大直徑鋼圓筒振動(dòng)下沉工藝及設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

孟凡利，孔令磊，劉昊檳，楊潤(rùn)來(lái)

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大橋島隧工程共有東、西兩座人工島，每座人工島兩端分別與沉管隧道、橋梁相連接，以此實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換。為保證東、西人工島快速成島，采用了拋石斜坡堤和臨時(shí)鋼圓筒圍堰相結(jié)合的島壁結(jié)構(gòu)。采用鋼圓筒沿人工島設(shè)計(jì)岸壁前沿位置振沉至不透水層，構(gòu)筑成島內(nèi)基坑施工期止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)快速整島止水，人工島內(nèi)外兩側(cè)可以同步施工，實(shí)現(xiàn)快速筑島。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)

東、西人工島主格采用鋼圓筒結(jié)構(gòu)形式，其中東島鋼圓筒59個(gè)，西島鋼圓筒61個(gè)。鋼圓筒直徑均22.0 m，壁厚16 mm，高度40.5~50.5 m，打設(shè)后筒頂標(biāo)高+3.5 m[1]。

1.2 鋼圓筒結(jié)構(gòu)形式

為提高鋼圓筒的剛度，克服振沉過(guò)程中的阻力及高頻振動(dòng)引起的變形，提高激振力傳遞效率，保證圓筒順利下沉，分別在橫向和縱向焊接Q235B鋼板或型鋼進(jìn)行加強(qiáng)。同時(shí)，為防止振沉過(guò)程中頂口屈服及底口卷邊，圓筒頂部1 m、底口0.5 m范圍內(nèi)的筒壁采用25 mm厚Q345B鋼板進(jìn)行加強(qiáng)[1]。

1.3 工程地質(zhì)情況

根據(jù)人工島現(xiàn)場(chǎng)勘探和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，東人工島典型地層劃分如表1所示[2]。

2 振沉設(shè)備選用

為保證大尺寸鋼圓筒順利振沉到位，振動(dòng)錘組的選擇是工程得以順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本工程鋼圓筒振沉選用了8臺(tái)進(jìn)口APE600型液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)方案。8臺(tái)APE600型液壓振動(dòng)錘采用雙向齒輪箱多級(jí)傳遞實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步。經(jīng)計(jì)算校核，鋼圓筒振沉所需最小振幅為3.75 mm，振動(dòng)體系最小振幅為4.34 mm，激振力富裕系數(shù)1.4，振沉系統(tǒng)能力滿足要求。振動(dòng)錘參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 東人工島地層劃分表Table1 Stratigraphic classification tableof east island

圖1 鋼圓筒振沉施工工藝流程圖Fig.1 Construction processof steel cylinder vibration sinking

表2 APE600型液壓振動(dòng)錘參數(shù)Table 2 Parameters of APE600 hydraulic vibratory hammer

3 鋼圓筒振沉施工工藝

鋼圓筒振沉具體工藝流程如圖1所示。

3.1 鋼圓筒起吊

為保證鋼圓筒制作、裝船、起吊、振沉過(guò)程的操作有規(guī)律可循，同時(shí)達(dá)到保證圓筒中心位置及寬榫槽間夾角的準(zhǔn)確，在鋼圓筒筒體確定了一條基準(zhǔn)線。該基準(zhǔn)線即鋼圓筒起吊時(shí)振動(dòng)錘組的中線，定義為 0°~180°線。0°~180°線與振動(dòng)錘組關(guān)系見(jiàn)圖2。

起重船駐位完成后，應(yīng)保證船面垂直于0°~180°連線。主要方法為通過(guò)觀察錘組上0°線與鋼圓筒筒頂0°線是否重合。通過(guò)平移及旋轉(zhuǎn)起重船使錘組進(jìn)入鋼圓筒筒頂正上方后，緩慢松鉤，直至鋼圓筒進(jìn)入液壓夾具導(dǎo)向槽，調(diào)整振動(dòng)錘組，使1號(hào)錘與5號(hào)錘中間夾具與筒壁上預(yù)先設(shè)置的擋板貼緊。該擋板的設(shè)置主要為提高吊筒精度，確定振動(dòng)錘組與寬榫槽之間的相對(duì)位置。擋板形式及位置示意見(jiàn)圖3。

圖 2 0°～180°線與振動(dòng)錘組關(guān)系圖Fig.2 Physical diagram of therelationship between 0°to 180°line and vibration hammer

調(diào)整時(shí)，通過(guò)控制起重船上設(shè)置的2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)交叉牽引系于錘組共振梁上的晃繩松緊，緩慢旋轉(zhuǎn)錘組，直至夾具與擋板緊貼后下落錘組。晃繩分別系于錘組2號(hào)錘及7號(hào)錘上專用吊環(huán)，如圖4所示。

此外，也可先忽略擋板，粗略找準(zhǔn)位置下落錘組，然后根據(jù)需要張緊晃繩，直至錘組緩慢旋轉(zhuǎn)至設(shè)計(jì)位置后，再下落錘組。

圖4 晃繩布置形式圖Fig.4 The arrangement form of rope

圖3 擋板形式及位置示意圖Fig.3 Schematic of the form and position of the baffle

夾頭夾緊后，氣焊工割除筒底口加固鋼板。每個(gè)鋼圓筒共有加固鋼板36塊，每10°加固1塊。鋼板高480 mm，厚24 mm。經(jīng)過(guò)計(jì)算及第三方驗(yàn)算，該種加固方式可確保鋼圓筒運(yùn)輸時(shí)可抵抗8級(jí)風(fēng)，滿足運(yùn)輸要求。

鋼圓筒起吊時(shí)，起重人員密切注意鋼圓筒位置，防止與相鄰鋼圓筒發(fā)生磕碰。

3.2 鋼圓筒定位

3.2.1 鋼圓筒定位原理

在定位駁上安裝2臺(tái)GPS接收機(jī)、2臺(tái)自動(dòng)跟蹤全站儀和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，并在振沉系統(tǒng)剛性振動(dòng)梁上安裝4個(gè)適配反射棱鏡和4個(gè)液位計(jì)，組成一套定位系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)鋼圓筒平面位置、筒頂高程和縱橫向垂直度。定位系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)接收CORS參考站差分信號(hào)，獲得實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)；全自動(dòng)跟蹤全站儀在人工粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)角、測(cè)距，4個(gè)液位計(jì)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量鋼圓筒兩個(gè)軸線上高差來(lái)監(jiān)測(cè)垂直度，各測(cè)量和監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼圓筒振沉定位和過(guò)程檢測(cè)。

3.2.2 精定位

精定位需選在平潮時(shí)間段作業(yè)，雙鉤松至筒底距離泥面標(biāo)高以上0.5～1 m開(kāi)始精定位過(guò)程。精定位采用中交一航局自行研發(fā)的“鋼圓筒施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”進(jìn)行定位。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括定位駁上安裝的2臺(tái)GPS接收機(jī)、2臺(tái)自動(dòng)跟蹤全站儀和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，以及在振動(dòng)梁上安裝的4個(gè)適配反射棱鏡和4個(gè)液位計(jì)。

通過(guò)4個(gè)液位計(jì)監(jiān)測(cè)鋼圓筒的垂直度。每個(gè)液位計(jì)的頂部安裝一個(gè)適配棱鏡，通過(guò)2臺(tái)全站儀跟蹤2個(gè)可見(jiàn)的棱鏡來(lái)確定鋼圓筒的中心坐標(biāo)及高程。通過(guò)定位界面顯示數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)鋼圓筒的定位。

各測(cè)量、監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖見(jiàn)圖5所示。

3.3 鋼圓筒振沉

振沉過(guò)程中，若為自沉順利情況，雙鉤起至460 t后每50 t一級(jí)逐級(jí)減載，直至松鉤至200 t而維持吊重緩慢跟進(jìn)。對(duì)于通過(guò)糾偏而最后確定振沉的情況，則視土質(zhì)軟硬而確定松鉤速率。最終經(jīng)測(cè)量監(jiān)控達(dá)到標(biāo)高后確認(rèn)停錘。

4 施工結(jié)果分析

鋼圓筒振沉的施工控制主要是：平面位置、垂直度、平面扭角、振沉標(biāo)高。鋼圓筒振沉質(zhì)量的控制主要是為滿足副格弧形鋼板的正常振沉，在實(shí)現(xiàn)快速成島的同時(shí)，為島內(nèi)施工提供良好止水效果的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。本工程的鋼圓筒振沉的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

圖5 定位系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備布置圖Fig.5 Layout of GPSmeasurement equipment

5 結(jié)語(yǔ)

超大直徑、超深埋深的鋼圓筒振沉在國(guó)內(nèi)尚屬首次，屬世界罕見(jiàn)的技術(shù)。本工程為世界上第一次采用8臺(tái)液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)振沉體系進(jìn)行鋼圓筒振沉。振沉的鋼圓筒結(jié)構(gòu)為國(guó)內(nèi)直徑最大、高度最高的鋼圓筒結(jié)構(gòu)[4]，同時(shí)也是世界上體量最大的鋼圓筒結(jié)構(gòu)。

大直徑鋼圓筒圍護(hù)結(jié)構(gòu)快速成島技術(shù)的成功實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了“當(dāng)年動(dòng)工、當(dāng)年成島”目標(biāo)，與原有的擠密砂樁拋石斜坡堤筑島方案相比提前工期2 a實(shí)現(xiàn)成島目標(biāo)，同時(shí)為島內(nèi)干施工提供了安全、穩(wěn)定的止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為港珠澳大橋島隧工程的順利推進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過(guò)該工程的實(shí)踐，形成了鋼圓筒的制作、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的駐位、鋼圓筒的定位、鋼圓筒振沉糾偏、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水、大型液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)等一整套的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。