大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉設(shè)備及工藝

滕愛國，吳啟和，仇正中

大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉設(shè)備及工藝

滕愛國1，吳啟和2，仇正中2

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京100088；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430040）

隨著海外市場的不斷拓展，水文地質(zhì)條件復(fù)雜的海外水工項(xiàng)目越來越多。以委內(nèi)瑞拉卡貝略港防波堤工程為例，通過大直徑鋼圓筒振沉設(shè)備比選分析，確定了多錘聯(lián)動振沉方案。探討了大圓筒定位下沉過程中的測量及監(jiān)測系統(tǒng)，確定了大圓筒振動下沉停錘標(biāo)準(zhǔn)。通過分析夾持大圓筒、大圓筒拆封、大圓筒起吊、定位、下沉及糾偏等過程中的施工要點(diǎn)及難點(diǎn)，形成了成套的大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉施工工藝。文中的研究成果可為復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的插入式大直徑鋼圓筒振沉施工提供參考。

插入式大圓筒；多錘聯(lián)動；激振力；振動系統(tǒng)

0 引言

20世紀(jì)40年代，大直徑圓筒結(jié)構(gòu)開始應(yīng)用于建造港口碼頭，這種新型結(jié)構(gòu)最先在法國勒阿弗爾港得到應(yīng)用，之后前蘇聯(lián)、西班牙、英國、丹麥、加拿大、日本等國也用其建碼頭和防波堤，我國于20世紀(jì)80年代開始對大圓筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)和工程實(shí)踐。針對插入式大圓筒岸壁結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理、數(shù)模和物模試驗(yàn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及施工工藝等，開展了大量的專題研究工作，取得了許多令人矚目的成果。1989年在天津港首次北防波堤延伸工程試驗(yàn)段首次采用基床式鋼筋混凝土圓筒[1]，圓筒共11個，直徑7 m，高4.75 m，壁厚0.6 m。2003年在廣州番禺南沙蒲洲海堤護(hù)岸工程首次采用插入式鋼圓筒結(jié)構(gòu)[2]，通過4臺美國APE400型液壓振動錘聯(lián)合振沉直徑13.5 m，13耀34 m，壁厚12耀14 mm的鋼圓筒。2009年港珠澳人工島島壁工程，通過8臺APE600型液壓振動錘將直徑22 m，壁厚16 mm的大型鋼圓筒振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。實(shí)踐證明，多臺液壓振動錘同步振沉鋼圓筒的方法，速度快，工期短，質(zhì)量好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益[3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

委內(nèi)瑞拉卡貝略港新港位于委內(nèi)瑞拉西北部卡貝略市卡貝略老港西部，新港在GOAIGOAZA島對面，一期工程包括1個131 000 DWT集裝箱泊位和1個108 000 DWT集裝箱泊位，1 080 m鋼管樁和鋼板樁碼頭岸線，總面積約57萬m2集裝箱堆場，總面積約2.2萬m2土建工程，以及長約1 055 m的東西2個深水防波堤，如圖1所示。東堤位于陸地岸線至GOAIGOAZA島的南側(cè)，在碼頭東側(cè)與護(hù)岸連接，長為615 m；西堤則從GOAIGOAZA島西北端開始，沿西北方向延伸至深水區(qū)，長度為440 m。新港防波堤工程位于加勒比海海域，波浪條件惡劣，需在中長周期波況下施工，且當(dāng)?shù)厥暇o缺，環(huán)保要求高，故防波堤主體結(jié)構(gòu)采用淺埋式直立鋼圓筒方案，防波堤共需36個大圓筒，其中東堤21個，西堤15個。

圖1 委內(nèi)瑞拉卡貝略港工程Fig.1Puerto Cabello port project in Venezuela

1.2 鋼圓筒結(jié)構(gòu)形式

卡貝略港防波堤采用插入式鋼圓筒作為主體結(jié)構(gòu)，鋼圓筒之間間距1 m，直徑分為21.5 m和22.5 m兩個規(guī)格，鋼圓筒壁厚16 mm，筒頂標(biāo)高+2.5 m，圓筒高22.5耀26 m，最大重量約285 t。鋼圓筒典型斷面如圖2所示。

1.3 工程地質(zhì)

圖2 大圓筒典型斷面示意圖Fig.2Typical cross-section of large cylinder

工程區(qū)土層主要為砂和黏土，自上而下交替分布。局部孔上層夾有珊瑚和灰?guī)r，并有砂質(zhì)膠結(jié)夾層。為保證振沉的順利實(shí)施，需挖除地基表面的硬土層，其中東堤開挖至-14.0～-20.0 m，西堤大部分無需開挖。在開挖后的基槽內(nèi)拋填疏浚砂，東堤至-11.0 m，西堤至-13.5 m。在筒底底部10 m內(nèi)的填料及圓筒兩側(cè)各12 m寬、底部6 m以上范圍的地基進(jìn)行高壓旋噴處理，置換率為40%，其余的筒內(nèi)回填砂進(jìn)行振沖密實(shí)，如圖2所示。

2 鋼圓筒振沉施工工藝

2.1 鋼圓筒制作和運(yùn)輸

大直徑鋼圓筒由上海振華重工在上海長興島制造后整體運(yùn)輸至委內(nèi)瑞拉卡貝略港，運(yùn)輸航線為：上海長興—印度洋—好望角—大西洋—委內(nèi)瑞拉卡貝略港，運(yùn)輸航程13 281 n mile，航期單程約56 d。

鋼圓筒運(yùn)輸時，采用不同直徑內(nèi)外套放方案（圖3），然后整體吊裝至運(yùn)輸船舶上進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。鋼圓筒進(jìn)場后，再進(jìn)行切割取用。鋼圓筒采用“振華14”和“振華24”兩艘船舶進(jìn)行遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，經(jīng)計(jì)算校核，運(yùn)輸過程中的鋼圓筒和船舶的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，船舶運(yùn)輸過程中的穩(wěn)性等均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 鋼圓筒運(yùn)輸示意圖Fig.3Sketch of transporting steel cylinder

2.2 鋼圓筒振沉設(shè)備比選

采用打樁分析軟件GRLWEAP進(jìn)行鋼圓筒可打性分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用4伊APE400打樁錘時，激振力可滿足工程需求。考慮薄壁結(jié)構(gòu)激振力傳遞效率及弦長影響，選用APE公司6伊APE400和ICE公司6伊ICE360，兩種方案提供的激振力相似，富裕系數(shù)約為2.5。

振沉設(shè)備主要從液壓振錘、液壓夾鉗、同步傳動技術(shù)及共振梁和吊架設(shè)計(jì)等方面分析。經(jīng)過振沉設(shè)備的比選，APE和ICE的6錘聯(lián)動方案均可行，但APE方案中振動梁設(shè)計(jì)較優(yōu)，液壓夾持方法簡潔，機(jī)械同步通過了實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證是可行和成熟的（如港珠澳大橋人工島島壁工程）。ICE公司的ICE3600并聯(lián)同步齒輪箱僅是設(shè)計(jì)方案，未有應(yīng)用實(shí)例。鑒于委內(nèi)瑞拉項(xiàng)目每年的施工窗口僅4個月，故選擇具有成熟應(yīng)用的APE多錘聯(lián)動技術(shù)方案[4-5]。

2.3 鋼圓筒振沉施工流程

大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉施工流程如圖4所示。

圖4 施工流程圖Fig.4Construction flow chart

2.4 測量定位及監(jiān)測控制

在鋼圓筒振沉施工定位駁上安裝2臺GPS接收機(jī)、2臺自動跟蹤全站儀和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，在振沉系統(tǒng)剛性振動梁上安裝4個適配反射棱鏡和4個液位計(jì)，組成1個定位系統(tǒng)，監(jiān)測鋼圓筒平面位置、筒頂高程和縱橫向傾斜率。系統(tǒng)運(yùn)行時，2臺GPS接收機(jī)實(shí)時接收CORS參考站差分信號，獲得實(shí)時三維數(shù)據(jù)；全自動跟蹤全站儀在人工粗略瞄準(zhǔn)棱鏡后，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時測角、測距，4個液位計(jì)能夠?qū)崟r測量鋼圓筒軸線上高差監(jiān)測傾斜率，各測量和監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼圓筒振沉定位和過程檢測[1]。

各測量、監(jiān)測設(shè)備布置圖見圖5。

圖5 測量監(jiān)測設(shè)備布置圖Fig.5Layout of measuring and monitoring equipments

2.5振動下沉停錘標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)際的施工過程中，發(fā)現(xiàn)管樁和振動錘的總重量實(shí)際上對于振動振幅的要求是不一樣的，管樁質(zhì)量輕時，要求的振幅小，管樁質(zhì)大時，要求的振幅小。目前的理論無法給出一個定論，只能是根據(jù)具體地質(zhì)情況，結(jié)合過去類似施工經(jīng)驗(yàn)，給出相對比例的成功率。

停錘標(biāo)準(zhǔn)是非常經(jīng)驗(yàn)化的數(shù)值。針對本項(xiàng)目，連續(xù)振動時間超過30 min，仍然無法達(dá)到施工組織設(shè)計(jì)中要求的樁底標(biāo)高，可認(rèn)作停錘標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 鋼圓筒振沉施工要點(diǎn)

1）夾持大圓筒

通過平移及旋轉(zhuǎn)浮吊使錘組進(jìn)入鋼圓筒筒頂正上方后，在保證錘組較為平穩(wěn)前提下，緩慢松鉤，直至鋼圓筒進(jìn)入液壓夾具導(dǎo)向槽后，調(diào)整振動錘組，使預(yù)設(shè)的對稱兩錘中間夾具與筒壁上預(yù)先設(shè)置的擋板貼緊。調(diào)整時，通過控制浮吊上設(shè)置的2臺卷揚(yáng)機(jī)牽引交叉系于錘組共振梁的晃繩的松緊，緩慢旋轉(zhuǎn)錘組，直至夾具與擋板緊貼后下落錘組。鋼圓筒進(jìn)入錘組夾持凹槽后，雙鉤吊重由540 t松至450 t，并觀察錘組是否完全下落至筒頂平面。若未下落到位，則通過反復(fù)升降錘組進(jìn)行微調(diào)。確認(rèn)下落到位后，松鉤至350 t，通知錘組總控臺關(guān)閉夾頭，并登上共振梁對錘組工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。

2）大圓筒拆封

確認(rèn)錘組下落至筒頂平面后，氣焊工對筒底口限位鋼板進(jìn)行割除。拆除順序?yàn)椋菏紫雀畛胀ㄏ尬话?，最后拆除筒前后兩塊加固鋼板。

3）大圓筒起吊

鋼圓筒起吊時，浮吊鉤頭吊重逐級加載，加載等級分別為600 t、800 t、直至緩慢起升，同時測量人員在測量平臺上通過全站儀觀察浮吊鉤頭鋼絲繩的垂直度，避免在起吊時發(fā)生越鉤。起吊時通過調(diào)整扒桿變幅和移船保證鋼絲繩的垂直度，起重人員密切注意鋼圓筒位置，防止相鄰鋼圓筒發(fā)生磕碰。本項(xiàng)目中，浪涌比較大，浮吊的上下浮動，對大圓筒的作用力非常大，指揮和技術(shù)人員需更加仔細(xì)。

4）初次定位

鋼圓筒吊至定位駁限位架處，起重指揮根據(jù)筒壁的0毅線與限位架中線作為參考進(jìn)行鋼圓筒粗略定位，兩條線基本重合后，保持圓筒位于限位架前方50～100 cm距離開始入水下沉。

入水自沉過程中，測量人員根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)報告筒體垂直度。若平潮時間段作業(yè)，可直接下沉至泥面以上而開始精定位過程。若施工時間區(qū)間為流速較大時間段，需嚴(yán)格控制下沉速率并密切監(jiān)視垂直度變化，筒體任意方向傾斜不得超過1/100。如因水流流速湍急在筒體周圍形成渦流造成傾斜度較大，則立即中止下沉過程，靜置一段時間，待傾斜度縮小再繼續(xù)下沉。在上述探索式下沉至接近砂面時，宜快速松鉤使鋼圓筒入土1 m左右，避免筒體出現(xiàn)更大傾斜。

5）精確定位后自沉

如在平潮時間段作業(yè)，雙鉤松至筒底距離泥面標(biāo)高以上0.5～1 m開始精定位過程。精定位主要通過測量人員連續(xù)報告偏位數(shù)據(jù)，偏位數(shù)據(jù)報告的順序及內(nèi)容為：東西向和南北向垂直度、平面偏位，其中平面偏位為筒底口的偏位參數(shù)。指揮人員據(jù)此對浮吊進(jìn)行相應(yīng)指揮。進(jìn)行偏位調(diào)整時，需要考慮到大質(zhì)量大尺寸鋼圓筒移動時因慣性而導(dǎo)致的滯后效應(yīng)。東西向垂直度調(diào)整則通過升降左右鉤頭調(diào)整；在入泥前，平潮期間筒體南北向一般不會出現(xiàn)明顯傾斜；平面偏位則通過浮吊東西向平移或浮吊扒桿仰俯調(diào)整。筒體正位后，隨即可開始入泥自沉。自沉?xí)r主要通過控制筒體垂直度以使鋼圓筒在偏位滿足設(shè)計(jì)要求下順利自沉。本工程精定位完成后，自沉要求的平面偏位各向均小于15 cm，垂直度小于0.5%。

如在潮流較大時間段作業(yè)，可使鋼圓筒自沉入泥0.5～1 m，再根據(jù)測量報偏位情況，同以上方法進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整階段，浮吊操作人員及時就調(diào)整結(jié)果反饋給指揮人員，如“是否調(diào)整完畢”等，指揮人員再依據(jù)測量人員報告偏位變化相應(yīng)采取下一步措施。若浮吊已進(jìn)行了對應(yīng)調(diào)整，偏位情況無明顯改善，則緩慢起升鋼圓筒直至偏位出現(xiàn)向好趨勢，中止上拔過程，靜待1～2 min。通過重復(fù)上述過程，最終確定正位后開始自沉。

6）糾偏

包括自沉糾偏和振動糾偏兩個步驟。

隨著自沉的進(jìn)行，入泥深度的增加，雙鉤吊重的遞減呈現(xiàn)較為均勻連續(xù)的趨勢。此時，只需根據(jù)測量人員報告的偏位情況作出相應(yīng)調(diào)整即可。筒體出現(xiàn)明顯傾斜變化時，應(yīng)停止下沉，并調(diào)整扒桿變幅。此外，由于浮吊左右鉤頭起降速率存在固有差別，左右鉤的松鉤過程自然而然的導(dǎo)致東西向傾斜，應(yīng)及時調(diào)整。如垂直度的調(diào)整不及時，甚至容易引起筒體平面偏位朝傾斜方向加劇的后果。

從測量偏位數(shù)據(jù)反映則表現(xiàn)為偏位數(shù)據(jù)陡然增大，從雙鉤吊重反映則表現(xiàn)為左右鉤頭吊重出現(xiàn)較大差值（逸100 t）。此時，如偏位出現(xiàn)恢復(fù)垂直度能夠滿足設(shè)計(jì)要求的變化，可無需上拔過程，直接進(jìn)行振動糾偏。振動糾偏大體可分為靜態(tài)糾偏和動態(tài)糾偏。其中靜態(tài)糾偏為地質(zhì)情況十分惡劣的情況采取的分解糾偏環(huán)節(jié)，精細(xì)控制，過程相對繁瑣；動態(tài)糾偏為地質(zhì)情況較為惡劣情況下，通過在振沉過程中，發(fā)出糾偏指令，動態(tài)完成糾偏過程。

對于軟硬不均的土質(zhì)或土層呈傾斜分布所造成的筒體傾斜，糾偏過程主要通過不松鉤振沉、振動下沉、升降單個鉤頭、仰俯扒桿等措施相結(jié)合，最終使偏位參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。若偏位出現(xiàn)恢復(fù)垂直度依然難以滿足設(shè)計(jì)要求的情況，應(yīng)立刻中止自沉，上拔或振動上拔鋼圓筒，并依據(jù)變化趨勢余留變化量重新進(jìn)行定位自沉。

7）振動下沉

振沉過程中，若為自沉順利情況，雙鉤起至460 t而后每50 t一級逐級減載，直至松鉤至50 t而維持吊重緩慢跟進(jìn)。對于通過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)測量監(jiān)控是否達(dá)到標(biāo)高而確認(rèn)停錘。

施工由專業(yè)指揮人員獨(dú)立指揮，保持振動錘操作人員、吊機(jī)操作人員與指揮人員之間的聯(lián)絡(luò)，盡可能減少因設(shè)備問題造成的緊急停機(jī)，因?yàn)榈蹉^拉力較大情況下的停機(jī)，一是振幅很大，減震系統(tǒng)受損嚴(yán)重；二是容易進(jìn)入樁與設(shè)備的共振區(qū)，造成浮吊臂杠的損傷。

液壓油管根據(jù)大圓筒的下沉隨時調(diào)整高度，減小馬達(dá)循環(huán)冷卻油管的落差，防止液壓油通過壓力閥外洩[6]。

3 結(jié)語

委內(nèi)瑞拉卡貝略港位于加勒比海，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。本文針對大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉設(shè)備及施工過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)展開研究，主要研究結(jié)論如下：

1）通過收集國內(nèi)外有關(guān)資料和工程實(shí)例分析論證、考慮振動下沉工況特點(diǎn)，通過GRLWEAP軟件，分析了大直徑鋼圓筒振沉激振力。

2）從激振力需求、能量傳遞、聯(lián)動方案等方面考慮，結(jié)合地質(zhì)條件、工程經(jīng)驗(yàn)及大直徑薄壁圓筒結(jié)構(gòu)形式，確定了采用6伊APE400的聯(lián)動振沉大直徑鋼圓筒方案。

3）針對鋼圓筒定位下沉過程，研制了一套測量定位及檢測控制系統(tǒng)，可縮短定位時間、發(fā)揮導(dǎo)向作用，使大圓筒的定位更加直觀、快捷、準(zhǔn)確。

4）分析了夾持大圓筒、大圓筒拆封、大圓筒起吊、定位、下沉及糾偏等過程中的施工要點(diǎn)及難點(diǎn)，形成了成套的大直徑鋼圓筒多錘聯(lián)動振沉施工工藝。不僅為委內(nèi)瑞拉卡貝略港防波堤的施工提供了支撐作用，也為我國擬建其它外海深水防波堤施工方案提供技術(shù)支持，對促進(jìn)和推動惡劣海況深水防波堤技術(shù)的發(fā)展和全面進(jìn)步具有重要意義。

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Joint pile-hammer vibration sinking equipment and construction technology of large diameter steel cylinder

TENG Ai-guo1,WU Qi-he2,QIU Zheng-zhong2
（1.China Communications Construction Co.,Ltd.,Beijing 100088,China; 2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Hubei,Wuhan 430040，China）

As the development of overseas market,there are more and more hydraulic projects with complicated hydrogeological condition.Based on the engineering practice in the construction of the Puerto Cabello breakwater in Venezuela, we determined the joint pile-hammer scheme by comparison and selection of vibration sinking equipment of large diameter steel cylinder,discussed the measure system of large cylinder in the process of positioning and sinking,and confirmed the brake hammer standard of large cylinder vibration sinking.Through the analysis on key points and difficulties in the process of clamping,stripping,lifting,positioning,sinking and rectification the large diameter steel cylinder,a complete set of construction technology of joint pile-hammer vibration sinking large diameter steel cylinder comes into being.The results in the paper can provide the reference and basis for the construction of large diameter steel cylinder sinking under complicated hydrogeological conditions.

sink-in large diameter steel cylinder;joint pile-hammer;exciting force;vibration system

U655.33

B

2095-7874（2017）09-0085-05

10.7640/zggwjs201709019

2017-07-27

滕愛國（1973—），男，碩士，高級工程師，從事水運(yùn)工程技術(shù)管理與技術(shù)研究工作。E-mail：371959171@qq.com