创新砂桩技术 填补国内空白——挤密式砂桩施工与控制技术诞生记
点击数: | 发布时间:2012-03-09

 

砂桩船是一种利用置换原理,运用砂料对软弱地基进行加固的专用工程船舶,其专属的挤密式砂桩工艺(SCP)在外海筑港、人工岛建设等海洋工程中具有无可比拟的技术优势,其应用前景十分广阔。通过大量的研发与试验,中交三航局有限公司成功将该工艺应用于洋山深水港建设中。
在港珠澳大桥岛隧工程中,挤密砂桩的沉设是岛体桩基工程的重要组成部分。为此,中交三航局有限公司新造3条砂桩船,并通过砂桩船的建造,引进日本SCP砂桩船的自动控制系统技术,通过全过程参与自动控制系统的研制并吸收消化,对现有技术进行全面总结和再创新,形成具有特色的挤密砂桩施工与控制全套技术。
 
砂桩工艺 初露锋芒
早在2002年洋山港一期工程建设开工前,中交三航局有限公司船机处便引进了一艘日本新型砂桩船——砂桩2号。其性能远远高于当时国内普通的砂桩船,先进的砂桩工艺使其迅速地成为洋山港桩基工程的主力军。事实证明,砂桩工艺在洋山港一期工程中取得的成功只是初露锋芒。因此,三航当机立断决定将现有一艘大型船舶改造成一艘大功率、多桩管的砂桩船(砂装3号),协同砂桩2号一起进行洋山港施工作业。
虽然从日本进口的砂桩2号技术先进,但是日本人在卖给三航时,已拆除了自动化控制系统,所以改造砂桩3号的目的就是要在保持原有砂桩工艺的同时让它自动化,使其运用PAC电脑控制灌砂数量、深度,根据环境变化与工作状态不同自动调整。历经90天,当这艘3200千瓦总功率、高66米的5管桩架,自动化程度最高的砂桩3号改造完成时,所有人都觉得这是一个奇迹。10台大小车、10台锚机、7台柴油机、13台绞车、13个砂斗、7套皮带输送带、66米高的桩架,数不清的机舱管道,超过1万米的电缆……这些连专业船厂也难以做到的改造项目,在中交三航局有限公司船舶公司手中成功现实。
港珠澳大桥海上人工岛施工
 
先行试验 未雨绸缪
2010年3月,经改造成砂桩船后的起重10号在紧靠东海大桥的洋山ZK36号钻孔附近海面,进行了挤密式砂桩的首次试验。该海域的水深及土质与港珠澳大桥区域相似程度高,试验内容是挤密式砂桩施打最大深度和效率、在粉质粘土和粘土中的排泥沉桩情况,以及回打工序的最大扩径和工效。因此,挤密式砂装试验的重要性不言而喻。
经过测量施工区域的泥面标高、GPS桩位定位、砂面检测仪、砂管检测仪原点与步长校核后,开始进行扩径桩的工艺试验。桩管下沉到水下55米,入土近40米,根据人工岛砂桩的计算标准对挤密式砂装工艺进行了试验,并对样品进行颗粒分析,测定含水率、堆积密度、表观密度、紧密密度、不均匀系数、轻物质含量、含泥量等,推算其堆积及紧密时的空隙率。驾驶室里摄像机全程记录着主控电脑显示屏上数据与曲线的微小变化,通过自身的管理软件和外置的摄录装备进行双备份。一些重要技术数据将反馈给局技术部门供参考和决策。
起10船借鉴了砂桩2号、砂桩3号的改造经验,电气系统采用了变频技术,使机电运行过程中电力变化稳定,控制精度提高。桩锤采用了日本制造400KW型号,大大增强了套管贯入的能力。2号桩管进行接长,在正中截断,增加14米的接入段,并更换了桩管底端,增加1米连接段,将1.2米直径改为1米,从而使原先45米的砂桩管接长至60米。加装高压冲水泵,能起到破坏土层,钻透细砂层,让砂密集灌入的作用。起10船挤密式砂桩首次试验基本达到了预期目标,在试验中获得技术数据都为砂桩7号、砂桩8号在港珠澳东人工岛顺利施工夯实了基础。 86米挤密式砂桩船
 
自主研发 优化工艺
如今中交三航局有限公司自主研发的挤密式水下砂桩在我国是一种基床处理新技术,它是在专用船舶上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,形成大直径密实砂柱体从而达到置换软土地基的目的。同时该公司还研发了套管及管端结构、砂桩船专用GPS定位系统、砂料计量与输送系统、砂面检测仪、施工自动化系统和砂桩施工管理软件等新型工艺,提高了砂桩船舶的应用性能,为砂桩船更好的投入施工建设提供了有力保障。
挤密砂桩的加固原理是依靠沉桩过程中对周围土层的挤密作用,提高软土地基的承载力。其对地基的适应性较强,用于软弱地基加固时,通过增加地基强度,加快地基固结,减少结构物沉降,提高地基的抗液化能力,从而显著地提高软弱地基的承载力,对后继工序的快速推进十分有利,同时它对周围环境的影响程度小,符合当前的环保要求。水下挤密砂桩的适用范围更加广泛,可应用于对砂性土、粘性土、有机质土等几乎所有土质的地基加固处理。与普通砂桩相比挤密砂桩桩体的密实性高,加固的置换率可达60%~70%,深度能达到水下60米,砂桩直径可达2米。同时,由于水下挤密砂桩形成的高置换率复合地基具有较高的承载力,较低的压缩性,使得它可与多种形式的上部结构整合应用,具有较好的技术经济性,从而达到减少工程造价的目的。
2011年7月,在施工现场进行工艺试桩完毕后,专业的检测机构对所打砂桩进行了标贯和取芯检测,检测的结果无发现断桩,且标贯结果完全符合设计要求。从65米桩架到如今的86米;从手动控制到如今的全自动化控制系统;从最初对砂桩工艺的摸索,到如今对挤密式砂桩进行工艺革新……中交三航局有限公司用了10年时间。挤密式砂桩工艺技术的不断突破、创新、优化以及深层次的研发不但增强了公司的技术实力和市场竞争力,而且有着极其重要的现实意义和战略意义。
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