擠密砂樁施工工藝在軟弱粉砂地質(zhì)中的應(yīng)用及其二次經(jīng)營的思路

靳粉紅 中交四航局第三工程有限公司

為滿足港口吞吐能力發(fā)展要求,地質(zhì)條件復(fù)雜的岸線陸續(xù)開發(fā),采用何種地基加固技術(shù)非常重要[1]。水下擠密砂樁技術(shù)是在地基中沉入樁管，然后邊拔邊灌入砂并振實，在地基中形成密實砂柱體，對地基的適應(yīng)條件強[2]。但國內(nèi)該技術(shù)在軟弱粉砂地質(zhì)中應(yīng)用并不多,本文結(jié)合北海港鐵山港東港區(qū)欖根作業(yè)區(qū)1-2號泊位及南1-3號泊位水工和道路堆場工程項目水下擠密砂樁應(yīng)用情況，探討其施工工藝的應(yīng)用以及二次經(jīng)營思路[3]。

1.工程概況

北海港鐵山港東港區(qū)欖根作業(yè)區(qū)1-2號及南 1-3號泊位水工和道路堆場工程項目擬建設(shè)2個10萬噸級通用泊位、3個5000噸級通用泊位，碼頭結(jié)構(gòu)形式為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，碼頭岸線總長992m，碼頭基礎(chǔ)采用拋石基床結(jié)構(gòu)，拋石厚度4.5～5.5m，基床地基采用擠密砂樁進(jìn)行加固處理，原設(shè)計樁徑為0.8m，為間距1.6m正方形布置，樁頂標(biāo)高-11.8～-20.2m，樁底標(biāo)高-24.2～-35.2m，入土深度4-15m，樁總根數(shù)為16464根，擠密砂樁施工總面積為40736m2，灌砂量約86474m3，設(shè)計要求擠密砂樁處理區(qū)域標(biāo)貫N≥15擊，施工用砂采用中粗砂。

1.1 地質(zhì)情況

依據(jù)本項目地質(zhì)勘察報告地質(zhì)資料分析，勘區(qū)覆蓋層從上而下分別為第四紀(jì)全新世海相沉積形成的（Q4m）粉細(xì)砂（局部中粗砂或淤泥）、第四紀(jì)中更新世海相沉積形成的（Q2m）粉細(xì)砂（局部中粗砂）、粉土（局部粉細(xì)砂）、粉細(xì)砂（局部中粗砂或粘性土）、粉質(zhì)粘土～粘土（局部粉細(xì)砂）、第四紀(jì)殘積形成的殘積土（Qel）；基底為下石炭紀(jì)沉積形成的石灰?guī)r各級風(fēng)化巖層，共分七大類地層[4-5]。

1.2 工程特點

擠密砂樁主要作用是是擠密樁周圍的軟弱或松散土層，使其與砂樁共同組成復(fù)合地基，以提高軟基抗剪強度，減小沉降量，加固軟土地基的固結(jié)，提高地基的穩(wěn)定性。它同時具有擠密、置換、加快固結(jié)作用,可以很直接、快速、顯著的提高軟弱地基的承載力，但是本項目碼頭基槽實際地質(zhì)復(fù)雜，施工時實際地質(zhì)與設(shè)計原地勘不符，實際地質(zhì)極軟，擠密砂樁樁徑均為0.8m，長15m的單根樁的灌砂量計算為7.5方，按最新的設(shè)計布置點位施工的新增3#試驗區(qū)單根樁的灌砂量平均達(dá)到了約31方，是設(shè)計樁體砂量的約4倍，所有3000多根砂樁的平均灌砂量，是設(shè)計樁體砂量的3.15倍。

2.擠密砂樁施工工藝的應(yīng)用

2.1 施工流程

擠密砂樁施工流程，如圖1所示。

圖1 擠密砂樁施工流程

2.2 砂料的取用

擠密砂樁用砂采用運砂船直接從現(xiàn)場施工水域抽取，采用1200t皮帶運砂船2艘。擠密砂樁用砂質(zhì)量要求：采用中細(xì)砂，含泥量不宜大于5%，內(nèi)摩擦角不小于32。

砂料運送到場后，用皮帶機拋砂至打樁船，啟用挖機，分批次將砂料裝至儲料斗，以便投入使用。

2.3 樁位計算及沉樁定位

砂樁工藝原理：采用振動錘下沉樁管，將符合要求的砂通過皮帶機下放至樁管內(nèi)，并隨著樁管的上拔，通過振動、管內(nèi)砂柱與原泥面的高差產(chǎn)生的自重壓力以及回插復(fù)打等方式壓實擴徑形成砂樁，如圖2所示。

圖2 砂樁船施工示意圖

2.4 振動沉樁

砂樁套管采用活瓣樁靴結(jié)構(gòu)，砂樁船完成移船和精確定位后，依次分別沉放兩根砂樁套管，當(dāng)套管接近泥面時，開啟振動錘施打套管至設(shè)計標(biāo)高，振沉套管過程中關(guān)閉套管底部樁靴門。

2.5 套管內(nèi)加砂

振動打設(shè)套管至加砂標(biāo)高后，由挖機將砂送至輸送帶進(jìn)料口，再由分料皮帶機將砂分別供給每根套管。施工過程中應(yīng)避免由于控制不當(dāng)而發(fā)生砂柱套管內(nèi)的砂料全部排出或大量排出的情況出現(xiàn)。

2.6 成樁

套管加滿砂后開動振動錘上拔套管，套管上拔速度不超過3m/min，在振動錘的強振和管內(nèi)砂自重作用下打開樁尖，將砂料從套管內(nèi)貫入土層中，通過管內(nèi)砂柱與原泥面的高差產(chǎn)生的壓力以及回插復(fù)打方式使砂柱擠密壓實擴徑，形成一段擠密砂樁。一般對于800mm套管，根據(jù)設(shè)計要求每延米充盈系數(shù)不小于2.0，每成樁1m需灌砂約1m3，上拔砂樁套管過程中應(yīng)保證砂料排出速度均勻并符合設(shè)計排砂量要求。根據(jù)施工經(jīng)驗，結(jié)合現(xiàn)場試樁情況，每次拔管2-4m高度后至少進(jìn)行一次打水監(jiān)控管內(nèi)下砂情況，若下砂量不滿足2倍充盈系數(shù)要求，則對該段擠密砂樁進(jìn)行回插復(fù)打，確保每段擠密砂樁灌砂量滿足設(shè)計要求。

3.二次經(jīng)營的策略及思路

3.1 二次經(jīng)營簡述

二次經(jīng)營是一種管理理念，是針對于一次經(jīng)營的基礎(chǔ)上，甲乙雙方履行工程項目合同時所發(fā)生的一切經(jīng)營行為，目的是在通過項目實施，提高合同履約質(zhì)量和獲取項目經(jīng)濟效益，二次經(jīng)營的實施。主要包括項目施工層面和開源創(chuàng)效層面。

3.2 研究研究合同及項目特點，針對性解決問題

北海港鐵山港東港區(qū)欖根作業(yè)區(qū)1-2號及南 1-3號泊位水工和道路堆場工程項目港池疏浚砂基本為中細(xì)砂，現(xiàn)場采取方便，不受外界影響，并且從材料源頭節(jié)約成本，也能保證施工砂樁供應(yīng)需求，但是原設(shè)計擠密砂樁用砂為中粗砂，由于受到環(huán)保政策影響，周邊地區(qū)中粗砂資源缺乏，且中粗砂存量極少，無法通過外購方式滿足項目現(xiàn)場所需。經(jīng)過試樁，試驗區(qū)單根樁的灌砂量是設(shè)計樁體砂量的約4倍，所有砂樁的平均灌砂量是設(shè)計原本砂樁船正常情況下每天能夠施工60-80根/天，現(xiàn)砂樁船實際每天只能完成約30根，施工效率極低，工期及施工成本大幅增加。

因為涉及變更金額較大，且合同條款擠密砂樁為大包干，包干范圍包含了地質(zhì)風(fēng)險的限制，使得在商務(wù)上爭取變得非常困難；擠密砂樁屬于一種新的地基加固技術(shù)，不屬于成熟的傳統(tǒng)工藝，國內(nèi)實施先例較少，無類似的成功經(jīng)驗作為參考；此外設(shè)計單位堅持傾于原設(shè)計方案，認(rèn)為技術(shù)風(fēng)險不大。因此，解決擠密砂樁技術(shù)風(fēng)險和商務(wù)風(fēng)險問題舉步維艱。

3.3 從技術(shù)角度打開突破口

針對項目實際問題，項目尋求技術(shù)專家的技術(shù)支持，為考慮碼頭結(jié)構(gòu)安全，從技術(shù)角度出發(fā)尋求突破口，整理現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，組織建設(shè)單位及其委托的第三方單位進(jìn)行復(fù)勘，根據(jù)施工過程中對原狀孔的標(biāo)貫檢測及建設(shè)方委托的第三方復(fù)勘結(jié)果顯示，基槽開挖后的地基土標(biāo)貫擊數(shù)與原地勘結(jié)果相比變化較大，地質(zhì)極為松散，證實碼頭基槽地質(zhì)與原設(shè)計地勘資料不符，并分析對比本項目與港珠澳大橋項目中不同置換率的擠密砂樁灌砂量問題，從工藝原理上向建設(shè)方解釋原合同中約定費用的不合理性，為推動設(shè)計變更提供依據(jù)。

3.4 優(yōu)化施工方案，進(jìn)一步推動變更形成

因為實際地質(zhì)極軟，砂樁的直徑為0.8m，超灌的砂在砂樁本體密實的基礎(chǔ)上往砂樁與砂樁之間擴散，讓砂樁之間的地質(zhì)擊數(shù)變高、地質(zhì)變硬，以滿足整體承載力的要求。如不在砂樁之間擴散砂，砂樁之間區(qū)域的擊數(shù)依然是0擊，碼頭沉箱放置在是會發(fā)生沉降、位移甚至傾覆，存在這極大的安全隱患。

因現(xiàn)場施工過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)遠(yuǎn)比原設(shè)計地勘結(jié)果軟弱，考慮碼頭結(jié)構(gòu)安全以及項目條件的特殊性和實際情況，本項目對基槽擠密砂樁進(jìn)行了設(shè)計變更，擠密砂樁由間距為1.6m正方形布置調(diào)整為1.6m間距正三角形布置，驗收標(biāo)準(zhǔn)由“地基處理區(qū)域標(biāo)貫N≥15擊”調(diào)整為：地基土層整體平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)≥15擊，表層2m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)≥10擊，且≥15擊的標(biāo)貫試驗次數(shù)占全部標(biāo)貫試驗的比例不小于70%；單個檢測孔標(biāo)貫≦2擊的標(biāo)貫次數(shù)為2個或以上時，應(yīng)在檢測孔所在橫斷面上前后增加2個檢測孔，最后根據(jù)擴大檢測結(jié)果確定是否采取補充處理措施。

項目根據(jù)設(shè)計變更調(diào)整了施工方案，采用振動沉管成樁工藝，按照變更后的擠密砂樁設(shè)計方案進(jìn)行了新增3#試驗區(qū)，在振動鋼管上拔形成砂樁過程中，增加回打工序，每3m回打一次，檢測管內(nèi)下砂量是否滿足2.0倍以上的充盈系數(shù)要求，不滿足繼續(xù)回打。

依據(jù)施工后的檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，經(jīng)設(shè)計單位核算，將地基處理范圍往碼頭前沿方向加寬11.2～12.7m,前沿加寬部分增加10348根，砂樁布置方式調(diào)整及部分已施工區(qū)域加密處理增加2702根，原設(shè)計16464根的基礎(chǔ)上共增加13050根，砂樁數(shù)量共計29514根，設(shè)計計算灌砂量約153844m3，增加地基的滑移穩(wěn)定性，碼頭承載力、抗滑移等各項指標(biāo)滿足要求。

表1 不同區(qū)域平均單樁充盈系數(shù)

3.5 及時收集整理資料，為二次經(jīng)營打好基礎(chǔ)

擠密砂樁施工充盈系數(shù)對其成本影響很大，因此確定平均單樁充盈系數(shù)非常重要。北海港鐵山港東港區(qū)欖根作業(yè)區(qū)1-2號及南 1-3號泊位水工和道路堆場工程擠密砂樁施工期間，對其不同區(qū)域平均單樁充盈系數(shù)做了詳細(xì)的統(tǒng)計。

由于每個項目特點及情況不一，同時現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)文件并未對擠密砂樁的充盈系數(shù)進(jìn)行規(guī)定，因此擠密砂樁充盈系數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗及施工情況來確定，而結(jié)合項目實際，本項目試驗或施工得出的充盈系數(shù)應(yīng)該在合理的范圍內(nèi)。同時，經(jīng)多次試驗以及根據(jù)已施工的樁基記錄顯示，本項目擠密砂樁的充盈系數(shù)普遍在3.0-4.0之間，也反映出項目地質(zhì)條件的特殊性。對于擠密砂樁變更費用預(yù)算，項目各方經(jīng)過討論認(rèn)為1#區(qū)域施工完成3222根樁的充盈系數(shù)3.15更具有代表性，可參考此數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步的商務(wù)談判。

3.6 根據(jù)變更的圖紙及定額等相關(guān)文件，及時簽證敲定變更

因砂樁設(shè)計方案發(fā)生變更，工程量增加，施工工效降低，項目工期和施工成本大幅度增加，項目承受巨大的工期壓力和成本壓力。

（1）工期變更。因碼頭基槽實際地質(zhì)復(fù)雜，項目部有半年時間幾乎一直在進(jìn)行擠密砂樁試樁施工，經(jīng)過努力也最終確定了設(shè)計變更方案，但仍然對項目造成了很大的影響：根據(jù)設(shè)計確定的處理方案，考慮碼頭結(jié)構(gòu)安全，原設(shè)計16464根的基礎(chǔ)上共增加13050根，砂樁數(shù)量共計29514根。此外，由于基槽地質(zhì)極其軟弱，實際灌砂量遠(yuǎn)超設(shè)計樁體砂量，經(jīng)各方試驗并確認(rèn)平均單樁充盈系數(shù)是3.15。原計劃210天完成本工程所有擠密砂樁施工，由于砂樁數(shù)量增加及灌砂量增加，單條砂樁船作業(yè)大約需工期980天。項目擬采取增加兩組擠密砂樁施工船舶（作業(yè)面最大可容3組船舶同時施工）、增加作業(yè)工人、24小時輪班作業(yè)等措施趕工，3組施工船組功效約90根/天，29514根擠密砂樁已完成3244根，剩余26270根擠密砂樁施工仍需要至少約300天（未考慮受臺風(fēng)季節(jié)影響）。擠密砂樁作為碼頭的關(guān)鍵工序，該分項工期的延長將直接導(dǎo)致整個工程工期的延長，做好相關(guān)的功效分析調(diào)整施工計劃，及時報批爭取總工期的延長。

（2）費用變更。本項目設(shè)計方案變更后，砂樁數(shù)量增加了13050根，并且設(shè)計要求“樁每延米充盈系數(shù)不小于2.0”，砂樁的總方量為約484609方（86430×3.15+67414×3.15），與定額消耗量對比，發(fā)現(xiàn)實際用砂損耗量已遠(yuǎn)超出定額約定考慮的損耗范圍，因此本項目擠密砂樁費用增加與通常的損耗量有本質(zhì)的區(qū)別。鑒此，根據(jù)地勘與復(fù)勘資料、設(shè)計變更圖紙、會議紀(jì)要以及一些過程中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等等資料，及時提交費用變更申請。本項目二次經(jīng)營包含增加的試驗區(qū)的標(biāo)貫檢測費共增加約5000萬元。

4.二次經(jīng)營效果

項目及時發(fā)現(xiàn)碼頭基槽地基軟弱，與設(shè)計地勘結(jié)果不符，預(yù)判出碼頭后期存在位移重大風(fēng)險，及時向業(yè)主反饋信息，推動第三方復(fù)勘，推動設(shè)計院專家復(fù)審，從而推動設(shè)計變更并落地，規(guī)避了質(zhì)量風(fēng)險，并為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。并且項部從開至目一直處于趕狀態(tài)，施工前及中期均進(jìn)行了24小時晝夜施工控制良好，由于工程進(jìn)度的加快，為項目縮短工期，節(jié)約了大量管理成本。安全生產(chǎn)零事故質(zhì)量良好無返工，間接減少了項目部成本支出。

5.結(jié)語

工程實踐表明，擠密砂樁加固軟弱土地基具有經(jīng)濟合理、技術(shù)可靠、加固效果好等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。同時，一次經(jīng)營是二次經(jīng)營的前提，二次經(jīng)營是一次經(jīng)營的延續(xù)，在實際工程中應(yīng)合理運用二次經(jīng)營策略，避免項目產(chǎn)生巨大虧損，也是保證施工企業(yè)權(quán)益和經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。