低凈空條件下海上振沖碎石樁施工新技術及應用

蘇巖松，胡偉明

（中國港灣工程有限責任公司，北京100027）

引言

干法底部出料振沖碎石樁最早于1970 年起源于德國，我國在2 000 年后開始逐步引進這項技術。通過不斷迭代升級，這項技術已經得到了廣泛的應用，耿光宏[1]、陳健[2]、張金[3]等對該工藝方法已經進行了較為深入的探討和研究。本文結合港珠澳大橋香港口岸人工島低凈空施工條件，討論了振沖碎石樁伸縮管施工技術和相應裝備，并對其施工效率進行了分析比較。

1 工程概況

港珠澳大橋香港口岸人工島（HKBCF）是港珠澳大橋香港連接線的一個重要組成部分，位于香港國際機場東北海面，經過香港赤臘角國際機場連接屯門及大嶼山，海堤總長度為6 296 m，占地面積為149.69 萬m2。該人工島主要用作旅客及貨物過關的設施。人工島島壁地基加固技術采用海上底部出料振沖碎石樁施工工藝，上部采用格型鋼板樁形成剛性島壁。

圖1 港珠澳大橋香港口岸與香港機場相對位置示意圖Fig.1 Location of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB) Hong Kong Boundary Crossing Facilities (HKBCF) and Hong Kong Airport (HKIA)

1.1 工程地質條件

本項目典型的地質條件如下：

1）海相沉積層

非常軟至軟，淺灰色、灰色，局部略含砂，粘土質淤泥，偶見貝殼。該層厚度約10～22 m；

2）粘土沖積層

堅固至堅硬，淺灰～深灰色，淤泥質粘土，粘土質淤泥，該層頂標高一般在-20 m 左右。中間夾中砂至粗砂，一般深度在-29 m，厚度0.5～2 m。

表1 場地土體力學參數Tab.1 Mechanical parameters of site soils

1.2 水文條件

施工海域平均海面高程1.2 m，漲潮時平均高水位為2.1 m，退朝時平均低水位為0.3 m。正常情況下波浪主要風產生，浪高0.8～1.0 m，波浪周期2～3 s；極端情況下波浪主要由颶風產生，浪高2.5～3 m，波浪周期3～4 s，極端條件下所有海上施工作業需要停止并執行防護措施。

1.3 機場高度限制（低凈空）條件

項目建設期間，尤其是港珠澳大橋香港口岸的區域 A、B、C 以及區域5、6、7、8 區域，香港國際機場的高度限制十分明顯，如圖2，在該區域內作業的施工設備必須滿足機場高度限制條件并接受報警系統管理。

圖2 港珠澳大橋香港口岸機場高度限制AHR 示意圖Fig.2 Diagram of Airport Height Restriction AHR for HZMB Hong Kong Boundary Crossing Facilities

2 施工技術創新

2.1 工程特點

1）工程規模巨大，屬同類工程第一

本項目實施碎石樁超過4.3 萬根，約129 萬延米，尤其是低凈空區域內的碎石樁數量達到總工程量的35 %；

2）工程地質條件特殊

設身處地為游客著想，明確鄉村旅游的真正目的與意義。其中首要任務是健全基礎設施，保障游客基本的安全與衛生要求。通過采訪、問卷的形式了解周邊地區游客的需求，從而有針對性地開展活動和提供服務，提高游客滿意度和市場美譽度。此外，還應挖掘鄉村旅游的潛在市場，如聯系周邊城市中小學，共同開展農事體驗、農業知識科普活動。

項目所處位置的特殊性，其珠江出?？诘奶厥怙柡陀倌?、淤泥質地質條件（不排水抗剪強度小于20 kPa），常規頂部出料振沖碎石樁工藝難以達到設計要求，必須采用新型干法底部出料振沖碎石樁技術及裝備；

3）工程建造環境極為復雜

水域附近涉及白海豚保護，施工水域水質高標準要求、噪聲控制、空氣污染、海航線限制等等要求均十分嚴格；

4）機場高度限制條件

由于機場附近高度限制的原因，導致常規底部出料振沖碎石樁設備高度受到凈空高度限制。

要完成設計所要求的的地基加固深度目標，必須尋求一種新型的底部出料振沖碎石樁施工新技術，以適應碎石樁施工深度、施工質量的需要。

2.2 低凈空條件下的新裝備及施工方法開發

由于項目受低凈空條件限制，根據具體施工位置的不同，需將施工設備頂部高程控制在+25 mPD～ +60 mPD 以下，考慮高潮時海平面平均水位高度以及雙鎖壓力倉、船體干舷等配套設備尺寸，經計算，桅桿的最大吊高分別為19.7～34.7 m 不等，均小于對應區域振沖碎石樁的設計長度，尤其是在區域5，樁長最長超過了36 m。本文所述的伸縮管設備可實現底部出料振沖碎石樁最大樁長36.5 m，伸縮導桿長度可達到42.5 m（含水深），這樣既未超出香港機場高度限制條件，又能按設計要求完成既定超長深度的振沖碎石樁。這種在振動環境下的機械式內外管伸縮連接以及密封技術在全世界范圍內屬于首創。

該項新技術需要兩個部分組成，第一是振沖碎石樁船起重A 架以及桅桿立柱系統，如圖3、圖4，可根據低凈空限制的高度進行組合配置，第二是懸掛的底部出料振沖器系統，如圖5，可根據低凈空高度限制的條件進行內外雙管伸縮管長度的配置，以滿足不同設計深度要求以及高度限制的雙重要求。

圖3 無限高條件下打樁船結構示意圖（立柱高度42.5 m）Fig.3 Piling Vessel Structure Under Infinite Height Condition(Column Height 42.5 Meters)

圖4 低凈空條件下打樁船結構示意圖（立柱高度21.5 m）Fig.4 Pile Driving Vessel Structure Under Low Headroom Conditions(Column Height 42.5 Meters)

圖5 底部出料振沖器伸縮管結構示意圖Fig.5 Telescopic Tube Structure for Bottom Feed Vibroflot

新型的底部出料配套干法振沖施工設備以及可調節高度的打樁船等相應工藝為項目的順利實施創造了可能性，并獲得了良好的經濟效益和社會效益。

2.3 低凈空條件下伸縮管配置和施工工藝流程

根據表2 中的低凈空高度限制條件、設計深度要求以及現有設備高度情況，確定新型的伸縮管振沖碎石樁施工所需要配置的內管長度為6.6 m 至15.6 m 長。在振沖碎石樁施工過程中，內管完全伸出時方能既滿足低凈空作業限制條件，也滿足振沖碎石樁設計處理深度的要求，同時內外管雙管伸縮結構之間密封均能滿足干法底部出料振沖碎石樁施工工法的基本需要。

表2 低凈空條件下底部出料振沖碎石樁設計深度及伸縮管長度配置表Tab.2 Design Depth and telescopic Pipe Length Configurations for Bottom Outfeed Vibro Stone Columns under Low Headroom Conditions

低凈空條件下伸縮管底部出料碎石樁施工的工藝流程如圖6 所示。

圖6 低凈空條件下伸縮料管施工工藝流程圖Fig.6 Process Flow of Telescopic Material Pipe Construction Under Low Headroom Conditions

2.4 低凈空條件下伸縮管施工的環保價值

在低凈空的限高區域，采用伸縮管施工工藝確保了干法底部出料振沖碎石樁的成功實施，避免了其他諸如疏浚開挖等傳統海床清淤處理方式的發生，伸縮管施工對于原狀土的擾動最小，并且干法底部出料振沖碎石樁可精準投料至地層各深度范圍內，樁體連續、干凈、不夾泥，形成透水性好的排水通道，加速樁間土的排水固接，尤其施工過程不會產生泥漿，利于海洋環保。

3 施工效率分析及質量檢查

3.1 施工效率分析與比較

根據施工過程統計分析，低凈空條件下的底部出料振沖碎石樁較無機場高度限制區域單延米施工效率是有所降低的，降低時間為振沖器造孔過程中的伸縮管伸出時間，以及振沖器加密至伸縮管位置時候的縮回時間。以伸縮管內管長度12 m 為例，采用該新型伸縮管技術的伸出、縮回時間分別為 8 min 以及12 min，合計效率降低單樁時間為 20 min。

雖然采用伸縮管底部處理碎石樁施工工藝較常規設備時間略有增加，但是采用的伸縮管裝備及工藝作為一種新的施工裝備及施工方法，為低凈空條件下干法底部出料振沖碎石樁的施工開辟了另一條可行的路徑，將干法底部出料工法成功的應用在本項目的所有施工區域，為低凈空區域地基處理的實施起到了一個關鍵的作用，避免了低凈空條件下再單獨組織疏浚開挖等傳統方式的海床清淤方案。因此，施工效率方面較其他的處理方案具有非常大的優勢。

3.2 施工質量保證

本文底部出料振沖碎石樁施工過程中采用的新型施工全過程質量管理系統，如圖7 所示。隨著深度變化，左側曲線反映在成樁過程中每延米的碎石用量和設備電流，同時可推算出樁長深度范圍內的每延米振沖碎石樁直徑，如右側陰影部分所示的碎石樁樁徑圖。

圖7 典型施工過程質量記錄表Fig.7 Quality Control Record in Construction Process

在振沖器施工過程中對施工過程的GPS 定位、深度、時間、氣壓、垂直度、電流、電壓、提升段以及管內料位進行實時監測，并通過人機交互實現了半自動打樁功能。單根碎石樁施工完成后可形成獨立報告，包括深度-時間函數曲線、深度-電流函數曲線、深度-傾角函數曲線填料量-深度函數曲線以及深度-氣壓函數曲線等各類函數曲線，并由此推算出每一米長度范圍的振沖碎石樁直徑以及計算樁體壓實系數。

4 結語

隨著科學技術的發展，建筑工程技術領域也隨著時代的進步，信息化的發展，各類新型的施工技術、工藝及方法層出不窮。也正是這些新型技術的開發和出現，使得工程項目建設過程中遇到的因為各類外界環境限制，諸如低凈空條件下的作業空間限制，采用伸縮管進行底部出料振沖碎石樁施工使得在限高條件下開展大深度地基加固施工作業成為了可能。

這項低凈空條件下的伸縮管施工新技術，無論從振沖碎石樁施工效率、還是施工質量等諸多方面均能夠很好的滿足各方要求，經中國施工企業協會以及中交水運工程協會的有關專家鑒定，形成如下結論：

1）自主研發的新型全自動（控）雙鎖壓力倉儲-供料系統，實現了連續底部供料成樁，可全自動數據采集和質量控制，打破了國外同類產品的技術壟斷；

2）研發的可伸縮的水下成孔和連續供料管系統，解決了高度限制條件下的海上施工作業難題，保證了工程順利實施；

3）創新了海上底部出料振沖碎石樁施工技術，開發了自動化施工監控系統，實現了全過程的施工質量控制，保證了海上振沖碎石樁的施工質量、精度；

4）采用世界先進的干法底部出料振沖裝備，特別是擁有專利技術的雙鎖壓力倉結構送料系統，使不排水抗剪強度小于20 kPa 的土層可成功應用振沖碎石樁工藝。