潮汐运动对水上深层水泥搅拌桩施工的影响

呼东旭

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300000）

1 水上深层水泥搅拌桩施工原理

水上深层水泥搅拌桩（DCM 桩）工艺采用专业的DCM 桩施工船舶，根据设备类别和工作性能可分为5 大系统，分别为船舶操作系统、电气系统、制浆系统、处理机、钻杆系统。各系统之间通过可编程逻辑控制器（PLC）相互传递信息，协调工作。

在喷浆制桩前，设备按照给定的水灰比计算每立方米水泥浆中水泥及水的用量，输入制浆系统进行制浆[1]。在喷浆成桩过程中，处理机钻头会以设定好的流量喷出制浆系统生产出的水泥浆，同时处理机会以设置好的速度上升或下降。DCM桩体由水泥浆及泥面下原状土混合搅拌而成。桩体的强度很大程度上由单位体积桩体水泥掺量决定。而单位体积水泥掺量则由水泥浆水灰比、喷浆流量及处理及钻头上升或下降速度决定。

式中，α为单位体积的水泥掺量，kg/m3；m水、m水泥为每方米水泥浆中水与水泥质量，kg；V为水泥浆喷浆速率，L/min；V处理机为喷浆过程中处理机下贯（上拔）速度，m/min；ρ水泥浆为一定水灰比下，水泥浆理论密度，L/m3；S单桩截面积为DCM 桩体横截面积，m2。

在施工前，为保证桩体单位体积水泥掺量稳定，通过电脑操作系统设定好制浆过程及成桩过程的V、m水、m水泥、ρ水泥浆、S单桩截面积及V处理机。而处理机速度V处理机由控制处理机升降的绞车转速进行控制[2]。

2 潮汐运动对处理机速度的影响

通过第1 节水上深层水泥搅拌桩施工原理可以看出，要想得到一个稳定且准确的水泥掺量，保证桩体质量合格且稳定，需控制好处理机的升降速率。然而单纯通过控制绞车转速，只能控制处理机相对于船体本身的速度，这相对于桩体的绝对速度是存在一定误差的，这个主要的误差来源是船体受潮汐影响而存在的升降[3]。

如图1 所示，在涨潮时进行下贯喷浆，处理机向下运动并在钻头位置进行喷浆。此时处理机速度，绞车速度及涨落潮速度存在如下关系：

图1 涨潮时下贯喷浆船体示意图

式中，V绞车为电脑操作系统设置的绞车控制处理机相对于船体的速度，m/min；V涨落潮为喷浆过程中潮水上涨下落的速度，其中上涨为正，下落为负，m/min。

同理，在进行上拔喷浆的过程中，其关系则如下：

这种差异，在操作系统界面，显示绞车速度及在钻头处设置传感器显示钻头绝对速度的GL 速度中也能观测出，如图2 所示。

图2 绞车速度与钻头绝对速度差异示意图

在梅山港口基础设施重点项目海堤及陆域形成工程进行DCM 桩施工中，最初设置绞车速度时，未考虑潮水对处理机速度的影响。以通过公式（1）推导出的处理机速度设置绞车速度，为保证现场施工质量，增加保险系数以增加喷浆量，将上拔（下贯）喷浆的绞车速度设置为：

即将绞车速度设置为根据设计水泥掺量计算的处理机速度，再设置0.02 m/min 的保险量。在此基础上，统计了两天内12 组DCM 桩（共36 根）的水泥浆使用量与设计量的对比值，为了更直观地显示差异，将两者之间差值的百分比进行了相关计算及统计，如表1 所示。

表1 未根据潮汐情况调整绞车速率喷浆量统计表

可见，在此情况下，虽能保证施工质量，但实际喷浆量与设计值相比差值浮动较大，而喷浆量不稳定，则会导致桩体内水泥掺量（水泥浆内水泥掺量由制浆系统控制，不受处理机、钻杆系统影响）不稳定，会使桩与桩之间，桩体内各部分间强度不稳定，故项目整体质量控制不稳定，且材料浪费较大（4.22%）。因此，为保证项目质量稳定，材料控制得当，重点需控制处理机、钻杆系统的运行速度稳定[4-5]。

3 根据潮汐情况调整施工参数及公式

通过第2 节潮汐运动对处理机速度的影响的描述，以上拔喷浆为例，受到潮汐运动影响，涨潮会使处理机绝对速度大于绞车设置速度；相反，落潮会使其速度小于绞车设置速度。因此，在操作前设置处理机速度时，应提前根据潮汐表计算上拔喷浆时的潮汐速度。涨落潮速率：

式中，A为喷浆前时刻的水位，m；B为之后1 h 水位，m；V涨落潮为喷浆过程中潮水上涨下落的速度，其中，上涨为正，下落为负，m/min。

结合式（1）、式（3）及式（5），上拔喷浆时应设置绞车速度为：

同理，结合式（1）、式（2）及式（5），下贯喷浆时应设置绞车速度为：

4 调整绞车速度后喷浆量统计及钻芯取样检验

根据式（6）和式（7）有针对性地进行绞车速度调整，并仍对连续12 组DCM 桩进行喷浆量统计，得出数据如表2 所示。

表2 根据潮汐情况调整绞车速率后喷浆量统计表

由表2 可见，经过调整绞车速度计算公式后，实际喷浆量与设计喷浆量相比，两者之间差异变小（误差1.16%）且不会出现明显上下浮动，且均能满足设计要求。

在随后的钻芯取样中，调整计算公式后的钻芯检测结果显示，芯样强度稳定，且能满足设计要求的1.5 MPa 设计值，在此不列举。

5 结语

在梅山港口基础设施重点项目海堤及陆域形成工程进行DCM 桩施工中，笔者通过观察不同时间段船舶设备制桩喷浆量的不同，并结合潮汐运动的规律，经分析、计算、推导及实践修改、验证等环节，将潮汐运动对DCM 桩施工的影响进行量化，并得到了验证，提出了相应改进措施。潮汐运动的影响同样适用于其他由绞车控制处理制桩速度的工程，如挤密砂桩等。故上述方法及得出公式同样适用于或可用于参考海上挤密砂桩的施工。