水上振沖置換砂樁工藝在處理軟基中的施工應(yīng)用

孫巖松

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島266071）

1 工程背景

1.1 工程規(guī)模

霞浦核電海工工程Ⅲ標(biāo)段新建圍堰段位于淤泥層上，設(shè)計(jì)采用振沖置換砂樁進(jìn)行軟基處理，砂樁樁徑為φ1 000mm，砂樁采用正三角形布置，平均置換深度25m。取水口砂樁間距為2m 和1.5m，置換率分別為22.7%和40.3%。排水口砂樁間距為3m、2.4m 和1.2m，置換率分別為10%、16%和63%。取水口工程量為1.107×105m3，排水口工程量為2.96×104m3。

1.2 地質(zhì)條件概述

本工程地質(zhì)情況復(fù)雜，主要是海積相地質(zhì)。

1）2.4.1 層淤泥：廠區(qū)北側(cè)北護(hù)岸和排水堤地段揭露厚度9.50～28.10m，層底埋深9.50～28.10m，層底標(biāo)高-37.50～-20.40m；廠區(qū)南側(cè)取水明渠地段揭露厚度1.50～15.50m，層底埋深1.50～15.50m，層底標(biāo)高-27.00～-13.00m。

2）2.4.2 層淤泥質(zhì)黏土：廠區(qū)北側(cè)北護(hù)岸和排水堤地段揭露厚度8.80～28.00m，層底埋深26.30～50.50m，層底標(biāo)高-58.50～-36.70m；廠區(qū)南側(cè)取水明渠地段揭露厚度6.10～18.30m，層底埋深20.50～31.80m，層底標(biāo)高-43.30～-31.90m。

3）2.4.3 層粉砂：廠區(qū)北側(cè)北護(hù)岸和排水堤地段揭露厚度1.50m，層底埋深11.00m，層底標(biāo)高-21.90m，僅在BH02 鉆孔揭露到；廠區(qū)南側(cè)取水明渠地段揭露厚度0.50～5.10m，層底埋深20.40～29.80m，層底標(biāo)高-41.40～-31.3.00m，僅在部分鉆孔揭露到。

2 工程重難點(diǎn)分析

分析本工程重難點(diǎn)如下：

1）砂樁間距規(guī)格較多，施工中需對(duì)樁架間距進(jìn)行調(diào)整，降低作業(yè)效率。目前，國(guó)內(nèi)水上專業(yè)砂樁船數(shù)量有限，為滿足本工程不同規(guī)格砂樁間距需要，利用平板船改造為砂樁船施工。

2）本工程為水上施工，置換砂樁灌砂量及成樁質(zhì)量控制難度大，施工中需采取措施加強(qiáng)施工質(zhì)量控制。

3 利用平板船改裝為砂樁打設(shè)船

目前，國(guó)內(nèi)水上專業(yè)的砂樁船施工設(shè)備有限，為保證工程工期和順利推進(jìn)，計(jì)劃通過改造平板船為砂樁船進(jìn)行施工，即在平板船上安裝砂樁振沖成孔、灌砂、定位等設(shè)備。平板駁船上主要布置砂樁樁架系統(tǒng)、供砂裝置、存砂區(qū)、砂樁控制系統(tǒng)和船員生活區(qū)。由于砂樁間距規(guī)格多，為減少樁架調(diào)整，樁架間距6m 布置在船體一側(cè)，可兼顧樁距1.2m、1.5m、2m 和3m的砂樁施工。

樁架系統(tǒng)由砂樁樁管、振動(dòng)錐、導(dǎo)向架、支撐架等組成，砂樁樁管長(zhǎng)度基于水深和砂樁長(zhǎng)度確定，砂樁套管長(zhǎng)度和水深決定導(dǎo)向架的高度。供砂裝置的組成結(jié)構(gòu)主要包括挖機(jī)、儲(chǔ)料斗、皮帶機(jī)和提升料斗等。

4 砂樁施工方法

4.1 施工流程

施工準(zhǔn)備→打樁船就位→成樁試驗(yàn)→啟動(dòng)樁錘打至標(biāo)高→灌砂→提升樁管→振動(dòng)密實(shí)→成樁→檢驗(yàn)（若不合格，則需進(jìn)行補(bǔ)打）→進(jìn)入下一根樁施工。

4.2 施工前準(zhǔn)備

實(shí)際工作中，需在正式施工前做好以下幾項(xiàng)內(nèi)容：

1）施工前在施工區(qū)域兩側(cè)布置明顯的岸標(biāo)，標(biāo)識(shí)出大概的施工區(qū)域，用于施工船舶粗略定位。

2）施工前應(yīng)進(jìn)行GPS 設(shè)備校正；對(duì)新建圍堰砂樁施工區(qū)進(jìn)行預(yù)先掃海，進(jìn)一步確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際標(biāo)高情況；由于各個(gè)施工船采取平行施工，船舶之間保證施工區(qū)域通暢；并準(zhǔn)備好勘探報(bào)告、測(cè)量資料、施工圖紙、設(shè)計(jì)交底會(huì)議紀(jì)要、水文氣象資料等。

3）施工前對(duì)振動(dòng)錘、皮帶機(jī)、挖掘機(jī)等機(jī)械設(shè)備和相關(guān)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)，確定無(wú)故障隱患后方可施工。對(duì)進(jìn)場(chǎng)的砂料進(jìn)行檢查，確保其質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)保證儲(chǔ)砂量滿足1d 的施工需求。確保施工人員都在其對(duì)應(yīng)施工區(qū)域內(nèi)，并對(duì)施工人員的安全防護(hù)用具進(jìn)行檢查。

4）施工前根據(jù)設(shè)計(jì)給定打砂樁區(qū)域，對(duì)施打砂樁的位置進(jìn)行編號(hào)，依據(jù)施打砂樁的先后順序編排序號(hào)，并在施打砂樁圖上進(jìn)行標(biāo)注，做好施工記錄，避免出現(xiàn)遺漏或復(fù)打的問題。

4.3 砂樁施工方法

4.3.1 沉樁定位

本工程采用GPS 定位砂樁沉樁位置，定位時(shí)先根據(jù)里程岸標(biāo)及中心線岸標(biāo)進(jìn)行粗定位，船舶錨泊采用前八字錨和后交叉錨定位，防止船舶受風(fēng)浪影響發(fā)生偏位，導(dǎo)致砂樁位置不準(zhǔn)確，同時(shí)配1 條抽心纜，用于移動(dòng)船舶。施工前把事先做好的砂樁樁位圖導(dǎo)入定位軟件中或者把砂樁坐標(biāo)導(dǎo)入GPS 中，根據(jù)定位系統(tǒng)顯示的樁位與設(shè)計(jì)樁位相對(duì)位置絞纜移船，嚴(yán)格控制移船速度，待船只準(zhǔn)確就位后固定，固定約3min 并重新校正船位，確定GPS 或軟件樁位圖和實(shí)際砂樁位置一致。

4.3.2 成孔

沉樁前還應(yīng)檢查樁底活瓣是否密封，防止樁管內(nèi)進(jìn)泥；當(dāng)樁管打至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，采用在管內(nèi)下放測(cè)深繩的方法再次檢驗(yàn)管內(nèi)是否進(jìn)泥，確保砂樁樁長(zhǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。

施工前檢查無(wú)誤后，從送料漏斗投入一定量砂（砂量約為1m 樁長(zhǎng)）然后下沉樁管，利用樁管自重下沉到一定標(biāo)高后啟動(dòng)振動(dòng)錘，振動(dòng)樁管下沉至預(yù)定深度。成孔底標(biāo)高通過樁管上的刻度計(jì)算，根據(jù)樁管水面處的刻度算出樁管水面下長(zhǎng)度，同時(shí)利用當(dāng)時(shí)潮位反算出樁底標(biāo)高。沉樁標(biāo)高需要嚴(yán)格控制，施工時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確掌握施工潮位，保證成樁深度。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙砂樁間距要求，砂樁施工時(shí)采用從外圍向中間、遠(yuǎn)離建筑物的順序推進(jìn)，采用間隔的方法跳躍式打樁。

4.3.3 裝填砂料

在船定位前，運(yùn)砂船?？看驑洞?，并用皮帶機(jī)把砂輸送到打樁船的集料箱中。用挖掘機(jī)將集料箱中的砂通過皮帶機(jī)裝入過渡漏斗中，由于過渡漏斗方量固定，利用過渡漏斗控制灌砂方量。沉樁達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，用卷?yè)P(yáng)機(jī)將過渡漏斗提起置于沉樁口處下料。前期打樁時(shí)充盈系數(shù)初步定為1.3，最終的充盈系數(shù)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

4.3.4 成樁

拔管時(shí)按照設(shè)計(jì)要求在底標(biāo)高留振10～20s，然后拔起0.5～1m，留振20s 使活頁(yè)充分打開，在邊拔邊均勻振動(dòng)，按1.0～2.0m/min 或設(shè)計(jì)要求的速度提升樁管并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)和試樁效果確定拔管過程反插次數(shù)以保證砂樁密實(shí)度。下料不暢時(shí)，停拔留振，或下壓反插后再提升留振，直至砂料灌入，拔管時(shí)，每提升2m 必須檢測(cè)1 次管內(nèi)砂面高程，以確保樁體完整、連續(xù)，樁徑滿足設(shè)計(jì)要求；砂樁距頂標(biāo)高5m 時(shí)，每1m 反插1～2次，留振10s 以增強(qiáng)該部分的樁體密實(shí)度。

5 施工質(zhì)量控制

5.1 原材料控制

砂樁置換用砂時(shí)采用中粗砂，含泥量＜5%，通透系數(shù)＞5×10-3cm/s，施工使用的砂應(yīng)檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后方可使用。

5.2 砂樁垂直度控制

在沉樁施工前檢測(cè)樁管的傾斜度，若傾斜度＞1%，通過調(diào)整船艙壓載水調(diào)整沉管傾斜度。

5.3 砂樁標(biāo)高控制

沉樁前應(yīng)檢查樁管樁尖的密閉性，避免因樁管內(nèi)進(jìn)入淤泥而影響成樁質(zhì)量。沉樁到指定標(biāo)高后，使用測(cè)深繩在管內(nèi)測(cè)量是否有淤泥進(jìn)入沉管內(nèi)，若有，則應(yīng)拔出樁管，排除故障后重新施工。

砂樁以設(shè)計(jì)標(biāo)高為主，貫入度為輔。根據(jù)本工程要求，砂樁應(yīng)穿透軟弱土層，當(dāng)打入高程與設(shè)計(jì)高程有偏差時(shí)，應(yīng)留振1～2min，在留振過程中密切關(guān)注振動(dòng)錘電流大小等參數(shù)，貫入度＜20mm/min 時(shí)可停錘，并及時(shí)做好施打砂樁的記錄。

當(dāng)套管沉入時(shí)遇到孤石或者硬土層時(shí)，如距砂樁標(biāo)高＜1m，留振30s 仍無(wú)法下沉，可就此驗(yàn)收；若＞1m 則考慮在其旁邊1 倍樁徑的范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)打，若在該點(diǎn)4 個(gè)方向補(bǔ)打均無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，報(bào)參建各方協(xié)商后再行確定處理方案。

5.4 灌砂量與灌砂率的確定與控制

正式施工之前應(yīng)進(jìn)行典型施工，以確定每延米的灌砂量，在灌砂時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)加水使砂密實(shí)。樁管上拔時(shí)，應(yīng)注意檢查有無(wú)“砂塞”現(xiàn)象，防止出現(xiàn)斷樁。采用“鐵錘敲擊法”判斷有無(wú)“砂塞”，當(dāng)樁管發(fā)出清脆的金屬聲時(shí)說明沒有，音質(zhì)沉悶時(shí)則說明管內(nèi)存在“砂塞”。“砂塞”需采用“反插法”消除。

施工時(shí)遇到有縮徑的樁，可采用局部復(fù)打，其復(fù)打深度必須超過縮徑處1m 以上。當(dāng)一個(gè)砂樁區(qū)域灌砂量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，采取全面復(fù)打措施，保證砂樁置換率。

為保證砂樁均勻連續(xù)，灌砂量和灌砂率必須得到保證，在勻速震動(dòng)提升樁管的同時(shí)檢測(cè)樁管內(nèi)的砂面標(biāo)高，單根砂樁理論灌砂量計(jì)算如下：

式中，L樁長(zhǎng)為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)，m；R為砂樁樁管的半徑，m；K為天然砂體積與震動(dòng)密實(shí)砂體積之比，可通過實(shí)驗(yàn)得出；V為裝砂損耗量和震動(dòng)引起砂墊層表面形成的凹坑，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般V=0.25m3。

由于施工時(shí)采用皮帶機(jī)、料斗喂砂，料斗容積僅為理論值，無(wú)法反映真實(shí)喂砂量。故在試樁過程中，采用管內(nèi)灌砂振實(shí)后在管內(nèi)打測(cè)繩，由管內(nèi)灌砂前后砂面高差算出振實(shí)后的砂量，即為振實(shí)后的砂量。

6 置換砂樁檢測(cè)

對(duì)砂樁密實(shí)度進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)深度要求鉆穿砂樁底部1m，按1.0～1.5m 間距進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)。要求砂樁施工面以下5m 深度內(nèi)未經(jīng)桿長(zhǎng)修正的標(biāo)貫擊數(shù)≥5 擊，5m 以下標(biāo)貫擊數(shù)≥8 擊【1】。

砂樁施工過程中，通過第三方檢測(cè)單位對(duì)已成型砂樁進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)，共隨機(jī)選取85 根砂樁進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

水中振沖置換砂樁工藝作為一種軟基加固的施工工藝，在霞浦核電海工Ⅲ標(biāo)段取得了較好的應(yīng)用效果，通過置換砂樁，地基加固效果明顯。但也存在不足，如砂樁施工對(duì)設(shè)備要求高，設(shè)備優(yōu)劣對(duì)成樁質(zhì)量影響較大，以及軟基處理效果沒有擠密砂樁理想，需要進(jìn)一步改進(jìn)。