基于深层搅拌工法的海上基础加固施工设备
2019-07-10谢继伟
谢继伟
（中铁工程机械研究设计院有限公司，湖北 武汉 430066）
0 引 言
随着内陆可用土地资源日益减少，我国部分重大基础工程的建设已逐步从陆地转移到沿海，尤其是近年来为保护领海主权和推进海洋发展战略，我国加大了对沿海港口码头、防波堤、护岸和人工岛围海造地等海上工程的规划与建设。此外，我国长江流域的港口码头和护岸等大量原有沿岸工程的水下基础也需加固维护。这些海上工程及其配套的辅助工程都需进行水下软质地基加固，对水下基础加固设备形成了持续性、规模性的市场需求。但是，目前我国的水下基础加固施工工法及配套的施工装备技术相对比较落后，主要还是采用传统的成桩法、注浆法和开挖回填等施工方法，加固施工主要依靠船用挖机、桩机和搭建的设备临时工作平台等配合进行，存在单次加固面积小、施工效率低和施工成本高等不足。现有的施工设备和加固方法已成为制约我国海上资源开发和海上工程建设发展的重要因素。
1 深层搅拌工法
深层搅拌（Deep Cement Continuous Mixing, DCCM）工法的原理是以水泥为主固化剂，通过钻搅机械就地对水泥固化剂和软质地基进行强制搅拌，使水泥和地基土等产生一系列物理反应和化学反应，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固基础[1-2]。对于水下需深层密实、加固处理区域大和承载能力小的基础加固来说，DCCM 工法是世界上公认的软质地基加固的最佳工法，已在很多国家得到广泛应用。DCCM工法作为一种无污染、无振动、高效经济的施工方法，在当前环境保护要求日益严格的情况下，已成为各国施工技术发展的必然需求，其经济性和可靠性已得到国内外大量实际工程的验证[2-3]。水泥搅拌加固技术已在我国陆上工程的地基加固处理中得到广泛应用，但因海上的施工环境和条件不同于陆地，在机械设备上集成和实现该技术难度较大，目前还没有在海上投入应用。
2 研究介绍
研究一种以工程船为载体，采用 DCCM 工法，用于对海上软质地基进行加固处理的专用施工设备，已成为我国海上基础施工装备领域急需突破的技术瓶颈。该设备研制成功之后，能更好地服务于我国沿海及远海开发建设，维护我国的海洋权益，有着广阔的市场前景。中铁工程机械研究设计院根据多年来在桩工机械和船用桩机领域积累的设计经验，采用深层搅拌加固技术研发一种以工程船为载体，满足船舶与海上设备设计规范[4]要求，专用于水下基础加固处理的施工机械设备。
2.1 总体设计技术
该设备主要由桩架系统、钻进搅拌系统、提升系统、施工管理系统和浆液制造及输送系统组成。设备的加固处理深度大、一次搅拌成桩数量多，具有成桩离散度可调的功能，不仅能对水下基础形成间距可调的离散搅拌桩加固，而且可形成水下连续水泥土墙以承受载荷或隔水。设备总体设计图见图 1，主要技术参数见表1。
图1 设备总体设计图
表1 设备主要技术参数
2.2 关键技术
2.2.1 桩架系统
设备的桩架系统采用3幅桩架横向并行布置的设计，每幅桩架上安装1套可沿导轨上下滑移的钻进搅拌装置和泥浆输送系统，中间桩架的位置固定，两侧桩架相对于中间桩架的横向距离可调，调节距离为0～2400mm（见图2）。该设计能实现成桩的离散度可调，不仅满足对水下地基离散成桩加固的要求，而且能实现连续成墙加固。
图2 桩架布置图
2.2.2 钻进搅拌系统
钻搅设备采用4轴1喷设计，其中：4根搅钻轴承采用正方形四角点布置方式，与钻杆连接；加固剂喷口布置在中心，与输浆管连接（见图 3）。 钻杆具有螺旋钻进翼与搅拌翼相间设置的特点，可根据不同的地质和成桩要求，选择与之相适应的强度、直径和长度等钻杆参数，钻杆最大扭矩为 60kN·m，最大成孔直径为φ1300mm，单次处理面积为4.8m2，最大钻进深度为水下45m。
2.2.3 工作选择模式
该设备设有3套钻进搅拌处理系统，每幅钻进搅拌处理系统都设有4根钻搅轴，钻杆搅拌翼和钻进翼布置见图4。该设备最多可实现3幅钻进搅拌系统的12根钻杆同时工作，也可实现单幅或其中2幅钻进搅拌系统组合施工，且每幅钻进搅拌系统的搅拌翼的直径可根据成桩厚度进行增减。多样化的工作选择模式增强了该设备的适应性和灵活性，提升了施工效率和经济性。
2.2.4 提升系统
每套钻搅设备对应2组提升系统（见图5），即主提升系统和辅助提升系统，其中：主提升系统用于实现钻搅装置的贯入和上拔，钻搅装置可通过提升系统沿桩架导轨实现垂直升降；辅助提升系统用于更换或加长钻杆。
2.2.5 施工管理系统
施工管理系统是DCCM处理系统的指挥控制中心，以各类传感器、工业电脑和可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）为核心，通过软件控制程序对施工参数进行设定和控制，用显示器实时显示施工参数和制供浆系统的运行情况，具有对施工数据进行记录、保存和打印等功能，供用户对加固的过程和质量进行分析。
图3 钻搅设备
图4 钻杆搅拌翼和钻进翼布置
图5 提升系统
3 成果应用
上述研究成果已获得国家发明专利[5]，并在“四航固基”号深层水泥搅拌船（图6）上得到成功应用。该船为国内首台基于DCCM工法、采用三桩架处理系统的搅拌船，交付之后完成了香港大屿山机场海域和香港机场第三跑道扩建围海造地的软基处理工程施工建设，各项性能均达到了设计指标的要求。
图6 “四航基固”号深层水泥搅拌船
4 结 语
与传统的海上软质地基加固方法相比，水泥深层搅拌加固技术不会显著改变海底的动力特性，不会造成环境污染；所形成基础的强度、整体性和抗震性非常好，特别适用于对差异沉降和工后残余沉降、抗震性要求较高的工程项目。基于DCCM工法的海上加固处理设备不仅能满足当前对海上软质基础加固的迫切需求，而且将是未来海上基础加固处理的必然趋势；同时，其设计原理可用于水下及陆地污染区域的土壤改良，技术成果能更好地服务于我国海上工程建设，并将带来显著的经济效益和社会效益。
