可调节桩机系统在深层水泥搅拌船的应用

刘锦宁，张 宽

（中交四航局第二工程有限公司，广东广州 510230）

引言

DCM（Deep Cement Mixing）即深层水泥搅拌法，是一种地基处理方法，其工作原理是利用水泥等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂（水泥浆）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量，加固体和天然地基形成复合地基，共同承担上部荷载。该施工工艺可以在短时间内得到高强度的改良地基，具有构筑物沉降小、抗震性能好、对周边环境的影响小等优点。该方法速度快、效率高，同时对施工海域的环境污染小。

为适应不同的施工参数，垂向处理深度可从几米到四十几米，水平处理间距可从4 m，4.8 m，6 m中快速切换。

深层水泥搅拌船可调节桩架，主要通过对桩架固定结构的优化研究，使固定在A 架上的桩架可以横向调节桩架之间的间隔距离，以适应不同的施工参数要求；对高度进行调节，以提高对不同海底深度的处理能力。

1 施工工艺

1.1 施工流程

DCM 施工过程如图1 所示，在确定好施工参数与定好桩位之后，钻杆开始下钻。半自动下贯至桩底之后，切换到全自动程序，全自动程序会按照设计的施工参数进行相应的动作，并根据设计给定的桩顶与桩底，进行注浆搅拌。

图1 DCM 施工作业流程

深层搅拌船在施工时，通过处理机自身重力不断向下搅拌，当触及到地基强度高的地层后，处理机开始提升，同时从前部喷浆口不断喷出事先按一定配比搅拌好的水泥浆，并通过搅拌翼的搅拌同海底砂土混合均匀，形成加固桩，不断的循环往复施工可以形成海底连续墙及海底加固地基。而处理机转杆的长度决定了对海底软基处理的深度[1]。

1.2 桩机作业参数

图2 为处理机成桩示意图。处理机使用四根转杆组成一簇，一簇的处理面积为4.628 m2，每次三簇桩一起作业，即每一循环处理截面面积为13.884 m2。

图2 处理机成桩示意

图3 为桩机作业时，每组桩桩心距，根据不同的海底软基处理要求及施工设计参数，桩心距可根据要求进行调节，调节范围为3.6 m 到6 m，每次之调节为0.4 m 的倍数。

图3 桩机参数

2 可调节桩机系统结构

目前，国内对打桩船桩架的研发措施主要有两种。第一种方案是基于现有打桩船的桩架进行结构改造，第二种是设计新型的桩架[3]。打桩船的桩架一般有固定式与全回转式之分。前者只能在艏部打桩作业，后者既可在艏端打桩作业，又可在舷部的左右两舷打桩作业[4]。可调节桩机系统结构正是在综合了大部分深层搅拌船桩机系统的基础上进行优化设计而来。桩机系统由A 架，桩架，处理机，转杆，起重钢丝绳，滑轮组，桩架底部滑台，桩架底部固定装置，桩架顶部固定装置，桩架中间固定装置组成。桩机系统如图4 所示。A 架总重约130 t，单个桩架重约68 t，单个处理机系统重约100 t。

图4 桩架系统

可调节桩机系统可实现桩机在一定范围内垂向与水平横向的调节，垂向调节主要调节处理机转杆的长度，桩架的高度以及A 架的高度。水平横向调节主要通过设计的专用桩架固定装置，来实现水平横向移动的目标。将固定螺栓松开之后，通过设置临时的液压顶推和葫芦等装置使桩架滑动，从而改变桩架之的间距，改变桩心距，提高处理机对不同软基处理施工参数的适应性。

2.1 桩架系统固定形式

桩架固定形式如图5 所示。桩架系统由A 架，桩架，上下铰接点，桩架底座等部分组成。A 架为固定塔楼式结构形式，底部设置四个铰接点，通过铰接形式固定在甲板面。其结构形式具有较好的稳定性，较好的抗风浪能力。顶部设置横梁，横梁上设置绞座，通过桩架上的特制铰接结构进行连接，再用销轴锁死固定。

图5 桩架固定形式

桩架采用立井式桩架结构，分为几段进行拼装，桩架与桩架之间采用螺栓固定，桩架与A 架之间采用横梁上设置绞座方式固定。底部采用桩架底座，下铰接，螺栓形式固定。

2.2 垂向调节

垂向调节主要分为三个部分，第一个是A 架结构调节；第二个是桩架结构调节；第三个是处理机转杆结构调节。三个部分的调节根据具体的施工参数进行确定，调节A 架的方式需要整体拆除处理机系统，桩架，对顶部结构进行调节。调节A 架的工程量较大，工作作业时间较长，需要较大吨位的吊机配合，同时，需要较大的堆场存放桩架，转杆，钻头等设备。在施工现场的操作难度较大。

桩架结构的调节是在A 架垂向高度足够的情况下，对桩架加高或者缩短。

处理机转杆调节，主要对转杆进行拆卸与加装，减少或增加垂向高度，减少设备磨损，提高施工效率，减少管路采购成本。

1）调节A 架

调节A架主要是针对A架的高度限制了处理机系统的施工作业，主要体现在处理机需要对水面以下的较深软基的处理，已不能通过增加转杆长度的方式来解决，需要对桩架系统进行加高调节。而桩架最大应力区域主要在垂直支撑梁上，故对垂直支撑梁结构进行加强，并采用高强度钢制造[5]。加高A 架需要对A 架顶部结构进行加高设计加工。加高之后的A 架结构如图6 所示。

图6 加高10m 的A 架

加高后的桩架与原桩架采用法兰连接形式，使用高强度螺栓固定。如图7 所示。

图7 A 架法兰连接局部

调节之后的A 架高度能够多容纳10 m 的桩架高度，转杆可以多加长10 m，对海底软基的处理深度能够再向下扩展10 m。作业能力得到显著提高，可以适应更广的海域施工，适应更多的项目施工。

2）调节桩架

桩架法兰连接如图8 所示，桩架为多段式立井桁架结构，整个桩架由三段不同长度的桩架组成，在桩架中部增加10 m 长度桩架，中间段上下接头采用高强度螺栓连接。底部段采用桩架底座与桩架铰接的形式进行连接。

图8 桩架法兰连接局部

采用法兰连接形式的桩架，具有更好的灵活性，可实现桩架的自由加高，满足更深海底的软基处理要求。在浅水海域作业时可以拆卸缩短桩架高度，降低船舶重心，提高船舶拖航的稳性，以及获得更好的防风性能。

3）调节转杆

整个转杆采用多段不同长度的短转杆对接结构，通过6 m，2 m，3.6 m 等不同长度的转杆进行拼接。每次调节可根据桩架长度，结合海底需要处理的软基参数，选择合适长度的转杆加装或拆除，将转杆调节到最佳长度。中心杆采用法兰连接形式，转杆采用锲形对接再用销轴卡位形式。对转杆的调节可以在施工现场，利用船舶自有吊机进行更换。可操作性高，无需大型吊机进场，经济成本低。极大的提高了DCM 施工船舶对工程施工参数的适应性。

2.3 水平横向调节

深层水泥搅拌船水平横向调节，主要目的是实现桩架与处理机系统的整体横调，改变三台处理机之间的间隔距离，以适应不同海底地质的施工参数设计。可调节主要结构由桩架上铰轴，桩架下底座，滑板，桩架下铰座组成。桩架上铰轴结构如图9 所示，铰轴为活动铰接轴，作为桩架的固定横轴，以铰轴强度满足使用条件为基本的要素，通过改变销轴直径、材质等方式达到要求[2]。桩架在横移时，以桩架上铰接轴的轴向方向进行横调，铰接轴起到上下前后四个方向的定位作用。间距可调节范围在3.6～6 m，每次调节距离为0.4 m 的倍数。

图9 桩架上铰接结构

在香港三跑项目施工现场对DCM 船桩架进行整体水平横调，实现了100 t 桩架及处理机系统整体横调0.8 m，使桩心距从4 m 调节为4.8 m。

3 结语

深层水泥搅拌船可调节桩架系统，在DCM 施工船舶得到成功应用。在香港三跑项目施工现场成功实现对约100 t 桩架整体水平横调0.8 m，极大的提高了DCM 施工船舶的作业能力。在深中通道项目，实现对桩架系统的调节，加高A 架10 m，加高桩架10 m，加长处理机转杆，使得DCM 船舶能够实现最深海底软基处理高程到达-41 m，实现从浅水海域软基处理向较深海底软基处理的成功应用。