可調(diào)節(jié)樁機(jī)系統(tǒng)在深層水泥攪拌船的應(yīng)用

劉錦寧，張 寬

（中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州 510230）

引言

DCM（Deep Cement Mixing）即深層水泥攪拌法，是一種地基處理方法，其工作原理是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機(jī)械，就地將軟土和固化劑（水泥漿）強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量，加固體和天然地基形成復(fù)合地基，共同承擔(dān)上部荷載。該施工工藝可以在短時(shí)間內(nèi)得到高強(qiáng)度的改良地基，具有構(gòu)筑物沉降小、抗震性能好、對(duì)周邊環(huán)境的影響小等優(yōu)點(diǎn)。該方法速度快、效率高，同時(shí)對(duì)施工海域的環(huán)境污染小。

為適應(yīng)不同的施工參數(shù)，垂向處理深度可從幾米到四十幾米，水平處理間距可從4 m，4.8 m，6 m中快速切換。

深層水泥攪拌船可調(diào)節(jié)樁架，主要通過對(duì)樁架固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，使固定在A 架上的樁架可以橫向調(diào)節(jié)樁架之間的間隔距離，以適應(yīng)不同的施工參數(shù)要求；對(duì)高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高對(duì)不同海底深度的處理能力。

1 施工工藝

1.1 施工流程

DCM 施工過程如圖1 所示，在確定好施工參數(shù)與定好樁位之后，鉆桿開始下鉆。半自動(dòng)下貫至樁底之后，切換到全自動(dòng)程序，全自動(dòng)程序會(huì)按照設(shè)計(jì)的施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，并根據(jù)設(shè)計(jì)給定的樁頂與樁底，進(jìn)行注漿攪拌。

圖1 DCM 施工作業(yè)流程

深層攪拌船在施工時(shí)，通過處理機(jī)自身重力不斷向下攪拌，當(dāng)觸及到地基強(qiáng)度高的地層后，處理機(jī)開始提升，同時(shí)從前部噴漿口不斷噴出事先按一定配比攪拌好的水泥漿，并通過攪拌翼的攪拌同海底砂土混合均勻，形成加固樁，不斷的循環(huán)往復(fù)施工可以形成海底連續(xù)墻及海底加固地基。而處理機(jī)轉(zhuǎn)桿的長(zhǎng)度決定了對(duì)海底軟基處理的深度[1]。

1.2 樁機(jī)作業(yè)參數(shù)

圖2 為處理機(jī)成樁示意圖。處理機(jī)使用四根轉(zhuǎn)桿組成一簇，一簇的處理面積為4.628 m2，每次三簇樁一起作業(yè)，即每一循環(huán)處理截面面積為13.884 m2。

圖2 處理機(jī)成樁示意

圖3 為樁機(jī)作業(yè)時(shí)，每組樁樁心距，根據(jù)不同的海底軟基處理要求及施工設(shè)計(jì)參數(shù)，樁心距可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為3.6 m 到6 m，每次之調(diào)節(jié)為0.4 m 的倍數(shù)。

圖3 樁機(jī)參數(shù)

2 可調(diào)節(jié)樁機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)打樁船樁架的研發(fā)措施主要有兩種。第一種方案是基于現(xiàn)有打樁船的樁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，第二種是設(shè)計(jì)新型的樁架[3]。打樁船的樁架一般有固定式與全回轉(zhuǎn)式之分。前者只能在艏部打樁作業(yè)，后者既可在艏端打樁作業(yè)，又可在舷部的左右兩舷打樁作業(yè)[4]。可調(diào)節(jié)樁機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)正是在綜合了大部分深層攪拌船樁機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)而來。樁機(jī)系統(tǒng)由A 架，樁架，處理機(jī)，轉(zhuǎn)桿，起重鋼絲繩，滑輪組，樁架底部滑臺(tái)，樁架底部固定裝置，樁架頂部固定裝置，樁架中間固定裝置組成。樁機(jī)系統(tǒng)如圖4 所示。A 架總重約130 t，單個(gè)樁架重約68 t，單個(gè)處理機(jī)系統(tǒng)重約100 t。

圖4 樁架系統(tǒng)

可調(diào)節(jié)樁機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)樁機(jī)在一定范圍內(nèi)垂向與水平橫向的調(diào)節(jié)，垂向調(diào)節(jié)主要調(diào)節(jié)處理機(jī)轉(zhuǎn)桿的長(zhǎng)度，樁架的高度以及A 架的高度。水平橫向調(diào)節(jié)主要通過設(shè)計(jì)的專用樁架固定裝置，來實(shí)現(xiàn)水平橫向移動(dòng)的目標(biāo)。將固定螺栓松開之后，通過設(shè)置臨時(shí)的液壓頂推和葫蘆等裝置使樁架滑動(dòng)，從而改變樁架之的間距，改變樁心距，提高處理機(jī)對(duì)不同軟基處理施工參數(shù)的適應(yīng)性。

2.1 樁架系統(tǒng)固定形式

樁架固定形式如圖5 所示。樁架系統(tǒng)由A 架，樁架，上下鉸接點(diǎn)，樁架底座等部分組成。A 架為固定塔樓式結(jié)構(gòu)形式，底部設(shè)置四個(gè)鉸接點(diǎn)，通過鉸接形式固定在甲板面。其結(jié)構(gòu)形式具有較好的穩(wěn)定性，較好的抗風(fēng)浪能力。頂部設(shè)置橫梁，橫梁上設(shè)置絞座，通過樁架上的特制鉸接結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，再用銷軸鎖死固定。

圖5 樁架固定形式

樁架采用立井式樁架結(jié)構(gòu)，分為幾段進(jìn)行拼裝，樁架與樁架之間采用螺栓固定，樁架與A 架之間采用橫梁上設(shè)置絞座方式固定。底部采用樁架底座，下鉸接，螺栓形式固定。

2.2 垂向調(diào)節(jié)

垂向調(diào)節(jié)主要分為三個(gè)部分，第一個(gè)是A 架結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)；第二個(gè)是樁架結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)；第三個(gè)是處理機(jī)轉(zhuǎn)桿結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)。三個(gè)部分的調(diào)節(jié)根據(jù)具體的施工參數(shù)進(jìn)行確定，調(diào)節(jié)A 架的方式需要整體拆除處理機(jī)系統(tǒng)，樁架，對(duì)頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)A 架的工程量較大，工作作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，需要較大噸位的吊機(jī)配合，同時(shí)，需要較大的堆場(chǎng)存放樁架，轉(zhuǎn)桿，鉆頭等設(shè)備。在施工現(xiàn)場(chǎng)的操作難度較大。

樁架結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)是在A 架垂向高度足夠的情況下，對(duì)樁架加高或者縮短。

處理機(jī)轉(zhuǎn)桿調(diào)節(jié)，主要對(duì)轉(zhuǎn)桿進(jìn)行拆卸與加裝，減少或增加垂向高度，減少設(shè)備磨損，提高施工效率，減少管路采購成本。

1）調(diào)節(jié)A 架

調(diào)節(jié)A架主要是針對(duì)A架的高度限制了處理機(jī)系統(tǒng)的施工作業(yè)，主要體現(xiàn)在處理機(jī)需要對(duì)水面以下的較深軟基的處理，已不能通過增加轉(zhuǎn)桿長(zhǎng)度的方式來解決，需要對(duì)樁架系統(tǒng)進(jìn)行加高調(diào)節(jié)。而樁架最大應(yīng)力區(qū)域主要在垂直支撐梁上，故對(duì)垂直支撐梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，并采用高強(qiáng)度鋼制造[5]。加高A 架需要對(duì)A 架頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加高設(shè)計(jì)加工。加高之后的A 架結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 加高10m 的A 架

加高后的樁架與原樁架采用法蘭連接形式，使用高強(qiáng)度螺栓固定。如圖7 所示。

圖7 A 架法蘭連接局部

調(diào)節(jié)之后的A 架高度能夠多容納10 m 的樁架高度，轉(zhuǎn)桿可以多加長(zhǎng)10 m，對(duì)海底軟基的處理深度能夠再向下擴(kuò)展10 m。作業(yè)能力得到顯著提高，可以適應(yīng)更廣的海域施工，適應(yīng)更多的項(xiàng)目施工。

2）調(diào)節(jié)樁架

樁架法蘭連接如圖8 所示，樁架為多段式立井桁架結(jié)構(gòu)，整個(gè)樁架由三段不同長(zhǎng)度的樁架組成，在樁架中部增加10 m 長(zhǎng)度樁架，中間段上下接頭采用高強(qiáng)度螺栓連接。底部段采用樁架底座與樁架鉸接的形式進(jìn)行連接。

圖8 樁架法蘭連接局部

采用法蘭連接形式的樁架，具有更好的靈活性，可實(shí)現(xiàn)樁架的自由加高，滿足更深海底的軟基處理要求。在淺水海域作業(yè)時(shí)可以拆卸縮短樁架高度，降低船舶重心，提高船舶拖航的穩(wěn)性，以及獲得更好的防風(fēng)性能。

3）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)桿

整個(gè)轉(zhuǎn)桿采用多段不同長(zhǎng)度的短轉(zhuǎn)桿對(duì)接結(jié)構(gòu)，通過6 m，2 m，3.6 m 等不同長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)桿進(jìn)行拼接。每次調(diào)節(jié)可根據(jù)樁架長(zhǎng)度，結(jié)合海底需要處理的軟基參數(shù)，選擇合適長(zhǎng)度的轉(zhuǎn)桿加裝或拆除，將轉(zhuǎn)桿調(diào)節(jié)到最佳長(zhǎng)度。中心桿采用法蘭連接形式，轉(zhuǎn)桿采用鍥形對(duì)接再用銷軸卡位形式。對(duì)轉(zhuǎn)桿的調(diào)節(jié)可以在施工現(xiàn)場(chǎng)，利用船舶自有吊機(jī)進(jìn)行更換。可操作性高，無需大型吊機(jī)進(jìn)場(chǎng)，經(jīng)濟(jì)成本低。極大的提高了DCM 施工船舶對(duì)工程施工參數(shù)的適應(yīng)性。

2.3 水平橫向調(diào)節(jié)

深層水泥攪拌船水平橫向調(diào)節(jié)，主要目的是實(shí)現(xiàn)樁架與處理機(jī)系統(tǒng)的整體橫調(diào)，改變?nèi)_(tái)處理機(jī)之間的間隔距離，以適應(yīng)不同海底地質(zhì)的施工參數(shù)設(shè)計(jì)。可調(diào)節(jié)主要結(jié)構(gòu)由樁架上鉸軸，樁架下底座，滑板，樁架下鉸座組成。樁架上鉸軸結(jié)構(gòu)如圖9 所示，鉸軸為活動(dòng)鉸接軸，作為樁架的固定橫軸，以鉸軸強(qiáng)度滿足使用條件為基本的要素，通過改變銷軸直徑、材質(zhì)等方式達(dá)到要求[2]。樁架在橫移時(shí)，以樁架上鉸接軸的軸向方向進(jìn)行橫調(diào)，鉸接軸起到上下前后四個(gè)方向的定位作用。間距可調(diào)節(jié)范圍在3.6～6 m，每次調(diào)節(jié)距離為0.4 m 的倍數(shù)。

圖9 樁架上鉸接結(jié)構(gòu)

在香港三跑項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)DCM 船樁架進(jìn)行整體水平橫調(diào)，實(shí)現(xiàn)了100 t 樁架及處理機(jī)系統(tǒng)整體橫調(diào)0.8 m，使樁心距從4 m 調(diào)節(jié)為4.8 m。

3 結(jié)語

深層水泥攪拌船可調(diào)節(jié)樁架系統(tǒng)，在DCM 施工船舶得到成功應(yīng)用。在香港三跑項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)約100 t 樁架整體水平橫調(diào)0.8 m，極大的提高了DCM 施工船舶的作業(yè)能力。在深中通道項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)對(duì)樁架系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，加高A 架10 m，加高樁架10 m，加長(zhǎng)處理機(jī)轉(zhuǎn)桿，使得DCM 船舶能夠?qū)崿F(xiàn)最深海底軟基處理高程到達(dá)-41 m，實(shí)現(xiàn)從淺水海域軟基處理向較深海底軟基處理的成功應(yīng)用。