强涌浪海域自升式平台碎石桩施工技术

王 聪，冯先导

(中交第二航务工程局有限公司，武汉 430040)

1 依托项目

以色列Ashdod港项目位于Ashdod新建Hadarom港。本项目施工范围包括码头、防波堤工程及地基处理工程。防波堤工程主要包括600 m主防波堤延伸段、1 480 m LEE防波堤，如图1所示。

图1 海上碎石桩施工区域Fig.1 Construction area of deep-sea stone column

在防波堤施工前，需要利用振冲碎石桩进行地基处理。主要包括主防波堤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，碎石桩处理深度约11.0 m；LEE防波堤的水深为14.0～17.5 m，碎石桩处理深度约19.5 m。

根据技术规格书要求，碎石桩处理要求达到平面面积置换率为0.13，桩间距要求1.0 m≤S≤2.5 m，按此要求碎石桩采用直径0.95 m中心距2.5 m的等边三角形方式布置。经计算，总处理土体约160万m3，共23 896根碎石桩。

工程区域海浪主要由涌浪及波浪组成，强涌浪作用比较明显[1]。由于全年海面多吹向陆风，且持续时间较长，即使风力不强，也会形成较高涌浪，对施工船舶的定位和作业造成非常大的影响。根据2011年4月至2014年3月的波浪数据，统计分析得到各月各级有效波高出现的平均频率，如表1所示。根据统计结果分析可知，满足通常施工驳船作业的有效波高在50 cm以下的年平均出现频率不足30%。此外，工程区域冬季季风风暴期间波况极为恶劣，最大有效波高可达6 m以上，现场的施工船机设备需要根据天气预报及时进行撤离避风。

2 自升式平台及施工工艺

2.1 自升式平台

本工程前期碎石桩试验区[2]施工，采用的是浮式驳船固定履带吊悬吊振冲器的施工方案。由于受强涌浪的影响，碎石桩试验区施工的作业窗口要求最大有效波高不大于50 cm，满足条件的作业时间非常少，施工工效非常低，不能满足施工工期要求。同时由于涌浪对船舶产生的摇荡运动，平面位置和施工质量难以控制。因而提出了采用自升式平台进行碎石桩施工的方案，即自升式平台+门机吊打+泵送碎石的方案，如图2所示。

表1 各月各级有效波高出现的平均频率(%)Tab.1 Average frequency of wave height at each grade every month (%)

图2 自升式碎石桩平台Fig.2 Self-elevating platform of stone column

碎石桩平台是一艘插销式液压油缸升降的四腿自升式工程作业平台，由平台主体、桩腿(带桩靴)、升降系统和碎石桩作业系统等部分组成。平台主体平面形状为长42 m、宽50 m的矩形，在平台主体的中间开有一长为19 m、宽为27 m的长方形月池。四根圆柱形桩腿外径为2.5 m，布置在平台主体前后的左右两舷，桩靴为正方形，长6.6 m、宽6.6 m。

自升式碎石桩施工平台集自升式平台、行车起重机、自动补料系统于一体。一艘平台可安装三套碎石桩施工设备，可在舷外侧与月池三处同时施工，每两次移位可实现无缝覆盖。碎石桩施工时，平台船体及起重设备抬离水面，克服了强涌浪的影响；平台上行车悬吊振冲器，通过齿轮实现移动定位，提高了定位精度；振冲器应用空气压力和水压振动成孔；平台上皮带机输送的碎石，依靠压力仓注入系统把碎石注入到振冲器底部导管尖端的土壤内，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密实。

2.2 施工工艺

根据碎石桩平台特点，研发了与其相配套的碎石桩施工工艺，而且现场实际应用效果较好，显著节约了施工工期。碎石桩平台施工工艺流程主要包括：平台拖航、平台定位、石料补充、振冲施工、振冲器检修、平台移位等工序。

(1)平台拖航。平台入水后，选取合适作业窗口(Hs≤0.9 m)，将平台两套拖索具分别与拖轮连接，并拖航至工作区域附近。

(2)平台定位。拖轮将平台拖至施工区域后，利用拖轮初步定位；借助船位GPS定位系统，利用锚缆进行精确定位；利用平台顶升系统，下放桩腿，调整压载水量，对角桩腿两两预压，达到设计值后，整体抬升平台，使平台脱离水面，完成平台定位。

(3)补料船补料。选择合适的窗口(Hs≤0.9 m)，碎石补料船行驶至平台储料仓侧抛锚就位。调整补料船上移动皮带机高度，使其对准储料仓进行补料。

(4)振冲施工。在合适的作业窗口(Hs≤1.5 m)下，利用振冲器起升小车GPS定位系统，移动门架并精确定位振冲器位置。检查振冲动力系统，启动振冲器，同时在月池和两侧舷外区域进行振冲造孔。当振冲器达到设计深度时，将振冲器提升距孔底一定距离后，启动泵送系统，将碎石泵送至孔底，利用振冲器计量系统，精确控制泵送碎石量，并振冲、密实，达到要求后，再将振冲器提升一定高度，重复上述步骤，直至将单根碎石桩施工完毕。

(5)振冲器检修。碎石桩施工过程中，如遇振冲器故障或损坏，利用门架行车上辅助吊钩配合主吊钩，将振冲器平吊至平台检修区域进行检修。

(6)平台移位。单次驻位碎石桩全部施工完毕后，选择合适作业窗口(Hs≤0.9 m)，平台收起桩腿，使平台浮于水面，利用平台锚缆移至下一工作位置，继续进行碎石桩施工。

3 成桩质量控制措施

3.1 概述

对于振冲碎石桩成桩质量的控制，国内许多学者对所采取的措施已进行了详细的论述。主要是通过密实电流[3]和留振时间[4]来控制成桩质量，辅助的控制措施包括填料量[5]、加密段长度[6]及桩位偏移[7]等。

图3 两种不同技术要求的碎石桩成桩直径示意图Fig.3 Sketch of stone column construction diameter with two different technical requirements

本工程碎石桩施工主要技术要求为：(1)置换率(ARR)不小于0.13；(2)桩间距不小于1.0 m，不大于2.5 m；(3)平面及高程误差在30 cm之内；(4)连续缩径高度不能超过1 m。

国内碎石桩成桩质量主要控制参数是密实度，即密实电流，对于不同的土层，碎石桩成桩直径随深度是变化的。而本工程主要控制参数为置换率，需严格控制碎石桩成桩直径，要求连续缩径高度不能超过1 m，因而对于不同的土层，碎石桩成桩直径基本一致。两种不同技术要求的碎石桩成桩直径示意如图3所示。基于置换率等控制参数的要求，主要介绍本项目碎石桩成桩质量的控制措施。

3.2 置换率

对于成桩参数置换率不小于0.13，主要通过桩径、桩间距采取质量控制措施。

碎石桩采用正三角形网格进行布置。碎石桩半径为r，桩间距为s。置换率的计算示意如图4所示。

图4 三角形网格及置换率计算图示Fig.4 Sketch of triangular mesh and replacement rate calculation

式中：Ac为碎石桩的横截面积；A为每根碎石桩“单元”占有的总的横截面积。

因而： 当r=0.475 m；s=2.50 m；置换率ARR=0.131

即当桩间距2.5 m固定时，可以通过成桩直径判断是否满足置换率要求。

碎石桩成桩直径随深度的变化，需要通过后处理软件导出图像。成桩图像如图5所示，根据成桩的平均直径，可以直观的判断出施工的碎石桩是否满足置换率要求。

3.3 成桩步距

施工中根据碎石体积、压实系数、振冲次数、每次振冲高度与桩径之间的关系，换算得到了成桩步距的桩径控制参数。

施工0.95 m直径的碎石桩时：每输送1 m3石料，振冲器上下往复提升的次数为9次；振冲器每次提升1 m，振冲0.86 m，成桩高度为0.14 m；因而每输送1 m3石料成桩高度为1.26 m，如图6所示。施工中，严格按照成桩步距的控制参数操作，避免了缩颈现象，也保证了成桩桩径质量。

图5 成桩直径随深度变化图Fig.5 Construction diameter of stone column variation with depth图6 成桩步距控制参数示意图Fig.6 Control parameters sketch of stone column construction step distance

图7 高程控制示意图Fig.7 Sketch of elevation control

3.4 平面位置及高程

碎石桩的平面位置，主要通过悬吊振冲器小车顶部的GPS进行定位，如图10所示，定位精度可以控制在3 cm以内。高程控制，基于自升式平台和振冲器相对位置的特殊性，采用小车顶GPS+角度传感器+激光水准仪的测量方案，对桩的标高进行控制。

高程控制措施如下所述(图7)：(1)振冲器拼装完成后，在距离振冲器底端合适位置做一个标记，用钢尺量出其高度HC1；(2)将激光水准仪放置在平台固定位置，确保其高度保持不变。升降振冲器，让激光水准仪对准振冲器标记，此时，振冲器相对平台的位置固定不变；(3)使用全站仪测量振冲器标记处的高程，小车顶GPS可以给出小车顶的高程，两者差值即振冲器标记距小车顶GPS的高度HC2；(4)HC1和HC2之和为HC，即小车顶GPS距振冲器底端的高度。(5)碎石桩施工时，让激光水准仪对准振冲器标记，即可根据小车顶GPS高程，换算得到初始时刻振冲器底端的高程；(6)根据角度传感器测得的钢丝绳升降的距离，即可得到振冲器底端的实时高程。

表2 碎石桩平台理论工效与实际工效对比分析表Tab.2 Comparative analysis Table of stone column construction efficiency between theory and practice

4 施工工效

根据项目前期碎石桩试验区施工，分析得到以下数据：

(1)主防波堤。主防波堤碎石桩平均桩长约为11 m，每根碎石桩施工时间平均约为35 min，每天有效工作时间按12 h考虑，3套振冲设备单日理论最高成桩数为60根。

(2)LEE防波堤。LEE堤碎石桩平均桩长约为19.5 m，每根碎石桩施工时间平均约为60 min，每天有效工作时间按12 h考虑，3套振冲设备单日理论最高成桩数为36根。

根据试验区的基础数据，对于使用碎石桩平台施工主防波堤和Lee防波堤的理论工效进行了预测。后期记录了碎石桩平台每个月的实际施工情况。在此选取了部分数据，对碎石桩平台理论施工工效与实际施工工效进行了对比分析，如表2所示。

分析表格中的数据可知，该工程区域碎石桩平台实际施工保证率平均值约为0.63，预估的理论施工保证率平均值约为0.70，两者之间存在一定的差距。对于三个影响因素，作业工况在有效波高<1.5 m的概率是根据历年的波浪数据统计分析得出的，不需要进行调整。因而主要调整平台操作和石料供应的保证率和设备性能保证率。根据对平台移位、石料供应及设备故障记录数据的初步分析，设备性能保证率基本维持在0.80。主要原因是强涌浪对平台移位及石料供应影响较大，导致平台不能及时移位或者不能及时给平台储料仓补料，建议平台操作和石料供应的保证率取值为0.80。

5 结语

(1)自升式平台碎石桩施工方案及其相配套的施工工艺，消除了强涌浪对施工作业平台的影响，提高了作业窗口期、施工工效和施工可控性，适用于强涌浪深海海域碎石桩施工；(2)基于置换率等技术要求，系统总结了深海碎石桩施工在成桩直径、成桩步距、高程等方面的质量控制措施，分析得到的成桩步距、桩径控制参数为碎石桩施工操作提供了依据；(3)该工程区域自升式平台碎石桩实际施工工效保证率约为0.63，设备性能保证率约为0.80，平台操作和石料供应的保证率约为0.80，可为类似工程提供借鉴。