水下淤泥固化桩船研发与应用

2019-10-14王武

浙江水利科技 2019年5期

王武

（浙江宏力阳生态建设股份有限公司，浙江宁波 315040）

1 问题的提出

沿海工程经过长期大规模开发后，目前已经步入岸线修复、局部提升、生态保护的阶段，对施工方法提出更高的要求。沿海滩涂地基属软土地基，具有孔隙率大、压缩性大、含水率大、渗透系数小、承载能力差等特点，通过软基处理使地基基础具有足够的强度、整体性、均一性、抗渗性及耐久性，从而在基础上可以形成相应功能的建筑物以达到施工的目的。水下软基处理因其施工的特殊性，对施工工艺与施工设备提出特殊的要求。水下淤泥固化技术施工工艺灵活，强度形成周期短，是水下软基处理的一种有效形式。该技术通过水下淤泥固化桩船将固化剂喷入土体强制搅拌，经过一定时间，使固化剂与土壤发生一系列物理化学反应，形成具有一定强度的固化土，从而提高软土层的承载力，改善土体的压缩特性、剪切特性、透水特性，可在短期内投入使用。该技术可应用于淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、粉砂土等不同土壤，适用于潮间带及浮水工况的施工作业。根据多年沿海软基施工经验，通过不同的工程实际情况，进行关键技术创新，研发水下淤泥固化桩船及施工工艺。该项技术的研发成功，对沿海软基加固技术及成套技术装备的研究提供可遵循的理论与实践依据。

该技术国内领先，关键技术已获国家发明专利授权，专利名称为《一种水下软基础施工的搅拌桩船》。

2 技术特点与工艺原理

2.1 技术特点

以固化剂作为主要加固材料，处理后固化土的无侧限抗压强度可达0.5 ～ 2.0 MPa，满足不同设计要求；与类似技术相比，相同技术指标情况下，费用降低约10%；在施工过程中对周围土体无扰动，施工时无振动、噪音低，对周围环境无污染；该技术的提出，改变水利、海洋等工程对土石方资源的依赖，对沿海软基加固技术、成套技术装备的研究提供依据，有利于保护生态环境和节约自然资源。

2.2 工艺原理

水下淤泥固化是通过专用设备将固化剂喷入土体，经过充分搅拌得到均匀混合固化土，从而提高土体的各项性能指标，因此淤泥固化设备必须具备定量注浆、带压喷入，固化土充分均匀混合的功能，主要由注浆计量系统、搅拌喷浆系统、定速升降系统组成。其中搅拌喷浆系统具有搅拌器定速转动与喷浆功能，是桩体成形的执行机构，注浆计量系统负责将固化剂浆液定量带压输送至搅拌喷浆系统，定速升降系统负责将搅拌喷浆系统沿桩长方向定速上下运动。在搅拌转度、喷浆量和升降速度匹配的情况下，实现同时进行搅拌、喷浆、升降目的，实现淤泥固化成桩要求，保证固化材料与土体充分混合粘结。该施工工艺具有搅拌加旋喷的工艺特点，提高淤泥固化成桩效果。水下淤泥固化桩设备在水上进行施工作业，要求具有移位、定位、转场航行、抵抗风浪潮流的功能。图1为水下淤泥固化桩船施工示意图。

图1 水下淤泥固化桩船施工示意图

加固材料主要是固化剂，一般由水泥和固结剂组成。固结剂能够充分激活海涂泥自身硅酸盐矿物质单元成份中活性分子，产生固化反应，不仅在淤泥颗粒相界面产生牢固结合，而且能与淤泥颗粒中的活性物质反应生成胶凝物质，集物理与化学作用于一身的固结效果，提高泥质软基强度的同时，具有良好的水稳性和耐久性。

3 设备研发

按照水下淤泥固化工艺原理，研发水下淤泥固化桩船做为施工装备（见图2），该船采用全变频技术，通过PLC将注浆量、搅拌转速、升降速度进行关联匹配，保证成桩效果，具有设备自动化、调节定量化、操作简单化等优点，配制4台搅拌器，在动力头横梁上一字排开， 4轴同时作业实现4桩同时成形，使工效得到较大提升。

图2 水下淤泥固化桩船图

3.1 注浆计量系统

根据处理土质特性，确定合理的固化浆液掺和量，因此要求注浆泵具有流量可调、定量输出的性能，选用活塞式浆液泵做为注浆泵，该泵为容积式泵，采用变频电机进行转速调节实现流量可调、定量输出的技术要求。由于浆液要求高压喷出，在搅拌器底部设置可调节孔径的喷头，通过调节孔径达到调节压力的目的。经实际应用，达到调节方便，运行可靠的要求。

3.2 搅拌喷浆系统

该系统采用4台搅拌动力头同时工作，每台动力头需提供40 ～ 60 rpm调速范围，以及满足桩径与土质要求的扭矩输出，可选用变频电机经摆线针轮减速器做为动力总成。

3.2.1 搅拌器转速、提升速度与搅拌器结构的匹配

经试验得出结论，要实现淤泥与固化剂的充分均匀混合，淤泥与固化剂混合物在桩长方向每厘米的搅拌次数应达到24次以上，施工前经现场试验确定最佳搅拌次数。

搅拌器转速、提升速度的计算:

式中:N为搅拌轴升降次数，一般取4次；n为回转速度（r/min）；h为叶片高度（cm）；z为叶片数量；v为升降速度（cm/min），一般取1 000 ～ 1 300 cm/min。

通过上述经验公式，可以设计搅拌器结构型式，叶片通常采用2 ～ 4层，每层2片搅拌叶片，叶片高度视情况确定，叶片长度根据桩径确定。

3.2.2 搅拌功率的确定

搅拌扭矩T的计算:

式中:T1为土体对搅拌轴的附着阻力矩（N · m）；T2为搅拌器叶片与土体的摩擦阻力矩（N · m）；T3为搅拌器叶片转动切土时土体的阻力矩（N · m）。详细计算可参照相关设计手册。

搅拌功率P的计算:

式中:η为机械效率，可取0.7 ～ 0.8。根据计算功率，可考虑一定的功率放大系数。

3.3 升降系统

主要是确定最大提升力与升降速度，可选用变频电动卷扬机来实现提升力与升降速度的输出。

3.3.1 最大提升力的确定

当搅拌器进入土层最深处向上提桩时所产生的力为最大提升力。最大提升力q的计算:

式中:q1为搅拌机的自重（kN）；q2为搅拌轴与土体的摩擦阻力（kN）；q3为叶片上堆积的土体重量（kN）。4轴同时成桩，选用Φ133×8管子为搅拌轴，可以选用120 ～ 160 kN 拉力。

3.3.2 升降速度的确定

升降速度与固化剂掺和量、搅拌次数有关，当固化剂掺和量、搅拌次数确定后，可以计算出升降速度。

3.4 底盘系统

桩机安装于大小行走底盘上，可以在双体船舶中空区实现纵向与横向的移动，移动桩机可以进行连续打桩作业，在船舶搁浅时也可以继续施工。移动装置采用电机驱动，通过滚子链带动车轮行走。该种行走装置定位准确，操作方便。

3.5 施工平台系统

采用双体船舶作为施工平台，该船舶为双片体，设置前后联接梁，中间形成中空的施工区域，船长43.0 m，宽15.0 m，片体宽2.5 m，施工区为23.0 m×10.0 m，吃水0.80 m，有利于近岸施工作业。

3.6 生产能力

该船生产能力为40 m3/h，处理桩长为水下15.00 m，桩径 Φ700 ～ 1 200 mm。

4 施工操作要点

施工操作要点为:

（1）设备调试。设备进场后必须先进行调试，满足正常的施工要求。施工前必须进行工艺试桩，以掌握适用于该区段的成桩数据及各种操作技术参数。

（2）设备就位。正式施工作业前，检查施工设备舾装、轮机、电气、液压、喷搅系统、输送、搅拌、配料、料罐等系统以及各管路的密封连接情况是否正常，做好必要的调整工作，排除异常情况后进行作业。

（3）设备定位。采用GPS、锚机系统将船体进行定位，通过大小底盘的移动调节桩机位置。

（4）下钻喷搅。启动搅拌升降动力，搅拌头沿着导向架向下钻，边喷边搅，严格控制下钻速度与注浆流量。适时观察设备运行及地层变化情况，搅拌头下钻至所需深度位置时，开始提升。

（5）提升喷搅。喷搅下钻至所需深度，定喷完成后，提升，边喷边搅，复喷复搅，严格控制提升速度，保证固化剂与土体充分拌和，最后上升至工作基准面停止喷料。

（6）复搅。为确保淤泥土层与固化剂搅拌均匀，进行二次搅拌不喷料，即下钻搅拌不喷料与提升搅拌不喷料。

（7）移位。根据施工顺序移至下一桩位。

重复以上（3）～（7）进行循环施工；若设备一次定位多次作业时，桩机通过行走大小底盘移至其桩间距设定的位置点，或船体移至下一工作船位。

（8）清洁。施工段成桩完成后，关闭施工设备，在固化搅拌桶中注入适量清水，清洗喷泵、管路、搅拌轴、搅拌头内管线中残留的浆液，并将附着在设备上的杂物清理干净。

（9）质量检测。对完工区域内7 d和28 d龄期的固化土进行取芯检测，测定固化土力学性能指标，包括粘聚力、内摩擦角及无侧限抗压强度，检测其是否满足设计要求，及时控制施工工艺，保证施工质量。

5 工程实例

5.1 台州市游艇小镇农业地块防护及海岸线修复工程

由于港池疏浚深，边坡土质差，在船行波、排涝水流及潮流作用下，边坡不断受到侵蚀。为保护农业地块土地资源，同时兼顾改善海洋环境，采用淤泥固化技术对堤塘、码头岸坡进行基础处理。浅层固化满堂布置，处理深度1.50 m或2.00 m，28 d龄期无侧限抗压强度1.0 MPa；深层固化梅花型布置，置换率30.7%，处理深度10.00 m，28 d龄期无侧限抗压强度1.5 MPa。水下淤泥固化施工见图3，水下淤泥固化桩开挖效果见图4。

图3 水下淤泥固化施工图

图4 水下淤泥固化桩开挖效果图

5.2 岱山县大衢渔港扩建工程淤泥固化项目

本项目位于岱山县衢山岛斗镇浅海沿岸，将新建及修整渔港渔用岸线总长972.2 m，主要对新建直立式岸线兼具码头工程K0+123 ～ K0+536 m以及直立式岸线工程K0+592 ～K0+783 m段采用淤泥固化桩进行地基处理的施工工艺。本工程淤泥固化桩直径为1 000 mm（上下一致）多轴搅拌桩，水下最大处理深度15.00 m。设计要求28 d无侧限抗压强度平均值不小于1.0 MPa，最小值不小于0.6 MPa。水下淤泥固化施工见图5，淤泥固化桩芯样见图6。