限高條件下格型鋼板樁大圓筒現(xiàn)場(chǎng)組拼工藝

曹義國，苗艷遂

限高條件下格型鋼板樁大圓筒現(xiàn)場(chǎng)組拼工藝

曹義國，苗艷遂

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海200032）

港珠澳大橋香港人工島島壁采用格型鋼板樁大圓筒結(jié)構(gòu)，為了解決施工區(qū)域限高、水淺、地質(zhì)條件差、區(qū)域狹小等施工難題，大圓筒主格施工采用了1/4大圓筒預(yù)拼、分組振沉工藝，該工藝主要包括基地預(yù)拼、水上運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組拼合龍、分組振沉等。通過特殊工裝支架、專用起重船、鋼板樁弧形吊梁的研制，保證了85只格型鋼板樁大圓筒的順利組拼。實(shí)踐證明該組拼工藝是成功的，尤其適用于大型起重船不能進(jìn)入的區(qū)域，如水深較淺的潮間帶、機(jī)場(chǎng)附近的航空限高區(qū)域。

人工島；格型鋼板樁；大圓筒；現(xiàn)場(chǎng)組拼

1　概述

港珠澳大橋香港人工島是港珠澳大橋香港連接線的一個(gè)重要組成部分，占地面積約150萬m2。香港人工島工程為格型鋼板樁大圓筒與拋石堤組合的海堤內(nèi)回填圍墾工程[1]，格型鋼板樁島壁結(jié)構(gòu)軸線長度約5.1 km，共有格型鋼板樁大圓筒85只，大圓筒主格直徑31.194 m，副格直徑15.96 m，均采用YSP-FXL型直腹式鋼板樁，長度23.6～39.1 m。本工程單個(gè)格型鋼板樁大圓筒主格由196片直腹式鋼板樁組成，一般樁長達(dá)到37.1 m，均為目前國際之最。根據(jù)香港人工島現(xiàn)場(chǎng)限高、水淺、環(huán)保要求高等施工條件，大圓筒主格施工采用1/4大圓筒預(yù)拼、分組振沉工藝。

2　工程難點(diǎn)與工藝選擇

2.1工程特點(diǎn)和難點(diǎn)分析

港珠澳大橋香港人工島工程大圓筒施工主要有四大約束條件[2]，施工技術(shù)難度極大：1）施工區(qū)域限高，整個(gè)施工區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)限高在30～60m之間，施工設(shè)備選擇受到極大限制；2）水深淺，施工區(qū)域泥面標(biāo)高由南向北逐漸降低，近一半工程區(qū)域泥面標(biāo)高在-2.8～-3 m，平均海平面+1.2 m，施工船舶需乘潮作業(yè)，運(yùn)輸船舶無法到達(dá)施工點(diǎn)；3）地質(zhì)條件差，海底淤泥層厚約15～25 m，設(shè)計(jì)樁長23.6～39.1 m，長樁無法一次性就位，需現(xiàn)場(chǎng)接樁；4）施工區(qū)域狹小，海上環(huán)保要求高，施工期間島體周邊長期設(shè)置攔污帷幕，大圓筒施工局限于狹長的區(qū)域內(nèi)，作業(yè)船舶多，交叉干擾較大。

2.2工藝選擇

單個(gè)格型鋼板樁大圓筒主格總重量一般在450～560 t，在上下左右都受極大限制的條件下，目前世界上尚無合適的起重船一次完成1個(gè)主格整體吊裝和沉放。正是由于這種特殊條件，格型鋼板樁大圓筒主格施工選擇了1/4大圓筒預(yù)拼、分組振沉工藝。該工藝主要包括四大步驟：基地預(yù)拼、水上運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)組拼合龍、分組振沉等。

現(xiàn)場(chǎng)組拼合龍工藝特點(diǎn)：1）將整圓主格分為4個(gè)1/4圓鋼板樁組裝片分別吊裝，從而降低對(duì)起重船吊距和起重能力的要求，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量；2）為現(xiàn)場(chǎng)拼裝而設(shè)計(jì)的特殊工裝支架為國際首創(chuàng)，工裝支架所具備的升降功能解決了超長樁拼裝后的起重下放問題，工裝支架所具備的旋轉(zhuǎn)功能解決了狹長區(qū)域內(nèi)吊裝船舶不能移位吊裝問題，工裝支架所具備的擴(kuò)脹支撐功能解決了超長樁的傾斜與變形控制等問題；3）合龍樁采用專用連接板、螺栓連接技術(shù)，解決了在限高區(qū)域插鎖口拼接作業(yè)時(shí)的高度約束難題；4）專門設(shè)計(jì)制造的專用起重船解決了限高條件下吊重問題；5）專門設(shè)計(jì)制造的專用弧形吊梁有效解決了弧形1/4預(yù)拼件吊裝時(shí)的穩(wěn)定、減小起重船吊裝鋼絲繩的高度問題；6）在弧形吊梁下設(shè)置專用吊板，可將1/4圓鋼板樁組裝片懸掛體由弧形吊梁轉(zhuǎn)換到工裝支架上層平臺(tái)旋轉(zhuǎn)小車圈梁的掛鉤上。

3　關(guān)鍵裝備與技術(shù)

3.1工裝支架

1/4大圓筒現(xiàn)場(chǎng)組拼在大圓筒筒位設(shè)置的“工裝支架”上進(jìn)行?！肮ぱb支架”設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮最低限高區(qū)域限高、海床面標(biāo)高、鋼板樁長度、施工水位及預(yù)留間隙等因素。

根據(jù)該工藝的設(shè)計(jì)理念[3]，“工裝支架”需要具有支撐鋼板樁重量、回轉(zhuǎn)拼裝、下沉卸載、擴(kuò)脹支撐等功能?！肮ぱb支架”主要由以下幾部分組成。

3.1.1基礎(chǔ)支承樁

根據(jù)地質(zhì)條件、承載要求、各種工況和水位、氣象條件等，工裝支架基礎(chǔ)采用9根鋼管樁作支承，其中8根均勻布置在圓周上，1根布置在圓中心位置。支承樁樁頂標(biāo)高+2.5 m，直徑1 200 mm，壁厚18 mm，采用Q345鋼。每個(gè)格體鋼板樁振沉后均拔除基礎(chǔ)支承樁。

3.1.2上部支撐胎架

“工裝支架”上部支撐胎架由9根支撐立柱和上、中、下3層水平框架平臺(tái)等組成。其中上層與中層平臺(tái)具備升降功能，該2層平臺(tái)通過鋼絲繩柔性連接，且上層平臺(tái)圈梁上設(shè)置回轉(zhuǎn)小車圈梁，下層平臺(tái)為固定結(jié)構(gòu)，胎架頂端和底部設(shè)置固定連接結(jié)構(gòu)。上部支撐胎架在各種工況下均可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性要求。

工況一：正常施工工況，6級(jí)風(fēng)風(fēng)速10.8m/s、流速1.5 m/s、波高1.5 m最不利組合，以及在吊裝1～4片后旋轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)；

工況二：臺(tái)風(fēng)期，風(fēng)速48m/s、流速2.5m/s、波高3.0m、鋼板樁荷載為0時(shí)。

經(jīng)計(jì)算，上述兩種工況下，上部支撐胎架和下部支承鋼管樁可滿足承載力要求和穩(wěn)定性要求。

3.1.3“工裝支架”的升降裝置

“工裝支架”升降裝置[4]主要由4臺(tái)雙出繩關(guān)聯(lián)電動(dòng)絞車和導(dǎo)向滑輪，以及動(dòng)、定滑輪組組成。4臺(tái)絞車布置在下層平臺(tái)上，絞車底標(biāo)高+5.2 m。電動(dòng)轎車型號(hào)YVF2-315M-6-H，每臺(tái)絞車總功率110 kW。

鋼板樁由回轉(zhuǎn)小車圈梁承載，通過4套該系統(tǒng)和設(shè)在上層平臺(tái)圈梁上的8個(gè)吊點(diǎn)以9根立柱為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)鋼板樁的升降。見圖1。

圖1　升降絞車工作原理圖Fig.1 Working schematic of lift winch

3.1.4“工裝支架”的旋轉(zhuǎn)裝置

“工裝支架”的旋轉(zhuǎn)裝置[4]主要由以下三部分組成：1）回轉(zhuǎn)小車旋轉(zhuǎn)圈梁（配滾輪）；2）行星齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)；3）中層平臺(tái)隨動(dòng)旋轉(zhuǎn)T形鉤等。

3.1.5“工裝支架”的氣囊擴(kuò)脹裝置

為便于1/4鋼板樁預(yù)拼件合龍組裝成整格，工裝支架的各層平臺(tái)圈梁半徑均小于大圓筒理論半徑。鋼板樁拼裝合龍后為補(bǔ)償該預(yù)留間隙并能使胎架有效支撐鋼板樁，在上平臺(tái)和中平臺(tái)上設(shè)置了氣囊擴(kuò)脹系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、壓力控制與輸送系統(tǒng)和氣脹膠囊組成，同時(shí)配置真空吸氣裝置，在不需使用擴(kuò)脹系統(tǒng)時(shí)，可將氣囊收縮在鋼梁上凹槽內(nèi)。

3.2鋼板樁弧形吊梁

1/4圓鋼板樁組裝片采用專用弧形吊梁[3]起吊和安裝，吊梁弧度與1/4圓鋼板樁組裝片軸心弧度一致。兩對(duì)吊耳中心距13 m，與專用起重船間距中心一致。

為盡可能增加起重船有效吊高，鋼板樁弧形吊梁與起重船吊具之間直接采用吊耳板連接，詳見圖2。

鋼板樁與弧形吊梁連接方法詳見圖3。三角形專用吊板頂部鋼絲繩穿過弧形吊梁預(yù)留孔，使用軸銷連接鋼絲繩扣及弧形吊梁頂部的承力耳板。

圖2　鋼板樁弧形吊梁與起重船吊具（動(dòng)滑輪組）連接示意圖Fig.2 Connection of the steel sheet pile arc beamand the floating crane hook (movable pulley unit)

3.3專用起重船

“工裝支架”上部支撐胎架安裝、1/4圓組裝片分片吊裝均由“專用起重船”實(shí)施。

由于受航空限高限制，現(xiàn)有海上起重裝備很難滿足本工程格型鋼板樁整體吊裝要求。為此，特研制了具有一定吊重能力和較大舷外吊距的水平吊臂專用起重船[3]。根據(jù)航空限高、海床泥面高程、1/4圓組裝片分片吊裝工藝需求、“工裝支架”上部結(jié)構(gòu)總重和船體穩(wěn)性要求等，采用6 000噸級(jí)甲板駁船作專用起重船母船，見圖4。

圖3　鋼板樁吊裝方式與轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Lifting method and conversion of steel sheet pile

圖4　專用起重船F(xiàn)ig.4 Special floating crane

“專用起重船”主要起重性能參數(shù)：

1）甲板以上吊臂總高度39.0 m，在+2.0 m海平面、干舷高度為1.0 m時(shí)，臂架頂高程為+42.0m；

2）雙鉤左右吊距13m；

3）前雙主鉤：吊重2×2 000 kN，舷外吊距17.5m，甲板以上有效吊高35.3m；

4）后雙副鉤：吊重2×1 500 kN，舷外吊距10.5m，甲板以上有效吊高35.2m。

4　 1/4大圓筒預(yù)拼件現(xiàn)場(chǎng)組拼與合龍操作要點(diǎn)

4.1支承鋼管樁及沉設(shè)工藝

工裝支架支承鋼管樁采用甲板駁上配置履帶吊和液壓振動(dòng)錘實(shí)施沉樁。

支承樁樁位的精度將直接影響到支撐胎架安裝精度，從而影響到鋼板樁格體定位精度。為確保沉樁定位精度，每艘打樁船上配置3臺(tái)GPS測(cè)站、1臺(tái)測(cè)傾儀、2臺(tái)紅外測(cè)距儀及電腦監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行沉樁定位（陸上配置1臺(tái)公用參考站），GPS沉樁定位系統(tǒng)的測(cè)量精度均在30 mm以內(nèi)，沉樁竣工偏位可控制在100～150 mm以內(nèi)。為保證支撐胎架的垂直度和受力狀態(tài)良好，所有支承樁頂標(biāo)高需控制在20 mm以內(nèi)，沉設(shè)首根鋼管樁時(shí)采用GPS控制高程（陸上全站儀比對(duì)校核），沉設(shè)第2根—第9根鋼管樁時(shí)，采用T310水平掃描儀比對(duì)高程，如高程有差異可通過振沉和上拔調(diào)整鋼管樁初步調(diào)整樁頂標(biāo)高，必要時(shí)采取修割鋼管樁樁頭和厚鋼墊板找平。

4.2“工裝支架”上部支撐胎架吊裝

支撐胎架采用專用船2×2 000 kN主鉤起吊安裝。

支承樁頂部法蘭徑向設(shè)置螺栓孔，支撐胎架底部法蘭環(huán)向設(shè)置螺栓孔，上下法蘭之間最大允許偏心為120mm，支承樁法蘭頂部中心限位鋼撐可糾偏0～150mm，即使沉樁偏差達(dá)到270 mm以內(nèi)均可保證上下法蘭能順利對(duì)接和有效聯(lián)接。

在支撐胎架安裝過程中實(shí)時(shí)測(cè)量支撐胎架的平面位置和垂直度。在允許情況下可通過起重船移動(dòng)支撐胎架平面位置，盡量減少支撐胎架平面位置偏差。支撐胎架安裝垂直度按1%控制（鋼板樁垂直度要求為1/75[2]），一般情況下樁頂高差在20 mm以內(nèi)均能保證支撐胎架的垂直度要求。當(dāng)垂直度不能滿足要求時(shí)，起重船暫起吊支撐胎架，并根據(jù)支撐胎架傾斜度在支承樁法蘭上加鋼墊板找平。

4.3鋼板樁組裝片吊裝和整圓拼裝工藝

支撐胎架安裝就位和相應(yīng)的1/4圓鋼板樁組裝片運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，采用水平吊臂起重船錨泊在島體內(nèi)側(cè)分片吊裝組裝片（吊鉤為2×1 500 kN）。為防止吊裝過程中組裝片擺動(dòng)，在起重船的甲板部位設(shè)置鋼板樁抱緊裝置，該裝置兩端采用液壓式收緊器抱緊邊緣鋼板樁。

第1個(gè)1/4圓組裝片吊裝就位后，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置，將該組裝片平面旋轉(zhuǎn)180°，而后吊裝第2 個(gè)1/4圓組裝片，再平面旋轉(zhuǎn)90°，吊裝第3個(gè)1/4圓組裝片，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)180°，吊裝第4個(gè)1/4圓組裝片。

4.4合龍樁施工

4個(gè)1/4預(yù)拼件分別吊裝就位后，專用起重船撤離，振沉船進(jìn)點(diǎn)，利用振沉船上吊車分別安裝4根合龍鋼板樁。根據(jù)限高要求，合龍樁安裝需分段接長，為增加合龍樁一次拼裝長度，提高工效，4組1/4大圓筒預(yù)拼裝件懸掛后需下放至樁底與泥面約0.5 m間距處，再進(jìn)行合龍樁拼接。

1根合龍鋼板樁分為2～4段安插，分段拼接處內(nèi)外采用連接鋼板螺栓連接[2]。鋼板尺寸1 600 mm×330 mmδ16 mm，材質(zhì)Q345b；設(shè)置20個(gè)8.8級(jí)M33高強(qiáng)螺栓錨固。

5　結(jié)語

目前國際上格型鋼板樁大圓筒主格一般采用“預(yù)拼整打”工藝，“主格1/4圓筒鋼板樁基地預(yù)拼、水上組合散打”工藝與之相比，具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：1）具有更廣泛的適用性，特別是在限高、水淺、范圍窄，無法采用“現(xiàn)場(chǎng)散拼整打”工藝的條件下；2）現(xiàn)場(chǎng)施工占用水域面積相對(duì)較小；3）不需要2 000 t以上大噸位起重船，400～450 t起重船即可；4）基地預(yù)拼節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)拼裝的時(shí)間，且不受現(xiàn)場(chǎng)自然條件的制約，特別適用于現(xiàn)場(chǎng)年有效作業(yè)時(shí)間很短的外海區(qū)域。

港珠澳大橋香港人工島工程中采用“1/4圓筒基地預(yù)拼、水上組合散打”工藝的85個(gè)主格大圓筒已于2013年底全部完成，實(shí)踐證明該工藝是成功的。該工藝適用于陸域形成工程中的格型鋼板樁圍堤施工，尤其適用于大型起重船不能進(jìn)入的區(qū)域，如水深較淺的潮間帶、機(jī)場(chǎng)附近的航空限高區(qū)域等。

[1]奧雅納工程顧問.港珠澳大橋香港人工島工程設(shè)計(jì)圖[R].2010. Ove Arup&Partners Hong Kong Ltd.Design drawings for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2010.

[2]奧雅納工程顧問.港珠澳大橋香港人工島工程技術(shù)規(guī)格書[R]. 2010. Ove Arup&Partners Hong Kong Ltd.Particular specification for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2010.

[3]中交第三航務(wù)工程局有限公司.港珠澳大橋香港人工島工程施工組織設(shè)計(jì)[R].2011. CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction management plan for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2011.

[4]GB/T 4447—2008，海船用起錨機(jī)和起錨絞盤[S]. GB/T 4447—2008,Sea-going vessels-Wind lass and anchor capstans[S].

On-site assembly technology of large diameter cellular steel sheet piles under the condition of height control

CAOYi-guo，MIAOYan-sui
（CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

The large diameter cellular steel sheet piles are used in the construction of the Hongkong artificial island wallof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge.In order to resolve the construction problem of the height limit,shallowwater,poorgeological conditions,narrow region,the on-site assembly and vibration driving process are adopted in the large diameter cellular steel sheet piles construction.The process includes the preassembly on the base,marine conveyance,on-site assembly,vibration driving set by set etc.Through the development of special supporting device,special floating crane,steel sheet pile arc beam, we ensured the smooth assembly of 85 large diameter cellular steel sheet pile cylinders.The practice proved that the setof the process is successful,especially suitable for the area which large scale floating crane cannot enter,such as the shallow tidal zone,and theheight limitareanear theairport.

artificial island;cellular steel sheet piles;large diameter cylinder;on-site assembly

U655.4

B

2095-7874（2016）04-0054-05

10.7640/zggw js201604014

2015-10-13

曹義國（1972—），男，安徽安慶市人，高級(jí)工程師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：caoyiguo@126.com