挤密砂桩加固水下软土地基专用设备研制

马振江，张敏赢，刘璐

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

挤密砂桩加固水下软土地基专用设备研制

马振江1，张敏赢2，刘璐3

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032；3.中交三航局工程船舶有限公司，上海 200137）

在已有研究成果的基础上，通过对挤密砂桩加固工艺关键技术和设备的进一步研究，对控制系统设计和设备总成调试等工作，研制开发了新一代水下挤密砂桩专用船，可以进行水面以下66m 深度的挤密砂桩地基加固施工工艺，成桩最大直径可达 2m，复合地基置换率可达 70%。研制开发的设备成功应用于港珠澳大桥岛隧工程地基处理，效果良好。

软弱地基；砂桩船；挤密砂桩；地基处理

0 引言

近年随着交通基础设施工程建设向外海发展，水下地基加固已成为外海工程建设中不可或缺的施工技术。水下挤密砂桩与传统地基处理方法相比具有加固效果明显，快速提高地基承载力，减小工后沉降，推进施工进程等优势[1]。

挤密砂桩技术源自日本，自 2004 年以来，出于国内水运工程建设的需要，三航局等企业通过自主创新，克服国外技术封锁，经过大量的研究与试验，逐步掌握了海上挤密砂桩施工的基本工艺，研制了全套设备，并在洋山深水港试验成功，形成了国内第一代挤密砂桩施工设备[2]。

为了进一步赶超国际先进水平，适应国内交通建设发展的需要，特别是针对港珠澳大桥岛隧工程建设的需要，从 2010 年开始三航局开展了新一代挤密式砂桩船成桩能力和作业控制技术的研究。在已有成果的基础上，通过进一步的研发工作，新造了 3 条砂桩船，船型总长 75m、型宽26m、型深 5.20m，设计吃水 3.0m。新一代挤密砂桩船可进行水面下 66m 深度的挤密砂桩施工，可进行自动、手动两种模式的操作，综合性能达到国际先进水平。

1 关键技术研究

1.1 砂料供给及自动控制

砂料供给系统为砂桩的形成提供原材料，由砂箱、砂料输送带、计量斗、提升斗及进料斗组成，是砂桩成桩的基本要素。为保证成桩效率，必须保证桩管内时刻存有砂料，降低砂料输送系统对成桩效率的影响。通过对控制系统设计及总体协调，优化工艺，提高各设备工作协调性，降低操作人员劳动强度，提高施工效率。

砂料供给系统的一个循环周期主要由以下几部分组成：

通过对砂料输送带电机的选型及砂料输送带在砂桩船的工艺尺寸要求进行了优化设计缩减 T1；通过对计量斗斗门优化设计缩减 T2；提升斗的提升控制选用变频电机，在重斗提升时采用 50 Hz低速运行，在空斗下降时采用 100 Hz高速运行，且为了系统安全考虑，在提升斗启动和停止时均采用斜坡控制加减速过程，斜坡控制斜率可调，在出厂调试时对提升斗的加减速斜率、位置等参数进行优化，降低时间 T3；进料斗采用双导门形式，即在成桩的整个过程中提升斗均可以向进料斗放砂，在回打阶段进料斗均可以向桩管放砂，且无须将桩管内的压缩空气压力释放，节省放气和重新加压的时间，避免桩管底部土压力回入管内，降低时间 T4和 T5。

砂料供给系统的控制包括砂料输送带的启动和停止、计量斗门的打开和关闭、提升斗的上升和下降、提升斗门的打开和关闭、进料斗门的开启和关闭及进料斗内的充气和放气。纯手动操作步骤较多，对操作人员要求高，工作强度大。故在控制系统研发过程中，设计有自动和手动两种操作模式，自动模式下可以实现砂料控制系统的全自动供给，极大地降低了操作人员的劳动强度，且由于控制系统的总体协调性较好，提高了整个砂料供给系统的效率。

1.2 振动锤的选型

进口锤的各种参数和性能优于国产锤，但价格是国产锤的2倍。对两种锤型实际使用和性能参数进行分析，从性价比看，进口锤的优势并不明显，且进口锤对船舶电站能力的要求比较大，后期维修比较困难。综合考虑，选用国产 DZL500振动锤，该锤型主要用于地基改良的挤密砂桩、大型钢管桩的施工作业，具有较大的静偏心力矩、振动振幅和振动加速度，沉桩能力强，作业效率高。该锤采用较低的振动频率，尤其适用于地基加固的挤密砂桩贯入，有利于提高振动锤轴承的使用寿命。采用飞溅加强制润滑方式，结合体外循环冷却，有效提高轴承的润滑和散热效果。润滑油温度实时监控，能有效防止润滑油温度升高，延长振动锤的使用时间。

1.3 桩管与高压注水装置

不同的挤密砂桩工程施工，地质的差异较大，有时会出现砂层或黏土层，造成仅仅依靠振动锤无法实现桩管下沉的情况。根据前期施工经验及研究结果，采取在桩管端部外侧安装喷嘴，引入高压水泵，依靠桩管外部高压注水对桩管周围的砂层或砂土进行扰动破坏，使桩管顺利贯入。经对高压水泵设备调研选型，本次研制的 86m 挤密砂桩船配制的高压水泵性能参数为 50m3/h，水压1.2MPa。因为在该船上配置了较大的振动锤，桩管对一定厚度的砂层具有穿透功能，同时引入高压注水装置，可以顺利地实现桩管的贯入，经港珠澳大桥现场施工验证，达到了预期效果。

1.4 成桩工艺及自动控制

引入雷达式砂面计。在挤密砂桩打设过程中，必须对桩管内的砂量进行检测，保证排出的砂量符合设计要求，避免出现由于下砂量不足造成断桩或者缩径桩的出现，所以桩管内砂量的检测尤为重要。但桩管内的工作环境比较恶劣，里面有高达几公斤的气压和砂料，如装在桩管的内部，极易对砂面测量设备造成损坏，且检测设备与桩管外部的接口也必须保证密封。常规的检测手段为接触式测量：通过重锤测量砂面的高度，其缺点有：要有一套伺服控制系统，价格较为昂贵；重锤需往复运动，测得数据存在间断性；加砂阶段要保证重锤不被砂埋而无法拉出，造成测量系统损坏。因此引入非接触测量方式：采用雷达式砂面计，其测量原理为采用能量很低的极短微波脉冲通过天线系统发射并接收。雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件转换成料位信号，用一种特殊的时间延伸方法可以确保极短时间内稳定和精确的测量，输入容器尺寸将上空距离值转换成与料位成正比的信号。通过对套管长度、套管内最高空气压力、振动体系的频率及加速度和施工要求的测量精度及测量速度等参数的研究，选择合适的雷达式砂面计，并经现场施工长达一个月振动验证，所选型号的雷达波料位计完全能够在套管内恶劣环境下使用，同时测量精度达到1 cm，满足砂桩施工的砂面测量要求，工作效果良好。

引入吨位计。首先通过吨位计测量桩管在下放过程中的受力，根据吨位计的实测值控制系统自动控制桩管下放速度，防止提升桩管的卷扬机钢丝绳下放速度过快，避免钢丝绳松弛引起重达96 t、高度 79.5m 的桩管处于无约束的自由状态，造成安全事故。其次通过吨位计检测拔管的卷扬机拉力大小，控制桩管内外喷嘴产生脉冲式气体、液体干扰桩管下端周围土体，使土体松动，降低拔管力，避免由于拔管力过大造成设备损坏。最后通过吨位计检测施工区域的土层地质情况，且将桩管内的压力控制与桩管深度、吨位计、下砂量建立关系，使压力控制更符合实际要求，保证沉管阶段桩管内排水、排泥符合实际要求，成桩阶段下砂量顺畅。

成桩过程中压力控制共引入了 P1、P2、P3、P4四档压力，其分别与桩管底部的高层、桩管受的土体反力、土体反力的影响系数、下砂量存在有一定的对应关系，并综合了原有的砂桩施工经验，在成桩不同阶段分别采用不用的压力控制方式，且控制系统采集每次成桩时的相关数据，可供研究人员做数据分析和系统优化之用，使控制系统功能不断得以优化提高。

采用先下砂后拔管的控制工艺，并通过设计下砂量与实际下砂量的对比实现自动控制，并根据下砂量的多少控制拔管速度[2]，并在打设管理界面上以曲线方式显示理论下砂量和实际下砂量的对应关系，不仅避免断桩和缩径桩的出现，保证了成桩质量，打设管理人员也可以通过曲线显示实时监控成桩情况，提高挤密式砂桩的质量控制。

1.5 压缩空气系统

挤密砂桩施工中压缩空气的用量非常大，在选择空压机供气量的同时，对砂桩管内部结构和空气排放形式进行研究，最后定为4台电驱动空压机：排 量为 60m3/min，排 出压力 1.2MPa。为连续提供高压空气，特设置 3 个总容积约 250m3的空气瓶，以满足桩管短时间、大容量的耗气需求。空压机安放在船员住舱的后甲板上，储气瓶放置于船舶的前舱内，由管路引至布气平台，通过布气平台的阀门控制每组砂桩管进气排气。

2 控制系统方案确定

2.1 控制系统软、硬件构建方案

控制策略采用集散控制模式，主要有集中控制系统、砂料供给控制系统、提升斗升降绞车控制系统、桩管绞车升降控制系统等组成。由集中控制系统总体协调其他集散控制子系统，系统主要由下列三大模块组成：信号检测元件模块、信号执行元件模块和信号控制模块。信号检测元件模块主要包括：限位开关、压力传感器、编码器、吨位计、雷达测距仪；信号执行元件模块：气动球阀、气缸、电磁阀组、桩管升降绞车电机、提升斗升降绞车电机、振动锤电机、砂料输送带电机、空压机；信号控制模块：PLC、变频器、人机界面、触摸屏。

2.2 控制系统人机界面

考虑到砂桩船上打设操作人员的专业水平，故砂桩施工人机界面分施工管理、集中管理和打设管理三部分。施工管理、集中管理较为复杂的人机界面由施工管理人员进行操作，配备一到两名即可。打设管理人机界面均为提示性操作，简单、友好，具有较强的实用性。

施工管理人机界面主要功能有：制作配桩图、桩管基本参数设置、砂桩基本参数设置、砂桩数据保存、查询和打印等功能。集中管理人机界面如图1所示，主要功能包括：调入施工管理人机界面设定的配桩图、设置三套桩管打设的桩编号及顺序、设置三套桩管打设砂桩时的桩管速度控制、下砂速度控制、桩管内压力控制、端部处理控制等参数。

图1 集中管理人机界面Fig.1 Centralizedmanagementman-machine interface

图2 打设管理界面Fig.2 Management inter face

打设管理界面如图2所示，主要功能包括：显示设定的成桩参数、显示成桩的阶段、显示进气、排气状态、导门的打开、关闭状态；显示下砂量的控制曲线、SL 曲线和 GL 曲线。通过砂桩各种参数的显示和提醒，使操作人员在控制室可以完全掌握砂桩打设过程，降低劳动强度和操作难度，提高砂桩成桩质量。且打设管理界面还包括触摸屏人工干预界面，人工干预界面分为全手动操作模式和砂投入自动运行模式两种干预模式。全手动人工干预模式可以实现对整个自动成桩过程的状态干预，要求操作人员具有较高的砂桩施工工艺知识及操作水平；砂投入自动运行模式可以实现对进气阀、排气阀、内喷嘴、外喷嘴的人工干预。人工干预通过微调压力控制参数实现下砂量的控制，进一步提高了砂桩的成桩质量。

3 系统总成

在已有研发成果的基础上，针对外海工程建设的需要，通过自主创新新造了3条砂桩船。砂桩船最高达 86m，为三联管设计，三联管打桩间距可调，并引入了国产的 500 kW 的振动锤，船上布置有砂料输送系统、砂料提升系统、双导门进料系统、振动锤系统、长66m 的桩管系统、气路系统和施工自动控制系统。挤密砂桩船建造过程中，根据施工工艺和控制系统的需要合理配置各类电气控制元件，设计加工电气柜，同时引入了GPS 测量定位系统，并将 GPS 测量系统获取的潮位与 SCP 挤密砂桩自动控制系统进行数据交换，可以将打桩标高进行实时修订，确保满足设计要求；将整个操作系统分管理操作和打设两部分进行设计，使施工员和管理人员任务明确，管理方便，节省了人力和物力。

4 工程应用情况

港珠澳大桥岛隧工程人工岛钢圆筒外侧岛壁结构采用置换率为 25.6%的挤密砂桩进行加固，提高加固土体的承载力，减少岛外侧抛石堤的沉降，对人工岛的稳定性起着非常重要的作用。东人工岛挤密砂桩用砂方量约 35.42 万 m3。隧道过渡段分别采用置换率为 70%、60%、50%、41%的挤密砂桩进行加固，以消除施工期沉降，减小次固结沉降，从而降低隧道过渡段的不均匀沉降，东人工岛隧道过渡段共计用砂 29.83 万 m3。为保证施工质量，每施工 1 000 根桩进行标贯抽样检测2根，检测结果表明均满足设计要求。

通过港珠澳工程施工验证了新一代砂桩船的施工工艺及参数适合本工程地质和工况条件，可高效进行挤密砂桩施工；且通过操作控制系统监控和选样标贯检测，证明新造的挤密砂桩船可以保证砂桩施工质量。

5 结语

新建的 3艘86m高挤密砂桩船及施工作业自动化系统，可以适用砂质地基、黏土地基以及其他复合地基，可实施排水砂桩 （SD 工法）、挤密砂桩 （SCP 工法）、排水碎石桩 （GD 工法） 以及挤密碎石桩 （GCP工法） 等多种工艺。具有自动化（拥有人工干预功能）和手动两种打桩模式，在施工时通过监检 SL、GL 和吨位计等确保砂桩成桩质量。通过自动化高效实现桩管下降、贯入、着底、端部处理、拉拔、回打、引上整个施工流程[3]，降低了施工和管理人员操作强度， 可实现水下 66m深度的挤密砂桩地基处理施工，成桩最大直径可达 2m，复合地基置换率可达 70%，综合施工能力及技术水平达到国际先进水平。

[1]MASAKIKITAZUME.Thesand compaction pilemethod[M].Japan：Taylor&Francis Ltd.，2005.

[2]汪飞.洋山深水港区四期工程砂桩施工技术[J].中国港湾建设，2010（2）：55-57. WANG Fei.Construction technology of sand piles in the fourth phase of Yangshan deepwater harbor[J].China Harbour Engineering，2010（2）：55-57.

[3]地质工学会.挤密砂桩设计与施工[M].日本：地质工学会，2009. Geotechnical Society.Design and construction of sand compaction pile[M].Japan：Geotechnical Society，2009.

Research and developm ent of com paction sand pile treatment equipm ent of soft foundation

MA Zhen-jiang1，ZHANGMin-ying2，LIU Lu3
（1.CCCCShanghaiThird Traffic Science Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；2.CCCCThird Harbor Engineering Co.，Ltd.，Shanghai200032，China；3.CCCCEngineering VesselCo.，Ltd.ofTHEC，Shanghai200137，China）

Based on the existing research results， compaction sand pile ships are successfully developed through further research on the key compaction technology，key equipmentselection，control system design and equipmentassembly debugging. The ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m under water to improve the production process， the pile diameter can reach 2m and the rep lacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Moreover，the equipment wassuccessfully applied to the tunnelengineering foundation treatmentofHong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island and theeffectwasgood.

soft foundation；sand pile ship；compaction sand pile；foundation treatment

U655.32

C

1003-3688（2014）01-0070-05

10.7640/zggw js201401014

2013-06-03

国家科技支撑计划项目 （2011BAG07B002）

马振江 （1978 — ），男，河南濮阳人，工程师，工艺自动化设计研究所工艺所所长，从事港口工程工艺及机电一体化设备研究。E-mail：mazhenjiang1978@163.com