专用挤密砂桩船的应用现状及发展趋势

刘璐，马振江

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

专用挤密砂桩船的应用现状及发展趋势

刘璐1，马振江2

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

为适应工程建设的需要，国内挤密砂桩船从引进仿制到自主研发，经历了两代发展。最新研制开发的挤密砂桩专用船可以进行水面以下66m深的挤密砂桩地基处理，最大成桩直径可达2m，复合地基置换率可达70%，具有更好的可操作性，更高工效和环保性，已成功应用于洋山深水港及港珠澳大桥岛隧工程建设中，地基加固效果良好。

软弱地基；挤密砂桩；地基处理；砂桩船；应用现状；发展趋势

0 引言

为适应港口吞吐能力发展的要求，离岸群岛间的深水岸线和深水港建设大量兴起，人造陆域的使用越来越普遍，远离陆域、风浪条件恶劣、有效作业时间短等施工环境都给外海工程的地基处理带来了难度，地基加固技术已成为外海交通基础设施建设中至关重要的施工技术，传统的地基处理方法面临严峻的挑战。

水下挤密砂桩是一种地基加固新技术，它以砂桩船作为作业平台，通过振动设备和管腔增压装置把砂强制压入水下软弱地基中，经过振动拔管、回打、挤密扩径，形成挤密砂桩。通过挤密砂桩的置换、挤密、排水作用，可增加地基强度，加快地基固结，减少结构物沉降，提高地基的抗液化能力。挤密砂桩成桩工艺如图1所示[1-2]。与传统的地基加固方法相比，水下挤密砂桩技术采用专业施工船舶很好地解决可操作性与工效等问题，适用范围广泛，可应用于对砂性土、黏性土、有机质土等几乎所有土质的地基加固处理，非常适用于外海人工岛、防波堤、护岸、码头等工程的地基基础加固。

1 国内外挤密砂桩船的发展历程

砂桩法作为一种地基处理方法历史悠久。砂桩处理地基在19世纪30年代源于欧洲。20世纪50年代后期，日本成功研制了振动式和冲击式砂桩施工工艺，大大提高了工作效率和施工质量。目前在国外特别是日本、韩国海上工程中水下挤密砂桩得到广泛应用，施工均采用专用挤密砂桩船。国际上专用砂桩船加固地基深度能达到水面以下60m，其挤密砂桩的置换率可达60%～70%，砂桩直径可达2 m。典型工程如日本的关西国际机场一期、二期和新敦贺港，韩国的釜山新港等。

图1 水下挤密砂桩成桩工艺流程Fig.1 The pile-form ing process flow of underwater com paction sand pile

1.1 国内水下砂桩的应用

水下砂桩特别是水下挤密砂桩在我国应用时间较短。在2004年以前水下砂桩在国内有一定的应用，但直径较小（不超过800 mm），加固深度较浅（不超过10 m），且在施工工艺上与水下挤密砂桩有很大差异，一般多为直接将陆上砂桩施工机具直接移至船舶上，振动锤能力较小，一般不超过135 kW。

1.2 国内第一代挤密砂桩船

自2004年以来，中交三航局等企业通过自主创新，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，形成了国内第一代挤密砂桩专用施工设备。第一代挤密砂桩船在国内首次开发了成套的水下挤密砂桩施工设备、施工工艺、施工过程自动控制系统以及施工管理软件。这一代设备主要采用现有工程船舶改造，如驳船、起重船，配备的振动锤能力有很大提高，一般使用 200～300 kW振动锤，使之具备水下挤密砂桩施工的能力。设备及控制系统操作简便，运行稳定，实现了初步的自动化、专业化。代表施工船舶有三航砂桩2号、三航砂桩3号、三航起重10号。

1.3 国内第二代挤密砂桩船

第二代挤密砂桩船在第一代挤密砂桩船的基础上提高了施工工效，加强了施工质量管理，具备施工自动化系统和施工管理软件，采用大功率振动锤和大流量高压空压机，加固深度大大提高，可进行自动、手动两种模式的施工作业，综合性能达到国际先进水平。代表船舶有三航砂桩6号、三航砂桩7号、三航砂桩8号。

国内砂桩船分类见表1。

表1 国内砂桩船分类表Table 1 Classification of domestic sand pile ships

2 第二代挤密砂桩船系统构成特点

第二代挤密砂桩船桩架高度86 m，总长75 m、型宽26m、型深5.20m，设计吃水3.0m，为三联管设计，三联管打桩间距可调，配备国产500 kW振动锤，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、超长66 m的桩管系统、气路系统和施工自动控制系统[3]。

2.1 硬件系统配置特点

为满足水下挤密砂桩的施工要求，第二代挤密砂桩船选用具有较大静偏心力矩、振动振幅和振动加速度的上海国产DZ500振动锤。该锤型沉桩能力强，作业效率高。砂料输送系统实现砂料的全自动供给，极大地降低了劳动强度，提高了砂料供给效率。配备套管贯入辅助装置，克服加固地基土中的硬土夹层。砂面仪采用非接触式砂面仪，测量精度达到1 cm，对桩管内砂量进行检测，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。配备有空气压缩系统，由4台电驱动空压机和总容积约250m3的空气瓶组成，单台排量为60m3/min，排出压力1.3MPa，能满足桩管短时间、大容量耗气需求。

2.2 自动化系统及施工管理软件系统

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子系统。系统主要包括信号检测元件模块、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；信号执行元件模块包括：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；信号控制模块包括：PLC、变频器、人机界面、触摸屏。

砂桩施工管理软件系统分施工管理、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。施工管理软件界面参见文献[3]，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即可完全掌握砂桩打设过程，降低了劳动强度和操作难度，提高了砂桩成桩质量。

3 工程应用现状

目前我国有多项工程采用或有意向采用挤密砂桩处理软基技术，如洋山深水港工程、港珠澳大桥岛隧工程和海南海口湾南海明珠人工岛工程均采用了水下挤密砂桩作为软土地基处理的手段，海南三亚榆林港深水防波堤工程也有意采用水下挤密砂桩作为软基处理方案。

3.1 洋山深水港工程

洋山深水港建设中广泛采用了水下砂桩处理软土地基（近10万根水下砂桩），并在国内首次采用了挤密砂桩技术加固沉箱式码头基础。洋山深水港三期工程原料码头基础采用挤密砂桩加固，结构形式为沉箱重力式结构，地基为软土地基，码头面高程为6.50 m，码头前沿设计泥面标高-5.50 m，抛石基床顶标高为-6.30 m。挤密砂桩总工程量：50%置换率砂桩144根，60%置换率砂桩280根，合计424根。经检测挤密砂桩的成桩直径达到1.8m，钻孔取样检测表明砂桩长度达到要求，桩身连续性好，密实度为中密—密实状态。根据码头结构沉降观测数据，工后6个月的残余沉降仅为24 mm，说明挤密砂桩加固处理后的软土地基达到了较好的效果。

3.2 港珠澳大桥岛隧工程

港珠澳大桥主体工程采用桥隧组合方式，在其人工岛及海底沉管隧道建设中采用了水下挤密砂桩作为软土地基处理方法，总方量高达150万m3，为国内最大规模的水下挤密砂桩应用工程[4]。

3.3 海口湾南海明珠人工岛工程

海口湾南海明珠人工岛工程位于海口市西海岸新国宾馆北侧约2 km海域，通过填海造地形成南海明珠人工岛，面积约265 hm2，以开发建设25万总吨级邮轮母港及配套设施等高端旅游服务产业。该人工岛为砂质土地基，采用直径1.35m，长度8～12.5m的挤密砂桩对人工岛内、外护岸地基进行加固处理，以提高地基抗液化能力。水下挤密砂桩总工程量共计32.5万m3。

4 设备发展方向及应用前景

随着挤密砂桩施工设备和施工工艺的日臻完善，挤密砂桩在外海的作业能力有了更进一步的提升，更加适合外海深水条件下水下软土地基处理。挤密砂桩法将是今后离岸深水工程中重要和主要的地基加固方法。与国外同类技术相比，我国第二代挤密砂桩船其设备能力、加固深度与成桩直径均已达到国际领先水平。值得指出的是随着国内外对于环境保护及可持续发展认识的不断加深，对挤密砂桩船的节能减排和环境保护提出了更高的要求。可以预见我国今后挤密砂桩船的发展将具备以下特点。

1）自动化集成度更高

具有全自动化（拥有人工干预功能）和手动两种打桩模式，在施工的同时，通过检测监控砂面仪、桩管标高、吨位计等确保砂桩成桩质量。通过全自动化高效实现全自动作业，可缩短操作人员培训时间，减轻操作人员工作强度，提高劳动生产率。

2）各系统可靠性明显提高

系统可靠性提高，在设计中充分考虑系统各组件的维修，进一步降低挤密砂桩船的维护费用。

3）设备工艺适用性提高

提高设备对各种地基（砂质地基、黏土地基以及其他复合地基）的广泛应用性。挤密砂桩船可以实施排水砂桩、挤密式砂桩、排水碎石桩以及挤密碎石桩等多种工艺。

4）环保性能进一步提升挤密砂桩船将采用最新的技术，提高能源利用效率，充分考虑能源的循环利用，落实节能指标，同时在减震降噪方面将进一步提升，以满足日益提高的环保新标准。

[1]寺師昌明.挤密砂桩设计与施工[M].日本：地质工学会，2009. TERASHIMasaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2]尹海卿.水下挤密砂桩加固软土地基技术[M].北京：人民交通出版社，2013：18-49. YIN Hai-qing.A technique to treat themarine soft ground using sand compaction pile[M].Beijing:China Communications Press, 2013:18-49.

[3]马振江，张敏赢，刘璐.挤密砂桩加固水下软土地基专用设备研制[J].中国港湾建设，2014（1）：70-74. MA Zhen-jiang，ZHANGMin-ying，LIU Lu.Research and development of compaction sand pile treatment equipment of soft foundation[J].ChinaHarbourEngineering,2014(1):70-74.

[4]林鸣，梁桁，刘晓东，等.海上挤密砂桩工法及其在港珠澳大桥岛隧工程的应用[J].中国港湾建设，2012（4）：72-77. LIN Ming,LIANG Heng,LIU Xiao-dong,et al.Method for construction of offshore sand compaction piles and its application for island and tunnel project for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. ChinaHarbour Engineering,2012(4):72-77.

表1 直螺纹接头安装时的最小拧紧扭矩值Table1 Them inim um tightening torque value for a straight threaded joint

5 结语

港珠澳大桥设计使用年限120 a，其中西人工岛岛上段隧道暗埋段因结构形式复杂，配筋率高，钢筋安装极为困难。通过采取极为细致的质量保证措施，不断优化钢筋安装施工工艺，规范过程控制，钢筋安装精度及质量不断提高，并极大提高了施工效率，节省了人力物力，为以后类似工程积累了宝贵经验。

参考文献：

[1]杨绍斌，张洪.自动化钢筋加工生产线在港珠澳大桥沉管预制中的运用[J].中国港湾建设，2013（3）：66-70. YANGShao-bin,ZHANGHong.Automated reinforcementproduction line used in prefabrication of immersed tube sections for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering, 2013(3):66-70.

[2]赵传林，张怡戈，杨润来.港珠澳大桥岛隧工程西人工岛暗埋段隧道模板设计及施工技术[J].中国港湾建设，2013（3）：49-54. ZHAO Chuan-lin,ZHANG Yi-ge,YANG Run-lai.Design and technology for construction of formwork for buried tunnel in west man-made island for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2013(3):49-54.

[3]JTG/TF50—2011，公路桥涵施工技术规范[S]. JTG/T F50—2011,Technical specification for construction of highway bridgesand culverts[S].

[4]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥主体工程隧道工程施工及质量验收标准[S].2013. Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Construction and qualityacceptance criteria for tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project[S].2013.

[5] JGJ107—2010，钢筋机械连接通用技术规程[S]. JGJ 107—2010,General technical specification for mechanical connection of reinforcement[S].

App lication status and development trends of com paction sand pile ship

LIU Lu1,MA Zhen-jiang2
（1.CCCCEngineering VesselCo.,Ltd.of THEC,Shanghai200137,China; 2.Shanghai Third Harbour Engineering Science&Technology Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

In order tomeet the need of engineering construction,the domestic sand pile ship experienced two generations of development from introduction and imitation to independent research and development.The new sand pile ships can carry out compaction sand pile foundation treatment66m underwater to improve the production process,the pile diameter can reach 2m and the replacement ratio of composite foundation can be up to 70%.Due to its better operability,efficiency and environmental protection,the equipment is successfully applied to the construction of Yangshan deepwater portand Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island&tunnel projectand the effect isgood.

soft foundation;compaction sand pile;foundation treatment;sand pile ship;application status;development trends

U655.32

A

2095-7874（2015）11-0116-04

10.7640/zggw js201511031

2015-10-12

刘璐（1983— ），男，安徽淮南人，工程师，港口航道与海岸工程专业。E-mail：linwen166@126.com