簡析深海碎石樁底部喂料法振沖設備

王 聰，華曉濤

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北 武漢 430040）

引 言

示例項目振沖碎石樁地基處理，為以色列Ashdod港 Hadarom港區主防波堤 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，平均處理深度約11 m；LEE防波堤的水深為-14～-17.5 m，平均處理深度約19.5 m，位置如圖1所示。

碎石樁施工方法主要分為沉管法和振沖法，如圖2所示。沉管法是在鋼（套）管頂部安裝振動錘，底部設有活瓣鋼樁靴[1]或變向外雙開平型合頁門[2]，在振動錘的激振力作用下，把鋼（套）管打入到設計高程。沉管法穿透力較弱，適用于松散液化砂土及粉土地基；振沖法[3]是在振沖器底部設有振沖頭，依靠振沖頭內部的電機帶動偏心塊，使振沖器產生高強振動，同時依靠高壓水流，在邊振邊沖的共同作用下將振沖器沉入到設計高程。振沖法穿透力較強，適用于黏性土、砂土地基。

圖1 海上振沖碎石樁施工區域示意

圖2 碎石樁施工方法

碎石樁振沖成樁工藝主要包括頂部喂料法和底部喂料法，如圖3所示。頂部喂料法是振沖器在軟弱地基中成孔后，從孔口填入足夠量的碎石等填料，其適用于陸上及淺水區域；底部喂料法[4]是振沖器在軟弱地基中成孔后，振沖器內部的輸送系統把碎石輸送至振沖器底部，實現邊供料邊振沖，該方法廣泛應用于水上碎石樁施工。本項目采用的是底部喂料法的振沖工藝。

圖3 振沖成樁工藝示意

1 振沖設備簡介

振沖設備主要包括振沖器、碎石泵、碎石水泵、潛水泵、射水泵、發電機、空壓機、液壓動力站、空氣水總管、數據記錄儀、軟啟動器及配電柜等。

1.1 振沖器

振沖器包括振沖頭、連接件、筒倉管、接收罐和接收料斗等。

振沖頭長度約為3.6 m，連接件長度約為1.7 m，接收罐至吊耳距離約為7 m，筒倉管長度根據碎石樁最大長度確定。本項目碎石樁最大長度約為19 m，筒倉管長度定為14.9 m。

碎石輸送設備主要包括潛水泵、碎石水泵和碎石泵。

潛水泵的功能是為碎石水泵供水；碎石泵主要用于石料儲存和計量，其包括碎石料斗和碎石罐，兩者中間為液壓油缸控制開啟和閉合的斗門；碎石水泵的功能是通過離心作用產生高壓水，把碎石泵中的碎石通過碎石管輸送至振沖器接收料斗中。

潛水泵額定功率43 kW，揚程33 m，額定流量680 m3/h，水力輸送壓力為3 bar；碎石水泵的功率約為89 kW，流量為550 m3/h，轉速為1 480 r/min。

1.2 配套控制設備

配套控制設備主要包括發電機、數據記錄儀、空壓機、射水泵、液壓動力站、軟啟動器。

1）發電機

發電機主要為振沖頭、碎石水泵、潛水泵、射水泵等提供電能，其功率需要綜合考慮各用電設備的功率，主要考慮振沖頭正常工作和峰值情況。發電機功率一般根據振沖頭峰值工作狀態下各振沖設備總功率進行選擇。

2）數據記錄儀

數據記錄儀，用于設置控制振沖施工的各種參數，例如振沖器底端初始高程、碎石樁編號等。施工中指導操作手進行振沖操作，可以實時顯示高程、電流、傾斜度、各部位的水壓及空壓等參數，圖4。

圖4 數據記錄儀

3）其它控制設備

空壓機主要為振沖器和碎石泵提供空氣壓力，其工作壓力12 bar，空氣流量500 cu.ft/min；射水泵為振沖器成孔提供高壓水流，其額定功率90 kW，額定流量120 m3/h，頻率50 Hz，出水口壓力約為3 bar；液壓動力站控制液壓斗門開合，其功率約為5 kW，液壓壓力高達200 bar；軟啟動器為振沖頭啟關控制和保護裝置，連接振沖頭和發電機。

1.3 壓力倉注入系統

壓力倉注入系統，是海上碎石樁施工底部喂料工藝的關鍵環節，其流程如圖5。

料斗中的碎石，應用空氣（水）泵通過直徑6英寸的碎石管，輸送碎石至振沖器頂部儲料倉；接收罐頂部的密封門能將碎石鎖在接收罐，并將其形成高壓狀態（2～6 bar）；應用空氣（水力）輸送壓力通過接收罐、筒倉管和導管組成的連通室，把碎石注入在振沖器導管尖端的土壤內。該系統可保證連續供料，從而實現振沖器底部可邊供料邊振沖。

圖5 壓力倉注入系統

2 浮式駁船振沖設備

2.1 振沖設備布置

表1 試驗區碎石樁施工設備

碎石樁試驗區施工采用的是浮式駁船固定履帶吊懸吊振沖器的方案[5]，振沖設備完成陸上拼裝后，需要在駁船上合理布置并連接管線。對于浮式駁船，因為僅布置一套振沖設備，空間比較大，各個設備維修空間是次要的考慮因素；振沖設備布置主要考慮各個設備連接相匹配的原則。

1）碎石輸送設備，需要根據連接順序合理的布置在一起；2）發電機、軟啟動器、空壓機需要遠離可能噴水的設備；3）碎石管、水管、空氣管、液壓管、電纜五種管線要綜合考慮連接及走線布置，尤其是碎石樁要考慮吊車和碎石泵的相對位置，盡可能的減少碎石管的長度。

根據現場實際情況，試驗區碎石樁施工使用的相關設備如表1所示。

現場浮式駁船各個振沖設備布置如圖6。

圖6 浮式駁船各個振沖設備布置示意

2.2 振沖頭比選

根據碎石樁施工區域地勘資料，試驗C區在地質孔DHV 036附近，主要穿過表層密實砂層，下部致密砂層，如圖7所示。其中下部致密砂層局部標貫擊數超過 50擊，施工難度較大。本項目根據地質情況，選用了兩種常用的振沖頭，并通過試驗比較兩種振沖頭穿透硬層的能力。兩種振沖頭參數如表2。

圖7 試驗C區地層剖面

表2 振沖頭參數

根據現場施工數據，選取了C區其中一組試驗數據，兩種振沖頭成樁圖像如圖8所示，該圖像展示了振沖頭成樁深度和電流隨時間的變化。碎石樁設計底高程為-33 m，根據試驗結果可知，B36振沖頭成孔深度約為-30 m，此時電流達到380 A，不能達到設計高程；B27振沖頭成孔深度達到設計高程-33 m，電流達到200 A。因而當遇到硬土層時，B27比B36的穿透能力更強。經過分析其原因主要為：雖然 B36振沖頭具有更高的能量和激振力，但是B27振沖頭相對截面更小，穿越該硬層時，截面阻力相對于能量占主導因素。根據此試驗結果，本項目最終確定采用B27振沖頭。

圖8 振沖頭成樁圖像

3 自升式平臺振沖設備布置

3.1 設備布置考慮因素

碎石樁正式施工，采用自升式平臺+門機吊打的施工方案[6]。自升式平臺甲板尺寸為50 m×42 m，中間月池尺寸為27 m×19 m。平臺甲板上需要布置三套振沖設備，同時需考慮皮帶機、儲料倉等配套設備。根據初始設計，自升式平臺各個布置區域劃分如圖9所示。

圖9 自升式平臺各個布置區域劃分

由于平臺相對空間有限，振沖設備布置需要綜合考慮各個設備所需要的維修空間和管線布置。

3.2 振沖設備布置

表3 各個振沖設備所需要的維修空間

圖10 自升式平臺振沖設備布置示意

各個振沖設備所需要的維修空間如表3和圖10所示。對于振沖器，其長度為27.2 m，因而首要考慮振沖器拼裝和維修區域；其次需要考慮碎石泵、皮帶機供料下料口以及振沖器的相對位置，從而確定碎石水泵、潛水泵的位置；發電機、空壓機、射水泵及其它配套設備，考慮管線位置因素，確定各自位置。

4 結 語

1）依托以色列Ashdod港項目深海碎石樁施工所采用的底部喂料法成樁工藝，總結介紹了各個振沖設備的基本功能及其參數，以及發電機規格型號的選取原則；

2）試驗區碎石樁施工所采用的浮式駁船方案，振沖設備布置主要考慮各個設備連接相匹配的問題。根據試樁施工數據，得出對于本項目地質B27振沖頭穿透硬層能力比B36更強，具體選用時需綜合考慮振沖頭能量和橫截面積對成孔阻力的比重；

3）采用自升式平臺門機吊打的碎石樁施工方案，對于三套振沖設備的布置，需綜合考慮各個振沖設備的維修空間和連接相匹配的問題，重點需要合理考慮各個振沖設備的維修空間。