简析深海碎石桩底部喂料法振冲设备

2020-10-22华晓涛

港工技术 2020年5期

王聪，华晓涛

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北武汉 430040）

引言

示例项目振冲碎石桩地基处理，为以色列Ashdod港 Hadarom港区主防波堤 600 m地基和LEE防波堤480 m坡脚位置，其中主防波堤水深为-21.0～-23.3 m，平均处理深度约11 m；LEE防波堤的水深为-14～-17.5 m，平均处理深度约19.5 m，位置如图1所示。

碎石桩施工方法主要分为沉管法和振冲法，如图2所示。沉管法是在钢（套）管顶部安装振动锤，底部设有活瓣钢桩靴[1]或变向外双开平型合页门[2]，在振动锤的激振力作用下，把钢（套）管打入到设计高程。沉管法穿透力较弱，适用于松散液化砂土及粉土地基；振冲法[3]是在振冲器底部设有振冲头，依靠振冲头内部的电机带动偏心块，使振冲器产生高强振动，同时依靠高压水流，在边振边冲的共同作用下将振冲器沉入到设计高程。振冲法穿透力较强，适用于黏性土、砂土地基。

图1 海上振冲碎石桩施工区域示意

图2 碎石桩施工方法

碎石桩振冲成桩工艺主要包括顶部喂料法和底部喂料法，如图3所示。顶部喂料法是振冲器在软弱地基中成孔后，从孔口填入足够量的碎石等填料，其适用于陆上及浅水区域；底部喂料法[4]是振冲器在软弱地基中成孔后，振冲器内部的输送系统把碎石输送至振冲器底部，实现边供料边振冲，该方法广泛应用于水上碎石桩施工。本项目采用的是底部喂料法的振冲工艺。

图3 振冲成桩工艺示意

1 振冲设备简介

振冲设备主要包括振冲器、碎石泵、碎石水泵、潜水泵、射水泵、发电机、空压机、液压动力站、空气水总管、数据记录仪、软启动器及配电柜等。

1.1 振冲器

振冲器包括振冲头、连接件、筒仓管、接收罐和接收料斗等。

振冲头长度约为3.6 m，连接件长度约为1.7 m，接收罐至吊耳距离约为7 m，筒仓管长度根据碎石桩最大长度确定。本项目碎石桩最大长度约为19 m，筒仓管长度定为14.9 m。

碎石输送设备主要包括潜水泵、碎石水泵和碎石泵。

潜水泵的功能是为碎石水泵供水；碎石泵主要用于石料储存和计量，其包括碎石料斗和碎石罐，两者中间为液压油缸控制开启和闭合的斗门；碎石水泵的功能是通过离心作用产生高压水，把碎石泵中的碎石通过碎石管输送至振冲器接收料斗中。

潜水泵额定功率43 kW，扬程33 m，额定流量680 m3/h，水力输送压力为3 bar；碎石水泵的功率约为89 kW，流量为550 m³/h，转速为1 480 r/min。

1.2 配套控制设备

配套控制设备主要包括发电机、数据记录仪、空压机、射水泵、液压动力站、软启动器。

1）发电机

发电机主要为振冲头、碎石水泵、潜水泵、射水泵等提供电能，其功率需要综合考虑各用电设备的功率，主要考虑振冲头正常工作和峰值情况。发电机功率一般根据振冲头峰值工作状态下各振冲设备总功率进行选择。

2）数据记录仪

数据记录仪，用于设置控制振冲施工的各种参数，例如振冲器底端初始高程、碎石桩编号等。施工中指导操作手进行振冲操作，可以实时显示高程、电流、倾斜度、各部位的水压及空压等参数，图4。

图4 数据记录仪

3）其它控制设备

空压机主要为振冲器和碎石泵提供空气压力，其工作压力12 bar，空气流量500 cu.ft/min；射水泵为振冲器成孔提供高压水流，其额定功率90 kW，额定流量120 m3/h，频率50 Hz，出水口压力约为3 bar；液压动力站控制液压斗门开合，其功率约为5 kW，液压压力高达200 bar；软启动器为振冲头启关控制和保护装置，连接振冲头和发电机。

1.3 压力仓注入系统

压力仓注入系统，是海上碎石桩施工底部喂料工艺的关键环节，其流程如图5。

料斗中的碎石，应用空气（水）泵通过直径6英寸的碎石管，输送碎石至振冲器顶部储料仓；接收罐顶部的密封门能将碎石锁在接收罐，并将其形成高压状态（2～6 bar）；应用空气（水力）输送压力通过接收罐、筒仓管和导管组成的连通室，把碎石注入在振冲器导管尖端的土壤内。该系统可保证连续供料，从而实现振冲器底部可边供料边振冲。

图5 压力仓注入系统

2 浮式驳船振冲设备

2.1 振冲设备布置

表1 试验区碎石桩施工设备

碎石桩试验区施工采用的是浮式驳船固定履带吊悬吊振冲器的方案[5]，振冲设备完成陆上拼装后，需要在驳船上合理布置并连接管线。对于浮式驳船，因为仅布置一套振冲设备，空间比较大，各个设备维修空间是次要的考虑因素；振冲设备布置主要考虑各个设备连接相匹配的原则。

1）碎石输送设备，需要根据连接顺序合理的布置在一起；2）发电机、软启动器、空压机需要远离可能喷水的设备；3）碎石管、水管、空气管、液压管、电缆五种管线要综合考虑连接及走线布置，尤其是碎石桩要考虑吊车和碎石泵的相对位置，尽可能的减少碎石管的长度。

根据现场实际情况，试验区碎石桩施工使用的相关设备如表1所示。

现场浮式驳船各个振冲设备布置如图6。

图6 浮式驳船各个振冲设备布置示意

2.2 振冲头比选

根据碎石桩施工区域地勘资料，试验C区在地质孔DHV 036附近，主要穿过表层密实砂层，下部致密砂层，如图7所示。其中下部致密砂层局部标贯击数超过 50击，施工难度较大。本项目根据地质情况，选用了两种常用的振冲头，并通过试验比较两种振冲头穿透硬层的能力。两种振冲头参数如表2。

图7 试验C区地层剖面

表2 振冲头参数

根据现场施工数据，选取了C区其中一组试验数据，两种振冲头成桩图像如图8所示，该图像展示了振冲头成桩深度和电流随时间的变化。碎石桩设计底高程为-33 m，根据试验结果可知，B36振冲头成孔深度约为-30 m，此时电流达到380 A，不能达到设计高程；B27振冲头成孔深度达到设计高程-33 m，电流达到200 A。因而当遇到硬土层时，B27比B36的穿透能力更强。经过分析其原因主要为：虽然 B36振冲头具有更高的能量和激振力，但是B27振冲头相对截面更小，穿越该硬层时，截面阻力相对于能量占主导因素。根据此试验结果，本项目最终确定采用B27振冲头。