗(yàn)公式，可以設(shè)計(jì)攪拌器結(jié)構(gòu)型式，葉片通常采用2 ～ 4層，每層2片攪拌葉片，葉片高度視情況確定，葉片長度根據(jù)樁徑確定。

3.2.2 攪拌功率的確定

攪拌扭矩T的計(jì)算:

式中:T1為土體對攪拌軸的附著阻力矩（N · m）；T2為攪拌器葉片與土體的摩擦阻力矩（N · m）；T3為攪拌器葉片轉(zhuǎn)動切土?xí)r土體的阻力矩（N · m）。詳細(xì)計(jì)算可參照相關(guān)設(shè)計(jì)手冊。

攪拌功率P的計(jì)算:

式中:η為機(jī)械效率，可取0.7 ～ 0.8。根據(jù)計(jì)算功率，可考慮一定的功率放大系數(shù)。

3.3 升降系統(tǒng)

主要是確定最大提升力與升降速度，可選用變頻電動卷揚(yáng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)提升力與升降速度的輸出。

3.3.1 最大提升力的確定

當(dāng)攪拌器進(jìn)入土層最深處向上提樁時(shí)所產(chǎn)生的力為最大提升力。最大提升力q的計(jì)算:

式中:q1為攪拌機(jī)的自重（kN）；q2為攪拌軸與土體的摩擦阻力（kN）；q3為葉片上堆積的土體重量（kN）。4軸同時(shí)成樁，選用Φ133×8管子為攪拌軸，可以選用120 ～ 160 kN 拉力。

3.3.2 升降速度的確定

升降速度與固化劑摻和量、攪拌次數(shù)有關(guān)，當(dāng)固化劑摻和量、攪拌次數(shù)確定后，可以計(jì)算出升降速度。

3.4 底盤系統(tǒng)

樁機(jī)安裝于大小行走底盤上，可以在雙體船舶中空區(qū)實(shí)現(xiàn)縱向與橫向的移動，移動樁機(jī)可以進(jìn)行連續(xù)打樁作業(yè)，在船舶擱淺時(shí)也可以繼續(xù)施工。移動裝置采用電機(jī)驅(qū)動，通過滾子鏈帶動車輪行走。該種行走裝置定位準(zhǔn)確，操作方便。

3.5 施工平臺系統(tǒng)

采用雙體船舶作為施工平臺，該船舶為雙片體，設(shè)置前后聯(lián)接梁，中間形成中空的施工區(qū)域，船長43.0 m，寬15.0 m，片體寬2.5 m，施工區(qū)為23.0 m×10.0 m，吃水0.80 m，有利于近岸施工作業(yè)。

3.6 生產(chǎn)能力

該船生產(chǎn)能力為40 m3/h，處理樁長為水下15.00 m，樁徑 Φ700 ～ 1 200 mm。

4 施工操作要點(diǎn)

施工操作要點(diǎn)為:

（1）設(shè)備調(diào)試。設(shè)備進(jìn)場后必須先進(jìn)行調(diào)試，滿足正常的施工要求。施工前必須進(jìn)行工藝試樁，以掌握適用于該區(qū)段的成樁數(shù)據(jù)及各種操作技術(shù)參數(shù)。

（2）設(shè)備就位。正式施工作業(yè)前，檢查施工設(shè)備舾裝、輪機(jī)、電氣、液壓、噴攪系統(tǒng)、輸送、攪拌、配料、料罐等系統(tǒng)以及各管路的密封連接情況是否正常，做好必要的調(diào)整工作，排除異常情況后進(jìn)行作業(yè)。

（3）設(shè)備定位。采用GPS、錨機(jī)系統(tǒng)將船體進(jìn)行定位，通過大小底盤的移動調(diào)節(jié)樁機(jī)位置。

（4）下鉆噴攪。啟動攪拌升降動力，攪拌頭沿著導(dǎo)向架向下鉆，邊噴邊攪，嚴(yán)格控制下鉆速度與注漿流量。適時(shí)觀察設(shè)備運(yùn)行及地層變化情況，攪拌頭下鉆至所需深度位置時(shí)，開始提升。

（5）提升噴攪。噴攪下鉆至所需深度，定噴完成后，提升，邊噴邊攪，復(fù)噴復(fù)攪，嚴(yán)格控制提升速度，保證固化劑與土體充分拌和，最后上升至工作基準(zhǔn)面停止噴料。

（6）復(fù)攪。為確保淤泥土層與固化劑攪拌均勻，進(jìn)行二次攪拌不噴料，即下鉆攪拌不噴料與提升攪拌不噴料。

（7）移位。根據(jù)施工順序移至下一樁位。

重復(fù)以上（3）～（7）進(jìn)行循環(huán)施工；若設(shè)備一次定位多次作業(yè)時(shí)，樁機(jī)通過行走大小底盤移至其樁間距設(shè)定的位置點(diǎn)，或船體移至下一工作船位。

（8）清潔。施工段成樁完成后，關(guān)閉施工設(shè)備，在固化攪拌桶中注入適量清水，清洗噴泵、管路、攪拌軸、攪拌頭內(nèi)管線中殘留的漿液，并將附著在設(shè)備上的雜物清理干凈。

（9）質(zhì)量檢測。對完工區(qū)域內(nèi)7 d和28 d齡期的固化土進(jìn)行取芯檢測，測定固化土力學(xué)性能指標(biāo)，包括粘聚力、內(nèi)摩擦角及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，檢測其是否滿足設(shè)計(jì)要求，及時(shí)控制施工工藝，保證施工質(zhì)量。

5 工程實(shí)例

5.1 臺州市游艇小鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)地塊防護(hù)及海岸線修復(fù)工程

由于港池疏浚深，邊坡土質(zhì)差，在船行波、排澇水流及潮流作用下，邊坡不斷受到侵蝕。為保護(hù)農(nóng)業(yè)地塊土地資源，同時(shí)兼顧改善海洋環(huán)境，采用淤泥固化技術(shù)對堤塘、碼頭岸坡進(jìn)行基礎(chǔ)處理。淺層固化滿堂布置，處理深度1.50 m或2.00 m，28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.0 MPa；深層固化梅花型布置，置換率30.7%，處理深度10.00 m，28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1.5 MPa。水下淤泥固化施工見圖3，水下淤泥固化樁開挖效果見圖4。

圖3 水下淤泥固化施工圖

圖4 水下淤泥固化樁開挖效果圖

5.2 岱山縣大衢漁港擴(kuò)建工程淤泥固化項(xiàng)目

本項(xiàng)目位于岱山縣衢山島斗鎮(zhèn)淺海沿岸，將新建及修整漁港漁用岸線總長972.2 m，主要對新建直立式岸線兼具碼頭工程K0+123 ～ K0+536 m以及直立式岸線工程K0+592 ～K0+783 m段采用淤泥固化樁進(jìn)行地基處理的施工工藝。本工程淤泥固化樁直徑為1 000 mm（上下一致）多軸攪拌樁，水下最大處理深度15.00 m。設(shè)計(jì)要求28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值不小于1.0 MPa，最小值不小于0.6 MPa。水下淤泥固化施工見圖5，淤泥固化樁芯樣見圖6。

圖5 水下淤泥固化施工圖

圖6 淤泥固化樁芯樣圖

6 結(jié) 語

水下淤泥固化技術(shù)豐富了水下基礎(chǔ)處理方式，使水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更趨合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活，節(jié)約投資成本，縮短施工周期，還可以改變基礎(chǔ)處理工程對土石方的依賴，節(jié)約砂石資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，踐行科技創(chuàng)新促發(fā)展的理念，值得大力推廣。