深水大管径砂桩施工工艺及质量控制(修改版).doc

深水大管径砂桩施工工艺及质量控制林福裕1，钟永松1，杨梅2（1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；2.水利部淮河水利委员会治淮工程建设管理局，安徽 蚌埠 233001）摘要：结合洋山深水港区西港区码头工程接岸结构砂桩的施工实践，深入剖析砂桩施工工艺，论述深水大管径砂桩的施工技术及质量控制要点，指出该工艺中所采用的雷达物位计稳定工作的必要性，强调施工时砂桩端部处理、拔管成桩质量控制的重要性；最后根据工后砂桩质量检测及目前驳岸棱体的稳定情况，对大管径砂桩的地基改良效果进行定性的评价，并对工艺改进空间作一定程度上的展望。通过经验总结，以期此文能为类似工程提供借鉴。关键词：砂桩；大管径；质量控制；雷达Technology and quality control of large diameter sand pile in deep waterLIN Fu-yu1，ZHONG Yong-song1，YANG Mei2（1.CCCC Water Transportation Consultants Co., Ltd., Beijing 100007, China;2. Engineering Construction Authority of the Huaihe River Commission of the Ministry of water Resources, P.R.C, Bengbu 233001, China）Abstract：Combing with the sand pile construction experience within the Connecting structure of the West Port Terminal Project at Yangshan Deep Water Port，analyzing the construction techniques of the sand pile deeply，this paper introduces the construction technology and quality control key points of large diameter sand pile，pointing out that the stable operation of the radar used by the techniques is necessary，accentuating that the treatment of the tip and the tube drawing to form sand pile are important；finally，according to the quality inspection of the sand pile and the stability of the revetment，making a qualitative evaluation on the effect of subsoil improvement，and giving some prospects for process improvement. Hoping this paper can provide a reference for similar projects by summarizing the work experience.Key words：sand pile；large diameter；quality control；Radar1. 工程概况洋山深水港区西港区码头工程位于小洋山二期工程西侧，东海大桥进港海堤颗珠山大桥以南。码头结构拟采用高桩梁板式结构，接岸结构采用斜顶桩板桩承台结构形式，并在板桩墙后抛石至高程+3.8m形成厚度约为1012m的驳岸挡墙减压棱体，而该区域为海上深厚软土地基，加上后方将会是大面积高抛填砂形成的陆域堆场，则高荷载作用下，该土层必将产生很大的变形，包括主固结沉降变形、侧向变形、次固结沉降变形，这些变形将直接影响挡墙驳岸结构的沉降变形及整体稳定。为减少地基发生差异沉降和总体沉降，避免快速加载时出现地基破坏的情况出现，设计采用水下大管径砂桩进行地基加固。砂桩在软土地基中的置换和排水作用，可以有效提高软土的抗剪强度，缩短软粘土的排水固结时间，并与软粘土形成复合地基，增大地基强度，提高软基承载力，最终达到满足驳岸棱体稳定性的目的。驳岸棱体结构如图1：图1 驳岸棱体结构图2. 加固区域原地质概况2加固区域软土层普遍发育，浅部普遍分布厚度较大的淤泥质粘性土层，叠加厚度具大，一般为1537m，该层标准贯入试验击数一般为12击，工程地质性质差，为高含水量、中高压缩性、灵敏性软土，为不良地基土层。土层主要组成为：1) 灰黄色淤泥质粉质粘土（1）：新近淤积，饱和流塑状，工程性质极差，分布高程+3.01-3.49m，厚度为10.719.7m，实测标准贯入试验击数一般为1击；灰黄灰色粉细砂透镜体（1t）：新近淤积，饱和松散状，砂质不纯，工程性质差，分布高程+0.51-16.25m，厚度为0.810.3m，实测标准贯入试验击数一般为15击，个别69击。2) 灰黄灰色砂质粉土（2）：饱和松散状，工程性质一般，分布较少且厚度较薄，实测标准贯入试验击数一般为16击，个别810击。灰黄灰色粉细砂（3）：饱和，松散，工程性质一般，分布较少且厚度较薄，实测标准贯入试验击数一般为27击。3) 灰黄灰色淤泥（1-1）：饱和流塑状，土质均匀，工程性质差，厚度为1.59.3m，实测标准贯入试验击数一般为1击；灰黄灰色淤泥质粘土（1-2）：饱和流塑软塑状，土质均匀，工程性质差，厚度为1.524.5m，实测标准贯入试验击数一般为12击；灰黄灰色淤泥质粉质粘土（2）：饱和流塑软塑状，土质稍均匀，工程性质差，厚度为1.521.2m，实测标准贯入试验击数一般为13击。3. 设计参数及施工工艺1) 结合砂桩实验典型施工和一三期砂桩施工的经验论证，四期砂桩设计参数为：根据地质情况分区，主要以设计标高控制，为-33.0-38.0m，以基本打穿1-2或2土层为主；设计桩径为1.0m；设计面积置换率为25%35%；设计灌砂量不少于1.15m3/m；拔管速率不大于1.5m/min；砂料为含泥量小于3%的中粗砂。在沉桩前，加固区域抛填2.0m厚的袋装砂垫层作为横向排水通道。2) 施工工艺：主要以某单位研发制造的砂桩船为机具，能以3管同时进行施工，船机作业系统示意如图2：图2 砂桩作业系统示意图主要包括：提升系统、振动系统、加压系统、加砂系统、定位系统及电脑操作系统等工艺流程示意如图3：必要时施工准备（包括工前测量）船 机 就 位砂料检测砂源组织测量比对、定位运砂到场入泥前加压排水加砂至提升斗振动入泥约5m桩管自重下沉提升料斗、加砂2斗加压、振动沉桩至设计标高端部处理（排泥）振动拔管、加砂加压振动复打稍提升桩管排泥灌砂量验收砂桩检测图3 工艺流程图4. 深水大管径砂桩成桩关键性质量问题砂桩的成桩过程中工作环节较多，涉及一些关键点必须控制，否则难以达到预期的砂桩地基改良的效果。经过对工艺的深入研究及现场旁站控制，现将深水大直径砂桩的质量控制关键点归纳有：1) 砂桩在进行地基改良过程，作用其一即是作为软土层的竖向排水通道，砂料控制至关重要。2) 砂桩平面位置及高程基准采用GPS RTK（后面简称GPS）进行定位，其准确性直接影响到按图施工的准确性和后期砂桩检测工作，即在深水潮流下钻杆定位到1.0m直径砂桩难度较大，则亦应按工前排列的桩位坐标进行准确施工。3) 成桩过程，应控制好端部处理，排泥不完全将造成已沉桩至设计标高的假象，实则未然。4) 拔管过程，容易由于拔管过快或管内下砂异常，导致砂桩断节，造成严重的质量问题，砂桩将降低甚至失去排水通道的作用，地基改良效率大受影响，应杜绝此况出现。另外砂桩的作用其二即是置换，密实砂桩取代同体积的软弱粘土，与软土形成复合地基共同承担上部荷载1，则为控制砂桩的密实性及不缩径，严格控制砂桩灌砂率也是质量关键点之一。5. 深水大管径砂桩成桩质量控制在生产实践过程中，特别是在深水厚泥的海域运用，目前该工艺在我国正处于不断完善的过程，也使质量控制具有一定的难度。为了抓住质量的关键，首先应认真研究工艺、了解船机设备的运转，全面掌握加固区域的地质情况，熟悉设计参数及要求，然后回归到现场生产中，逐步抓重点严控制：1) 为保证桩体的排水性能，须严格控制砂料质量，本工程采用中粗混合砂，粒径大于0.25mm的颗粒质量大于总质量的85%，且粒径大于0.5mm的颗粒质量大于总质量的35%，不均匀系数13，含泥量小于3%。按规范要求的批次对进场砂料进行检测，生产过程若发现砂料质量异常时，现场要求暂停使用，立即取样检测，然后根据检测结果决定继续使用与否，以此做到全过程砂料满足设计规范要求。2) 为控制砂桩施工的正位率，施工前，必须组织对船只GPS定位系统进行比对，即在陆上控制点架设一台全站仪，桩管放置棱镜进行比对，并根据船只零点进行数据转换后，与GPS系统提供的砂桩桩位数据比较，以此校核GPS的准确性：平面位置允许偏差20cm4，高程允许偏差10cm。比对工作按每周一次的频率进行，形成常态管理工作。另外在施工过程中，如遇GPS失锁现象，应暂停施工，待GPS定位系统恢复正常后方可继续施工。3) 砂桩端部处理质量控制是重点，而桩端排泥的完全性，主要取决于桩管顶部雷达物位计（以下简称雷达）的正常工作，准确反映桩管内泥面（或砂面）标高SL，然后结合桩端标高GL，计算机自动生成管内泥柱长度L，即有L=SL-GL。操作手可以据此边给桩管施加压缩空气边缓慢拔管，在压缩空气压力、振动锤激振力及稍拔管三者作用下完成排泥工作。在桩管留振20s，确保桩底的密实后，开始进入拔管成桩作业环节。4) 拔管成桩时，为防止砂桩出现缩径、断节等严重质量问题，则首先应控制灌砂率及灌砂量，计算机根据设计灌砂率、砂垫层顶面标高及桩底标高得出砂桩总灌砂量，据此进行总体上控制；过程根据仪显管内砂柱长度变化情况，进行拔管速度及长度的控制，理想状态下应是砂柱减少量与拔管量至少同步，即LSL-GL，而在施工过程中，由于操作手不熟练，或者管内下砂异常等因素，均能导致桩管超拔，出现砂桩缩径、断节的问题，则必须进行复打，然后重新拔管成桩。通过循环加砂、加压和振动拔管成桩，当桩端达到砂桩顶标高时再留振20s，保证桩顶的密实性，成桩后，移船进入下一组砂桩施工。以上3)、4)为施工过程质量控制重中之重，从下管到排泥，到拔管成桩过程，都应密切关注SL数值，其准确性直接影响到砂桩质量，SL数值由雷达物位计（以下简称雷达）测量经计算机处理获取，目前所用雷达主要适用于静态料仓内物料标高的量测，而在砂桩工艺中运用时，受振动锤激振力及压缩空气的共同作用，加上海砂具有一定含水量，在该环境下装设于桩管顶部的雷达的测量精度会受到影响，特别是雷达防尘罩被水蒸气雾化后，吸附细砂，致使出现雷达信号大幅度波动、失去信号的现象，则需暂停施工，对雷达防尘罩进行检查维护，待雷达准确测量后再行施工。施工过程，桩端GL数据主要由桩身架附的细钢丝绳在测距编码器的作用下，经计算机处理后显示，而由于振动锤的激振力作用强烈，会造成GL数值失准，则应定期对GL进行比对，若是比对结果与GPS高程值有较大差别（本工程按20cm控制），则应重新设置GL原点，确保数据准确。除此之外，应保证空气压力传感器正常工作，据此可以控制管内空气压强，在保证下砂顺畅的情况下，避免由于加压过大致砂料桩管中喷出，保证砂桩施工质量，减少砂料浪费。6. 加固效果砂桩施工完成后，为进一步了解砂桩施工质量情况，采用钻孔取芯和标准贯入进行试验检测，主要检测桩身连续性和密实度。在加固区域内随机抽取13组桩进行检测3：1) 根据砂桩检测报告内取芯检测结果：砂桩桩身连续、完整，砂桩实际标高与设计标高基本一致；桩顶和桩底标高与施工记录中桩顶和桩底标高基本一致。以取芯砂料进行颗分试验，砂颗粒以0.52mm的粗砂为主（含量45%-50%），局部为0.250.5mm的中砂（含量30%-40%），其余为2mm以上细砂砾（含量10%左右）和0.25mm以下粉细砂（含量10%左右），质量满足设计要求。2) 根据标贯检测结果，砂桩桩身的密实度为稍密中密状态，图4为部分检测桩的N/击-深度/m的分布图：图4 标贯击数随深度变化曲线图将砂桩标贯检测的N值与加固区域原地质概况进行比较，可发现砂桩的密实度明显大于加固原土层，与软土复合后，大大提高了承载力，达到地基改良的效果。7. 结语通过对砂桩干法施工工艺的深入剖析，掌握该工艺施工质量的控制要点，过程旁站监管到位，总体上砂桩施工质量受控，目前根据驳岸棱体的沉降观测情况，砂桩的地基改良效果也较具明显。当然，随着技术水平的不断提高，我们也可以对将有不断完善成熟工艺进行一定的展望：1) 在桩管处设置水下地形扫描仪，自行探测生成砂桩工前泥面标高，减少工作环节，提高计量的准确性。2) 研制生产适合在振动锤激振力、压缩空气及潮湿环境内稳定工作的雷达物位计，确保SL数据的稳定和准确，提高施工效率。3) 对雷达物位计安装位置进行调整试验，探索雷达稳定工作的最佳装设方式。4) 提高密封工艺，在桩管顶进料处设置上下导