挤密砂桩施工工艺在软弱粉砂地质中的应用及其二次经营的思路

2023-04-13靳粉红中交四航局第三工程有限公司

珠江水运 2023年6期

靳粉红中交四航局第三工程有限公司

为满足港口吞吐能力发展要求,地质条件复杂的岸线陆续开发,采用何种地基加固技术非常重要[1]。水下挤密砂桩技术是在地基中沉入桩管，然后边拔边灌入砂并振实，在地基中形成密实砂柱体，对地基的适应条件强[2]。但国内该技术在软弱粉砂地质中应用并不多,本文结合北海港铁山港东港区榄根作业区1-2号泊位及南1-3号泊位水工和道路堆场工程项目水下挤密砂桩应用情况，探讨其施工工艺的应用以及二次经营思路[3]。

1.工程概况

北海港铁山港东港区榄根作业区1-2号及南 1-3号泊位水工和道路堆场工程项目拟建设2个10万吨级通用泊位、3个5000吨级通用泊位，码头结构形式为重力式沉箱结构，码头岸线总长992m，码头基础采用抛石基床结构，抛石厚度4.5～5.5m，基床地基采用挤密砂桩进行加固处理，原设计桩径为0.8m，为间距1.6m正方形布置，桩顶标高-11.8～-20.2m，桩底标高-24.2～-35.2m，入土深度4-15m，桩总根数为16464根，挤密砂桩施工总面积为40736m2，灌砂量约86474m³，设计要求挤密砂桩处理区域标贯N≥15击，施工用砂采用中粗砂。

1.1 地质情况

依据本项目地质勘察报告地质资料分析，勘区覆盖层从上而下分别为第四纪全新世海相沉积形成的（Q4m）粉细砂（局部中粗砂或淤泥）、第四纪中更新世海相沉积形成的（Q2m）粉细砂（局部中粗砂）、粉土（局部粉细砂）、粉细砂（局部中粗砂或粘性土）、粉质粘土～粘土（局部粉细砂）、第四纪残积形成的残积土（Qel）；基底为下石炭纪沉积形成的石灰岩各级风化岩层，共分七大类地层[4-5]。

1.2 工程特点

挤密砂桩主要作用是是挤密桩周围的软弱或松散土层，使其与砂桩共同组成复合地基，以提高软基抗剪强度，减小沉降量，加固软土地基的固结，提高地基的稳定性。它同时具有挤密、置换、加快固结作用,可以很直接、快速、显著的提高软弱地基的承载力，但是本项目码头基槽实际地质复杂，施工时实际地质与设计原地勘不符，实际地质极软，挤密砂桩桩径均为0.8m，长15m的单根桩的灌砂量计算为7.5方，按最新的设计布置点位施工的新增3#试验区单根桩的灌砂量平均达到了约31方，是设计桩体砂量的约4倍，所有3000多根砂桩的平均灌砂量，是设计桩体砂量的3.15倍。

2.挤密砂桩施工工艺的应用

2.1 施工流程

挤密砂桩施工流程，如图1所示。

图1 挤密砂桩施工流程

2.2 砂料的取用

挤密砂桩用砂采用运砂船直接从现场施工水域抽取，采用1200t皮带运砂船2艘。挤密砂桩用砂质量要求：采用中细砂，含泥量不宜大于5%，内摩擦角不小于32。

砂料运送到场后，用皮带机抛砂至打桩船，启用挖机，分批次将砂料装至储料斗，以便投入使用。

2.3 桩位计算及沉桩定位

砂桩工艺原理：采用振动锤下沉桩管，将符合要求的砂通过皮带机下放至桩管内，并随着桩管的上拔，通过振动、管内砂柱与原泥面的高差产生的自重压力以及回插复打等方式压实扩径形成砂桩，如图2所示。

图2 砂桩船施工示意图

2.4 振动沉桩

砂桩套管采用活瓣桩靴结构，砂桩船完成移船和精确定位后，依次分别沉放两根砂桩套管，当套管接近泥面时，开启振动锤施打套管至设计标高，振沉套管过程中关闭套管底部桩靴门。

2.5 套管内加砂

振动打设套管至加砂标高后，由挖机将砂送至输送带进料口，再由分料皮带机将砂分别供给每根套管。施工过程中应避免由于控制不当而发生砂柱套管内的砂料全部排出或大量排出的情况出现。

2.6 成桩

套管加满砂后开动振动锤上拔套管，套管上拔速度不超过3m/min，在振动锤的强振和管内砂自重作用下打开桩尖，将砂料从套管内贯入土层中，通过管内砂柱与原泥面的高差产生的压力以及回插复打方式使砂柱挤密压实扩径，形成一段挤密砂桩。一般对于800mm套管，根据设计要求每延米充盈系数不小于2.0，每成桩1m需灌砂约1m³，上拔砂桩套管过程中应保证砂料排出速度均匀并符合设计排砂量要求。根据施工经验，结合现场试桩情况，每次拔管2-4m高度后至少进行一次打水监控管内下砂情况，若下砂量不满足2倍充盈系数要求，则对该段挤密砂桩进行回插复打，确保每段挤密砂桩灌砂量满足设计要求。

3.二次经营的策略及思路

3.1 二次经营简述

二次经营是一种管理理念，是针对于一次经营的基础上，甲乙双方履行工程项目合同时所发生的一切经营行为，目的是在通过项目实施，提高合同履约质量和获取项目经济效益，二次经营的实施。主要包括项目施工层面和开源创效层面。

3.2 研究研究合同及项目特点，针对性解决问题

北海港铁山港东港区榄根作业区1-2号及南 1-3号泊位水工和道路堆场工程项目港池疏浚砂基本为中细砂，现场采取方便，不受外界影响，并且从材料源头节约成本，也能保证施工砂桩供应需求，但是原设计挤密砂桩用砂为中粗砂，由于受到环保政策影响，周边地区中粗砂资源缺乏，且中粗砂存量极少，无法通过外购方式满足项目现场所需。经过试桩，试验区单根桩的灌砂量是设计桩体砂量的约4倍，所有砂桩的平均灌砂量是设计原本砂桩船正常情况下每天能够施工60-80根/天，现砂桩船实际每天只能完成约30根，施工效率极低，工期及施工成本大幅增加。

因为涉及变更金额较大，且合同条款挤密砂桩为大包干，包干范围包含了地质风险的限制，使得在商务上争取变得非常困难；挤密砂桩属于一种新的地基加固技术，不属于成熟的传统工艺，国内实施先例较少，无类似的成功经验作为参考；此外设计单位坚持倾于原设计方案，认为技术风险不大。因此，解决挤密砂桩技术风险和商务风险问题举步维艰。

3.3 从技术角度打开突破口

针对项目实际问题，项目寻求技术专家的技术支持，为考虑码头结构安全，从技术角度出发寻求突破口，整理现场施工数据，组织建设单位及其委托的第三方单位进行复勘，根据施工过程中对原状孔的标贯检测及建设方委托的第三方复勘结果显示，基槽开挖后的地基土标贯击数与原地勘结果相比变化较大，地质极为松散，证实码头基槽地质与原设计地勘资料不符，并分析对比本项目与港珠澳大桥项目中不同置换率的挤密砂桩灌砂量问题，从工艺原理上向建设方解释原合同中约定费用的不合理性，为推动设计变更提供依据。

3.4 优化施工方案，进一步推动变更形成

因为实际地质极软，砂桩的直径为0.8m，超灌的砂在砂桩本体密实的基础上往砂桩与砂桩之间扩散，让砂桩之间的地质击数变高、地质变硬，以满足整体承载力的要求。如不在砂桩之间扩散砂，砂桩之间区域的击数依然是0击，码头沉箱放置在是会发生沉降、位移甚至倾覆，存在这极大的安全隐患。

因现场施工过程中发现地质远比原设计地勘结果软弱，考虑码头结构安全以及项目条件的特殊性和实际情况，本项目对基槽挤密砂桩进行了设计变更，挤密砂桩由间距为1.6m正方形布置调整为1.6m间距正三角形布置，验收标准由“地基处理区域标贯N≥15击”调整为：地基土层整体平均标准贯入击数≥15击，表层2m范围内标贯击数≥10击，且≥15击的标贯试验次数占全部标贯试验的比例不小于70%；单个检测孔标贯≦2击的标贯次数为2个或以上时，应在检测孔所在横断面上前后增加2个检测孔，最后根据扩大检测结果确定是否采取补充处理措施。

项目根据设计变更调整了施工方案，采用振动沉管成桩工艺，按照变更后的挤密砂桩设计方案进行了新增3#试验区，在振动钢管上拔形成砂桩过程中，增加回打工序，每3m回打一次，检测管内下砂量是否满足2.0倍以上的充盈系数要求，不满足继续回打。

依据施工后的检测结果数据，经设计单位核算，将地基处理范围往码头前沿方向加宽11.2～12.7m,前沿加宽部分增加10348根，砂桩布置方式调整及部分已施工区域加密处理增加2702根，原设计16464根的基础上共增加13050根，砂桩数量共计29514根，设计计算灌砂量约153844m³，增加地基的滑移稳定性，码头承载力、抗滑移等各项指标满足要求。

表1 不同区域平均单桩充盈系数

3.5 及时收集整理资料，为二次经营打好基础

挤密砂桩施工充盈系数对其成本影响很大，因此确定平均单桩充盈系数非常重要。北海港铁山港东港区榄根作业区1-2号及南 1-3号泊位水工和道路堆场工程挤密砂桩施工期间，对其不同区域平均单桩充盈系数做了详细的统计。

由于每个项目特点及情况不一，同时现行规范及相关文件并未对挤密砂桩的充盈系数进行规定，因此挤密砂桩充盈系数应根据现场试验及施工情况来确定，而结合项目实际，本项目试验或施工得出的充盈系数应该在合理的范围内。同时，经多次试验以及根据已施工的桩基记录显示，本项目挤密砂桩的充盈系数普遍在3.0-4.0之间，也反映出项目地质条件的特殊性。对于挤密砂桩变更费用预算，项目各方经过讨论认为1#区域施工完成3222根桩的充盈系数3.15更具有代表性，可参考此数据进行下一步的商务谈判。

3.6 根据变更的图纸及定额等相关文件，及时签证敲定变更

因砂桩设计方案发生变更，工程量增加，施工工效降低，项目工期和施工成本大幅度增加，项目承受巨大的工期压力和成本压力。

（1）工期变更。因码头基槽实际地质复杂，项目部有半年时间几乎一直在进行挤密砂桩试桩施工，经过努力也最终确定了设计变更方案，但仍然对项目造成了很大的影响：根据设计确定的处理方案，考虑码头结构安全，原设计16464根的基础上共增加13050根，砂桩数量共计29514根。此外，由于基槽地质极其软弱，实际灌砂量远超设计桩体砂量，经各方试验并确认平均单桩充盈系数是3.15。原计划210天完成本工程所有挤密砂桩施工，由于砂桩数量增加及灌砂量增加，单条砂桩船作业大约需工期980天。项目拟采取增加两组挤密砂桩施工船舶（作业面最大可容3组船舶同时施工）、增加作业工人、24小时轮班作业等措施赶工，3组施工船组功效约90根/天，29514根挤密砂桩已完成3244根，剩余26270根挤密砂桩施工仍需要至少约300天（未考虑受台风季节影响）。挤密砂桩作为码头的关键工序，该分项工期的延长将直接导致整个工程工期的延长，做好相关的功效分析调整施工计划，及时报批争取总工期的延长。

（2）费用变更。本项目设计方案变更后，砂桩数量增加了13050根，并且设计要求“桩每延米充盈系数不小于2.0”，砂桩的总方量为约484609方（86430×3.15+67414×3.15），与定额消耗量对比，发现实际用砂损耗量已远超出定额约定考虑的损耗范围，因此本项目挤密砂桩费用增加与通常的损耗量有本质的区别。鉴此，根据地勘与复勘资料、设计变更图纸、会议纪要以及一些过程中基础数据等等资料，及时提交费用变更申请。本项目二次经营包含增加的试验区的标贯检测费共增加约5000万元。

4.二次经营效果

项目及时发现码头基槽地基软弱，与设计地勘结果不符，预判出码头后期存在位移重大风险，及时向业主反馈信息，推动第三方复勘，推动设计院专家复审，从而推动设计变更并落地，规避了质量风险，并为公司创造了良好的经济效益与社会效益。并且项部从开至目一直处于赶状态，施工前及中期均进行了24小时昼夜施工控制良好，由于工程进度的加快，为项目缩短工期，节约了大量管理成本。安全生产零事故质量良好无返工，间接减少了项目部成本支出。