深水軟基半圓體弧線段安裝施工關(guān)鍵技術(shù)

張魯生，楊洪武

（山東港灣建設(shè)集團有限公司，山東 日照 276826）

0 引言

半圓形防波堤是一種較新型的防護性構(gòu)筑物，堤身由半圓形拱圈和底板組成，安放于拋石基床之上，該結(jié)構(gòu)在日本九州宮崎港首次應(yīng)用，由中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院在國內(nèi)加以發(fā)展并率先實施[1-3]。隨著航運事業(yè)的發(fā)展，防波堤逐漸向深海發(fā)展，而我國遠離海岸的地基土多為物理力學(xué)性質(zhì)較差的軟黏土或淤泥[4]，對于深水軟基條件下的防波堤結(jié)構(gòu)選型而言，輕型重力式結(jié)構(gòu)的半圓形防波堤是一種經(jīng)濟合理的選擇。隨著該種結(jié)構(gòu)的適用范圍日益廣泛，半圓體構(gòu)件的尺寸漸趨大型化，以及預(yù)制出運條件的復(fù)雜化，常規(guī)安裝技術(shù)已無法滿足現(xiàn)場施工的需求，安裝工藝需進行進一步的優(yōu)化創(chuàng)新，以解決隨之凸現(xiàn)的新難點和面臨的新問題。

1 工程概況及特點

金線頂?shù)囟握w改造水工二期島式防波堤工程為中交一航院設(shè)計的適合深水軟基的大型半圓體輕型結(jié)構(gòu)，位于威海灣中部突出的岬角金線頂附近，北東南三面臨海，北接幸福公園，南鄰?fù)９珗@，東距劉公島3.0 km，為威海濱海標志性地段。其半圓體構(gòu)件高8.5 m，拱圈厚0.7 m，外徑7.2 m，底板厚1.3 m，底寬18.4 m，單件長度5 m，單件重量470 t，半圓體數(shù)量共計170個。防波堤縱軸線為半徑1 500 m的圓弧段，圓弧長度為863.335 m。該半圓體為目前亞洲應(yīng)用于實際工程中尺寸最大的半圓體構(gòu)件。

本工程采用水上打設(shè)塑料排水板進行深水軟基處理，其上為拋石基床，半圓體安裝于整平基床之上，典型斷面見圖1。本防波堤形式為弧形島式防波堤，弧線段對半圓體的安裝精度要求較高，深水軟基安裝半圓體初期沉降位移較大，海陸均不適宜傳統(tǒng)測量儀器架站，而且深水軟基初期沉降大的特性決定了基床的預(yù)留沉降大，形成高基床，高基床之上的水深無法滿足起重船吃水要求，因此必須根據(jù)本工程的結(jié)構(gòu)特征和自身特點來確定半圓體的安裝工藝。

2 自然條件

島式防波堤-7 m水深處施工期采用10 a一遇的E向設(shè)計波浪要素：設(shè)計高水位1.15 m時，H1%=3.2 m，H5%=2.7m，H13%=2.3m，平均T=7.1s。設(shè)計低水位-1.13m時，H1%=2.8m，H5%=2.3m，H13%=2.0 m，平均T=7.1s。

威海金線頂區(qū)域的最大風速達22 m/s，對應(yīng)的強風向為NNW向及SW向，次強風向為NW、NNE向，常風向為NNW及NW向，頻率都是11%。年平均氣溫12.3℃，多年極端最低氣溫-13.8℃，夏季極端最高氣溫38.4℃。年平均降水量793.4 mm，年最多降水量1 192.7 mm，最少降水量450.5 mm。

該區(qū)域內(nèi)各土層分布較有規(guī)律，在勘察深度范圍內(nèi)自上而下主要有：淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、粉質(zhì)黏土混砂、細中砂、殘積土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。

圖1 金線頂?shù)囟握w改造水工二期島式防波堤典型斷面圖

3 半圓體安裝施工工藝流程

本吊裝主要施工工藝分為起吊、裝船和安裝三部分，其工藝流程為：起重船雙鉤轉(zhuǎn)單鉤并掛吊架→半圓體移至出運碼頭前沿→起重船和方駁于碼頭前沿就位→起重船掛鉤起吊半圓體→起重船絞纜將半圓體吊至方駁→起重船方駁自航至安裝施工區(qū)域→掛鉤起吊半圓體并下放至海面→頂推船旋轉(zhuǎn)半圓體至安裝角度→依據(jù)鄰近標準點a值安裝半圓體→半圓體坐底，頂推船牽引摘鉤。

4 施工工藝關(guān)鍵技術(shù)

4.1 起重船參數(shù)的確定

由于本工程出運碼頭為新建的方塊重力式碼頭，為確保其沉降位移在允許范圍之內(nèi)，待吊裝半圓體于出運碼頭胸墻后沿5 m以外放置。根據(jù)現(xiàn)場情況，單個半圓體重量470 t，吊鉤鋼吊架鋼絲繩總重約50 t，起重船吊裝半圓體吊距需要32 m左右，由起重船中南818船機參數(shù)表（表1）可知，選擇臂架角度60°、幅度36.9 m進行吊裝。

表1 自航起重船中南818船機參數(shù)

4.2 起重船雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置

本工程采用1 200 t固定變幅式起重船中南818起吊半圓體，中南818船為雙主鉤，半圓體吊孔位于拱圈側(cè)面，由于出運碼頭前沿線所限，半圓體縱軸線垂直于出運碼頭前沿線預(yù)制，受限于場地條件半圓體陸上轉(zhuǎn)向困難，常規(guī)工藝的起吊角度無法滿足安裝角度要求，為解決該問題，設(shè)置雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置，轉(zhuǎn)換裝置由橫梁、夾板、吊軸、吊耳、單鉤頭和兩根φ120 mm鋼芯鋼絲繩組成，通過該裝置，可使固定變幅式起重船在吊裝過程中具備旋轉(zhuǎn)構(gòu)件功能，通過頂推船輔助，半圓體旋轉(zhuǎn)至需求角度進行安裝，雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置實物如圖2所示。

圖2 雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置實物圖

4.3 鋼吊架的確定

吊裝半圓體時，設(shè)置鋼吊架改變半圓體受力方向，鋼吊架主受力桿件由兩根40bH型鋼（鋼號Q235B，馬鞍山鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)）采用翼板對接焊制而成，主受力桿件之間的支撐桿件由20號槽鋼對扣焊接而成。鋼吊架平面尺寸14.9 m×3.41 m，用于支撐4根φ100 mm的麻芯鋼絲繩（WBF100型，巨力索具股份有限公司生產(chǎn)），鋼絲繩單根長50 m，穿過吊鉤鋼銷后對折，經(jīng)由鋼吊架的φ290 mm鋼銷改變受力方向，最后2個琵琶頭掛于單鉤之上。

4.4 起重船和方駁定位

起重船更換雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置，并在其下掛好鋼吊架。調(diào)整起重船位置進行掛鉤起吊半圓體，將半圓體擺放于自航方駁之上，自航方駁裝船完畢后，駁載半圓體至防波堤外側(cè)安裝區(qū)域，船身平行于已安裝半圓體約15 m距離下錨定位，自航方駁定位完畢后，起重船垂直于已安裝半圓體下錨定位，詳見圖3。

圖3 起重船和方駁安裝半圓體定位平面圖

4.5 掛鉤起吊半圓體

起重船和方駁準確定位在預(yù)定位置，起重船收緊左前八字纜1將吊鉤定位于駁載半圓體的正上方，起重船緩慢掂鉤至方駁甲板上方1.9 m（即吊鉤與吊孔處于同一高度），控制吊鉤位置，將吊鉤推入吊孔（見圖4）。起重船緩慢起鉤，調(diào)整輔助吊鉤與吊孔完全接觸，起重船加載80 t后，檢查吊鉤與吊孔接觸面是否嚴密吻合，起重船繼續(xù)加載至半圓體離甲板0.5 m，進一步檢查吊索吊具是否正常，檢查正常后，起重船起吊半圓體，松掉左前八字纜1，收緊左前八字纜2，通過牽牛纜和右前八字纜將半圓體移出方駁，并緩慢掂鉤至海面。

圖4 吊鉤推入吊孔

4.6 利用轉(zhuǎn)換裝置旋轉(zhuǎn)半圓體至安裝角度

起重船緩慢掂鉤將半圓體下放至海面，待海水浸潤半圓體底板0.7 m高度左右時停止掂鉤，利用兩條頂推船進行緩慢旋轉(zhuǎn)半圓體，直至半圓體滿足安裝需求的角度（見圖5），將半圓體底板浸潤一定高度再進行頂推旋轉(zhuǎn)，其一為便于頂推船的頂推，其二是因為半圓體通過雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置可以旋轉(zhuǎn)至任意角度，利用海水的相對阻力和黏滯特性可以控制半圓體的旋轉(zhuǎn)速度，易于達到安裝需求角度。

4.7 測量定位難點及處理措施

本防波堤形式為弧形島式防波堤，現(xiàn)場條件不適宜傳統(tǒng)測量儀器架站，GPS技術(shù)的RTK技術(shù)相對于傳統(tǒng)測量儀器而言，具有精度高、速度快、不需要通視、可實時定位等優(yōu)點，然而對于本工程而言，對吊裝坐底過程中的半圓體采用RTK進行實時定位理論上可行，但起重船的臂架和鋼吊架鋼絲繩等會嚴重阻擋、反射或折射衛(wèi)星信號，實際操作中在吊架下使用RTK，其衛(wèi)星信號會完全被屏蔽，無法進行點放樣。因此半圓體的安裝需采取一定措施既能保證利用RTK定位的優(yōu)點，又能避免障礙物對信號的屏蔽問題。

為解決測量定位的難點，利用鄰近已安裝半圓體的標準點進行安裝。吊裝前在半圓體頂部設(shè)置安裝縱軸線和安裝控制點（K1點和K2點），設(shè)置方法為：在半圓體頂部正中沿縱軸線方向彈設(shè)墨線，該線即為半圓體的安裝縱軸線，從每個半圓體的縱軸線（墨線）兩端點向內(nèi)返10 cm，設(shè)立2個安裝控制點（K1點和K2點），并用十字墨線標記，如圖6所示，安裝時半圓體從東向西進行安裝，每個半圓體坐底時，其東側(cè)安裝控制點（K1點）以上一個已安裝半圓體的標準點（B2點）坐標來控制。即半圓體安裝完畢，起重船摘鉤后絞纜移船到方駁位置吊裝下一個半圓體，此時用RTK在已安裝的該半圓體上進行標準點（B2點）的放樣，B2點即為已安裝半圓體K2點的設(shè)計位置，其軸線偏差值記為a，下一個半圓體安裝時，其經(jīng)過K1點的縱軸線對準偏離已安裝半圓體控制點（K2點）的a/4處（B2點和K2點之間）進行掂鉤坐底，接縫局部大樣圖如圖7所示。

圖5 頂推船旋轉(zhuǎn)半圓體

圖6 半圓體安裝控制平面圖

4.8 半圓體安裝坐底的質(zhì)量控制

在安裝過程中，用事先準備好的縫板在兩半圓體之間控制安裝縫寬度，并可防止坐底過程中的半圓體磕碰已安裝半圓體。根據(jù)安裝期間的水位情況，從底板以上的以第2排孔或第3排孔為縫板控制區(qū)，縫板控制區(qū)域和縫板厚度詳見圖6。兩條頂推船分別在半圓體南北縫板控制區(qū)域，由安裝工利用縫板控制縫寬。針對坐底過程中半圓體的縱軸線糾偏而言，本工程的縫板增減厚度△d和坐底過程中半圓體B2點的縱軸線偏差△h關(guān)系為：△d=1.4△h，即縫板每增加或減少1.4個單位厚度，則坐底過程中的半圓體B2點的縱軸線偏差會相應(yīng)變化1個單位距離，利用該關(guān)系進行現(xiàn)場安裝，可根據(jù)已安裝半圓體的a值快速確定下一個半圓體的縫板增減厚度。

坐底過程中的半圓體，其縱軸線對準偏離已安裝半圓體標準點（B2點）的a/4處，然后起重船緩慢掂鉤，直至起重船荷載降至100 t并坐底，此時對半圓體位置和接縫進行校核，滿足要求后，起重船繼續(xù)掂鉤，兩條頂推船輔助牽引摘鉤，若半圓體坐底后位置有偏差，則起重船起鉤，重新安裝，直至半圓體位置偏差符合設(shè)計要求和規(guī)范規(guī)定。

圖7 半圓體接縫局部大樣圖

5 結(jié)語

1）設(shè)置雙鉤轉(zhuǎn)換單鉤裝置，使半圓體在起吊過程中可進行平面任意角度旋轉(zhuǎn)，解決了弧形島式防波堤對安裝角度要求高（每個半圓體安裝角度均不相同），以及在高基床和出運碼頭前沿線受限的條件下常規(guī)工藝的起吊角度無法滿足安裝角度要求的難題，提高了安裝精度，而且半圓體出運至碼頭前沿任意角度擺放均可吊裝，簡化了施工工序，提高了工作效率。

2） 利用上一個半圓體的標準點和控制點來定位坐底過程中的半圓體，既能保證利用RTK定位的優(yōu)點，又能避免障礙物對信號的屏蔽問題，實際應(yīng)用結(jié)果表明，該方法能夠滿足安裝設(shè)計要求和現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定。

3）相鄰半圓體之間以偏差a/4來控制縱軸線糾偏，為本工程現(xiàn)場安裝的經(jīng)驗值，能夠滿足對坐底過程中的半圓體進行縱軸線糾偏，并且控制相鄰半圓體的錯臺在允許范圍之內(nèi)。得出縫板增減厚度△d和坐底過程中半圓體B2點的縱軸線偏差△h關(guān)系：△d=1.4△h，利用該關(guān)系進行現(xiàn)場安裝，可以根據(jù)已安裝半圓體的a值快速確定下一個半圓體的縫板增減厚度，達到對半圓體縱軸線進行準確糾偏的目的。

4） 本工藝適用于出運碼頭前沿線有限，半圓體縱軸線垂直于出運碼頭預(yù)制且陸上轉(zhuǎn)向困難時，在深水軟基高基床之上進行弧線段及其他非直線段防波堤半圓體的安裝，對于提高常規(guī)半圓體防波堤的安裝精度和工效，亦有參考作用。

[1] 徐光，謝善文，李元音.防波堤的新型結(jié)構(gòu)型式[J].水運工程，2001（11）：20-25.

[2]謝善文，李元音.長江口深水航道治理工程中的新型半圓型導(dǎo)堤結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].水運工程，2006（12）：28-33.

[3]謝世楞.半圓形防波堤的設(shè)計和研究進展[J].中國工程科學(xué)，2000，2（11）：35-39.

[4] 趙曉嵐，李元音，吳進，等.半圓型海堤斷面的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].港工技術(shù)，2005（2）:19-21.