長(zhǎng)周期波海域?qū)痘┕さ挠绊懛治黾胺乐未胧?/h1>
2018-09-20 10:46:10馮海暴馮甲鑫
水道港口 2018年4期
馮海暴，王 翔，鞠 鵬，馮甲鑫
(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072；3.中交一航局第二工程有限公司，青島 266071)
涌浪具有巨大的能量，在涌浪和長(zhǎng)周期波雙重作用下船舶穩(wěn)定性受到較大影響。國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)的《港內(nèi)系泊船舶運(yùn)動(dòng)量準(zhǔn)則實(shí)用指南》定義典型涌浪的周期為10～25 s，長(zhǎng)周期波的定義為周期是30 s至5 min，英國(guó)規(guī)范《海上建筑物通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施規(guī)程》(BS 6349-1-2000)定義長(zhǎng)周期波為“周期數(shù)分鐘，波高小于1 m”；日本規(guī)范《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)長(zhǎng)周期波定位為周期30～300 s。我國(guó)對(duì)長(zhǎng)周期波的研究工作中，多按照國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)進(jìn)行取值。長(zhǎng)周期波對(duì)透水遮擋物具有較強(qiáng)的穿透性和能量[1],對(duì)施工的工程船舶具有較大的影響。通過(guò)毛里塔尼亞友誼港、印尼爪哇島以及智利等地海域的工程船舶施工統(tǒng)計(jì)分析，船舶在長(zhǎng)周期波作用下沉樁施工樁位無(wú)法滿足±10 cm的精度要求。在印尼Adipala東防波堤工程中，用于遮擋長(zhǎng)周期波的臨時(shí)圍堰，在長(zhǎng)周期波作用下都無(wú)法穩(wěn)定[2]等,實(shí)踐得出長(zhǎng)周期波預(yù)防的方法尚不成熟，該項(xiàng)目采用了從陸域向海域推進(jìn)的施工方法。長(zhǎng)周期波和涌浪雙重條件下對(duì)打樁船的穩(wěn)定沉樁造成了較大的影響，國(guó)內(nèi)外調(diào)研未見(jiàn)成熟的施工方法解決長(zhǎng)周期波對(duì)工程施工的技術(shù)難題。
1 工程概況
智利圣文森特國(guó)際碼頭擴(kuò)建和修復(fù)項(xiàng)目，位于智利Talcahuano城港區(qū)，在康塞普西翁和圣地亞哥(Santiago)之間，海域波浪周期為16～26 s，作業(yè)海區(qū)波高為0.8～1.5 m，屬于典型的中長(zhǎng)周期波。項(xiàng)目需要在既有泊位方向上新建長(zhǎng)264 m、寬38 m的4#泊位工程，該項(xiàng)目屬于高樁碼頭工程，需要海上施打330根鋼管樁，其中直樁198根，斜樁132根，樁徑為1 m，壁厚為25.4 mm，長(zhǎng)度區(qū)間為42～57 m，單樁質(zhì)量為26～37 t。樁位分布及碼頭剖面見(jiàn)圖1。
圖1 碼頭樁位平面布置與剖面圖Fig.1 Plane layout and sections of wharf pile position
結(jié)合項(xiàng)目的海況條件及沉樁總體精度±10 cm的施工要求，初期沉樁方案采用打樁船為“打樁20”作為沉樁船舶，船舶總長(zhǎng)為52.21 m，型寬23.6 m，型深4.0 m，船艏滿載吃水2.8 m，總噸位1 441 t，滿載排水量為3 097 t。
“打樁20”典型施工沉設(shè)鋼管樁2根，受涌浪、中長(zhǎng)周期波等因素影響，造成樁基沉樁精度超標(biāo)，樁位偏差均大于40 cm，無(wú)法滿足施工要求。作業(yè)時(shí)垂蕩0.4～0.8 m，橫蕩0.5～0.9 m，橫搖1°～3°，無(wú)法滿足樁位偏差≤10 cm、傾斜度偏差≤ 1%的要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況與設(shè)計(jì)溝通將樁位偏差設(shè)計(jì)變更為≤20 cm控制，仍有10%超標(biāo)。
打樁船有效作業(yè)窗口全年平均每月7 d(冬季氣候惡劣)，可完成15根鋼管樁，進(jìn)度嚴(yán)重滯后，為解決質(zhì)量與工期的雙重困難，降低長(zhǎng)周期波對(duì)打樁船的沉樁精度影響，開(kāi)展了預(yù)控措施的技術(shù)研究。
2 技術(shù)調(diào)研分析
2.1 臨時(shí)防波堤圍堰消浪措施
結(jié)合對(duì)國(guó)外相似條件的項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研，毛里塔尼亞友誼港受長(zhǎng)周期波影響，在文獻(xiàn)[1]中介紹了系泊船受該海況的影響研究，該海域的浪向分布以NW為主浪向，其次是WNW，涌浪的平均周期在13～15 s以上，浪高可高達(dá)3 m，長(zhǎng)周期分量波高一般僅為0.1～0.3 m，但周期確達(dá)到40～200 s。分析該工程中涌浪的波要素與我公司施工的地區(qū)沖浪網(wǎng)站上查到的波浪周期具有相似之處。在該海域進(jìn)行塊石回填施工時(shí)，船舶的穩(wěn)定性非常差，為了減小波浪對(duì)船舶的影響，采用了臨時(shí)圍堰的方式阻擋長(zhǎng)周期波對(duì)作業(yè)區(qū)船舶的穩(wěn)定性影響。支撐該方案的研究工作為防波堤透浪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出防波堤透浪系數(shù)與波浪周期成正比，在圍堰遮擋下長(zhǎng)周期波幾乎全部由港外傳入港內(nèi)，試驗(yàn)證明長(zhǎng)周期波有很強(qiáng)地穿透可透浪防波堤的能力，該試驗(yàn)也驗(yàn)證了長(zhǎng)周期波在塊石圍堰的遮擋下無(wú)法有效阻止長(zhǎng)周期波的影響，友誼港施工最后采用了避開(kāi)惡劣天氣的方式。因此對(duì)于智利碼頭工程項(xiàng)目中，打樁船作業(yè)區(qū)采用圍堰的方式無(wú)法滿足施工要求。
2.2 改變船舶固有周期的消浪措施
船舶本身具有頻率響應(yīng)特性，萬(wàn)噸級(jí)及其更大的船舶對(duì)低頻長(zhǎng)周期波響應(yīng)強(qiáng)烈，如果波浪周期較小，船舶運(yùn)動(dòng)及纜力、撞擊力都不大；當(dāng)作用于船體的波浪是涌浪為主，并含有明顯的長(zhǎng)周期波成分，則船舶響應(yīng)就很敏感，如果在長(zhǎng)周期波作用下，船舶運(yùn)動(dòng)則成幾倍、甚至幾十倍的增加[2]。通過(guò)文獻(xiàn)[3]研究得出改變系纜狀態(tài)，不能有效地解決長(zhǎng)周期波作用下的船舶劇烈運(yùn)動(dòng)，為尋求減小船舶運(yùn)動(dòng)措施，進(jìn)行了六種系纜狀態(tài)的模型試驗(yàn)，系纜模式見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。試驗(yàn)表明，改變系纜狀況，對(duì)改變短周期波作用下的船舶有一定作用，但對(duì)涌浪為主，并含有明顯長(zhǎng)周期成分的大浪來(lái)說(shuō)，影響變化不明顯。
結(jié)合上述試驗(yàn)提出了改變船舶固有周期的方式，在船舶下部掛設(shè)重物實(shí)現(xiàn)阻尼的方式改變系統(tǒng)的自振周期，以達(dá)到減小船舶運(yùn)動(dòng)的效果。文獻(xiàn)[4-5]試驗(yàn)表明，緩沖重塊的安裝對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)影響甚微，系統(tǒng)的自振周期無(wú)明顯改變，但通過(guò)試驗(yàn)表明，改變船舶固有周期可以有效降低長(zhǎng)周期波對(duì)船舶穩(wěn)定性影響。
3 防治措施及方法
通過(guò)以上分析得出，長(zhǎng)周期波影響船舶的主要因素如下：
(1)中長(zhǎng)周期波浪覆蓋了系泊狀態(tài)下的打樁船部分固有周期，發(fā)生了諧搖共振現(xiàn)象；
(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件提出的常規(guī)改變船舶固有周期方法，如增加或減少錨纜、壓排水、船體增加水平翼板等措施效果不佳。
經(jīng)過(guò)AQWA軟件計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)方駁108作為駁船掩護(hù)方案，效果也不明顯。經(jīng)綜合分析采用以下方式，通過(guò)改變船舶的固有橫搖周期來(lái)適應(yīng)長(zhǎng)周期、涌浪的作用，以增加船舶的耐波性；采用增加或減少錨纜長(zhǎng)短或增加(調(diào)整)防風(fēng)錨鏈的長(zhǎng)度，改變船舶系泊周期，以減小長(zhǎng)周期波的作用；通過(guò)排灌水壓載或其他方法改變船舶橫搖的固有周期的方法，以增加船舶的耐波性[5-6]。結(jié)合上述方法，研究分析提出了打樁船增加作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)、半漂浮支撐式打樁船和海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)三種方案，進(jìn)行深入研究分析其可行性。
圖2 船舶作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)方案Fig.2 Scheme of buffer mechanism for ship operation
3.1 船舶作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)方案
在船體四角沉入錨錠，通過(guò)對(duì)錨錠施加預(yù)拉張力將船體整體固定。當(dāng)波峰作用于船體上船體有上浮的趨勢(shì)，此時(shí)在錨鏈的拉力下船體克服波峰力保持不動(dòng)；當(dāng)波谷作用于船體上，船體由于浮力減少會(huì)有下沉的趨勢(shì)，但是之前錨鏈的預(yù)拉力已經(jīng)使船體浮力增大，所以克服了船體下沉保持船體穩(wěn)定，從而保證了打樁船穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖2)。
該方案的特點(diǎn)是船舶在作業(yè)時(shí)，依然受涌浪、中長(zhǎng)周期波影響，通過(guò)文獻(xiàn)[1-2,7]可知，雖然可以起到一定的作業(yè)，但是長(zhǎng)周期波的能量會(huì)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)造成較大的傷害，“打樁20”船舶設(shè)計(jì)時(shí)甲板并未考慮該部分受力，綜合分析不建議采用該方案。
3.2 半漂浮支撐式打樁船方案
圖3 半漂浮支撐式打樁船方案Fig.3 Scheme of semi floating support pile driver
船體上布置4條定位樁腿，樁腿與船體之間設(shè)置液壓缸，通過(guò)液壓缸作用將船體起升一定高度，此時(shí)船體不脫離水面，通過(guò)液壓缸上的傳感器檢測(cè)船體受力及位移，從而控制液壓缸系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)使船體保持穩(wěn)定。同時(shí)由支腿和纜系的共同作用，使船體保持水平方向穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖3)。
該方案需要纜系及樁腿共同作用克服長(zhǎng)周期波產(chǎn)生的水平移動(dòng)力，施工中作用力對(duì)纜繩和支腿的受力分配較為復(fù)雜，操控性和經(jīng)濟(jì)性都較差，但該方案可以有效克服船舶受涌浪條件的橫向移動(dòng)，無(wú)法克服豎向運(yùn)動(dòng)，因此該方案具有一定的限制性，不適用于本項(xiàng)目，不能作為最終的實(shí)施方案。
3.3 海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)
圖4 打樁平臺(tái)系統(tǒng)方案Fig.4 Scheme of pile driving platform system
該方案的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)陸上推進(jìn)的方式，但推進(jìn)的方式并不是回填施工，而是有效利用已沉鋼管樁作為支撐，采用可移動(dòng)式平臺(tái)作為作業(yè)平臺(tái)，在平臺(tái)上采用履帶式起重機(jī)進(jìn)行沉樁的方式。該平臺(tái)按照碼頭樁基的布置形式進(jìn)行平臺(tái)的尺寸選取，打樁平臺(tái)系統(tǒng)方案見(jiàn)圖4。
該方案有效利用已經(jīng)打設(shè)的樁基作為支撐的平臺(tái)，所有平臺(tái)均可以拆裝，且可以裝箱運(yùn)輸，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一次循環(huán)，可以打多個(gè)樁位。
3.4 方案分析
結(jié)合上述3種方案在以下技術(shù)指標(biāo)中進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 技術(shù)指示對(duì)比表Tab.1 Comparison of technical indexes
結(jié)合方案研究分析，海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)不直接受涌浪、中長(zhǎng)周期波影響，打樁精度、效率可靠性高，故選取海上移動(dòng)平臺(tái)打樁施工方案，作為中長(zhǎng)周期波的沉樁施工技術(shù)，該技術(shù)具有一定的限制性，適用于沉樁，但對(duì)于船舶作業(yè)仍無(wú)法滿足要求。
4 施工關(guān)鍵工序及實(shí)施效果
4.1 施工關(guān)鍵工序
結(jié)合工程施工情況分析得出了海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)操作工藝見(jiàn)圖5。
圖5 海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)操作工藝流程Fig.5 Construction technology and operation process of offshore movable piling platform
(1)移動(dòng)打樁平臺(tái)制造、組裝、就位。
受制于國(guó)外施工技術(shù)條件和裝備制造的造價(jià)及便利性，移動(dòng)打樁平臺(tái)采用了國(guó)內(nèi)研發(fā)設(shè)計(jì)制造組裝，平臺(tái)的構(gòu)件采用集裝箱規(guī)定模數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以將全部的構(gòu)件采用栓接的接口，進(jìn)行集裝箱裝箱運(yùn)輸?shù)姆绞剑┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝調(diào)試。打樁平臺(tái)系統(tǒng)由：打樁平臺(tái)、導(dǎo)向架、柴油錘、履帶吊、打樁20、方駁108、送樁器等組成；平臺(tái)的每個(gè)構(gòu)件均按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)定了序號(hào)和拼接需要的工具，組裝完成后采用起重設(shè)備拼裝就位，組裝完成拿樁實(shí)景見(jiàn)圖6。
(2)移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工。
拿樁由移樁小車、平臺(tái)上履帶吊配合完成，移樁小車保證了拿樁過(guò)程中鋼管樁沿軌道移動(dòng)，并防止樁與船舶發(fā)生摩擦、碰撞。
履帶吊將樁移動(dòng)至已經(jīng)定位完畢的直樁限位器上方，插入確定垂直度，使樁入泥，樁進(jìn)行自沉。立樁入龍口操作過(guò)程為：履帶吊吊樁移動(dòng)至導(dǎo)向架限位器上方，將樁插入限位器，將樁傾斜至一定角度，分別關(guān)閉上、下抱樁器，按照規(guī)定傾斜度入泥后進(jìn)行自沉(圖7)。
柴油錘套入斜樁時(shí)采用廠家配套的專用鋼絲繩及設(shè)計(jì)吊點(diǎn)，以保證柴油錘自身傾斜角度。當(dāng)錘套入樁后，用小鉤吊錘體上方吊點(diǎn)，微調(diào)錘籠與樁之間的角度使錘籠順利下滑；柴油錘套入樁后自沉結(jié)束后即可打樁，過(guò)程中應(yīng)始終保持柴油錘、樁同軸；防止錘籠碰撞液壓抱箍器、限位器，直至滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)。
(3)移動(dòng)安裝行車道、總梁進(jìn)入下一循環(huán)施工。
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，各角點(diǎn)坐標(biāo)誤差在50 mm以內(nèi)，行車道安放能夠按照理想的設(shè)計(jì)位置搭接在兩個(gè)相鄰排架總梁上，滿足安全施工的要求(圖8)。
圖7 移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工實(shí)景圖Fig.7 Real map of pile driving platform of mobile platform圖8 下一循環(huán)的樁頂平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)景圖Fig.8 Real map of the next round of the pile top platform moving
通過(guò)統(tǒng)計(jì)打樁各階段、動(dòng)作時(shí)數(shù)據(jù)，縱軸方向動(dòng)作幅度為3.5 cm，橫軸為0.5 cm。經(jīng)過(guò)分析，該裝備中所有的組成構(gòu)件均為成熟的裝備和技術(shù)，而將所有的成熟裝備集成為一體，形成了集成性創(chuàng)新的裝備和技術(shù)，解決了涌浪長(zhǎng)周期波條件下的高精度沉樁作業(yè)。
4.2 應(yīng)用效果
(1)經(jīng)濟(jì)效益。
海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)，由于在智利現(xiàn)場(chǎng)加工制造費(fèi)用極高，支撐平臺(tái)采用了在國(guó)內(nèi)模塊化制造，集裝箱裝箱船運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式。目前已成功應(yīng)用于智利圣文森特國(guó)際碼頭修復(fù)和擴(kuò)建工程施工，移動(dòng)平臺(tái)沉樁和協(xié)助截取樁頭總完成141根鋼管樁，與傳統(tǒng)的沉樁施工工藝相比節(jié)約費(fèi)用約166.4萬(wàn)。
(2)施工質(zhì)量。
采用移動(dòng)平臺(tái)打樁技術(shù)，施工的樁位偏差均小于10 cm，傾斜度偏差小于1%，沉樁精度及傾斜度滿足要求。根據(jù)施工的樁基統(tǒng)計(jì)綜合最低功效：?jiǎn)稳罩睒?根、斜樁1～1.5根。該平臺(tái)可以不受涌浪、中長(zhǎng)周期波的影響，受限條件小，使原有打樁船每年的工況條件下的有效作業(yè)天數(shù)由84 d增加到276 d，工程的工期提供保障。
5 結(jié)論
以智利圣文森特高樁碼頭工程為例，綜合分析了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)周期波海域的沉樁施工技術(shù)，提出了一種新的沉樁施工方法，并得出如下結(jié)論：
(1)結(jié)合工程實(shí)際，調(diào)研現(xiàn)有海上沉樁技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)周期波海域的樁頂移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工方法，可快速拆裝和運(yùn)輸、調(diào)遣，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
(2)涌浪長(zhǎng)周期波海域，對(duì)于船舶沉樁技術(shù)具有較多的限制性，不建議采用打樁船沉樁施工技術(shù)。
(3)長(zhǎng)周期波具有極強(qiáng)的穿透性和作用能量，結(jié)合已經(jīng)施工的國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目調(diào)研，采用透水材料遮擋無(wú)法有效起到消浪作用，因此，不建議采用透水材料臨時(shí)防波堤的方式消浪。
(4)高樁碼頭在涌浪長(zhǎng)周期波海域沉樁施工，可以采用陸上樁基推進(jìn)的方式，建議優(yōu)選海上樁頂移動(dòng)平臺(tái)施工技術(shù)，結(jié)合實(shí)踐效果，經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量和工期均可以得到保障。移動(dòng)打樁平臺(tái)技術(shù)具有一定的限制性，不適用于無(wú)支撐基礎(chǔ)的工程施工。
(5)對(duì)于長(zhǎng)周期波涌浪海域防波堤施工，建議采用陸上回填推進(jìn)的方式，不建議采用開(kāi)體駁船、開(kāi)底駁等船舶進(jìn)行拋填作業(yè)，無(wú)法有效保障質(zhì)量，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工效率低。
(6)通過(guò)改變船舶固有周期的方式抵抗長(zhǎng)周期波，經(jīng)試驗(yàn)研究表明是一種有效的方法，但是沒(méi)有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此建議采用該方案前深化研究。
綜上所述，雖然樁頂移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用效果較好，但是對(duì)于船舶沉樁和抵抗長(zhǎng)周期波，仍沒(méi)有成熟可靠的效果，因此建議學(xué)者在以后的工作中深入研究一套適用性更廣的技術(shù)，利用自然的能量，而不是去抵抗自然的能量，做到節(jié)約環(huán)保，將長(zhǎng)周期波的能量轉(zhuǎn)化為效益。
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馮海暴，王 翔，鞠 鵬，馮甲鑫
(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 天津 300072；3.中交一航局第二工程有限公司，青島 266071)
涌浪具有巨大的能量，在涌浪和長(zhǎng)周期波雙重作用下船舶穩(wěn)定性受到較大影響。國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)的《港內(nèi)系泊船舶運(yùn)動(dòng)量準(zhǔn)則實(shí)用指南》定義典型涌浪的周期為10～25 s，長(zhǎng)周期波的定義為周期是30 s至5 min，英國(guó)規(guī)范《海上建筑物通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施規(guī)程》(BS 6349-1-2000)定義長(zhǎng)周期波為“周期數(shù)分鐘，波高小于1 m”；日本規(guī)范《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)長(zhǎng)周期波定位為周期30～300 s。我國(guó)對(duì)長(zhǎng)周期波的研究工作中，多按照國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)進(jìn)行取值。長(zhǎng)周期波對(duì)透水遮擋物具有較強(qiáng)的穿透性和能量[1],對(duì)施工的工程船舶具有較大的影響。通過(guò)毛里塔尼亞友誼港、印尼爪哇島以及智利等地海域的工程船舶施工統(tǒng)計(jì)分析，船舶在長(zhǎng)周期波作用下沉樁施工樁位無(wú)法滿足±10 cm的精度要求。在印尼Adipala東防波堤工程中，用于遮擋長(zhǎng)周期波的臨時(shí)圍堰，在長(zhǎng)周期波作用下都無(wú)法穩(wěn)定[2]等,實(shí)踐得出長(zhǎng)周期波預(yù)防的方法尚不成熟，該項(xiàng)目采用了從陸域向海域推進(jìn)的施工方法。長(zhǎng)周期波和涌浪雙重條件下對(duì)打樁船的穩(wěn)定沉樁造成了較大的影響，國(guó)內(nèi)外調(diào)研未見(jiàn)成熟的施工方法解決長(zhǎng)周期波對(duì)工程施工的技術(shù)難題。
1 工程概況
智利圣文森特國(guó)際碼頭擴(kuò)建和修復(fù)項(xiàng)目，位于智利Talcahuano城港區(qū)，在康塞普西翁和圣地亞哥(Santiago)之間，海域波浪周期為16～26 s，作業(yè)海區(qū)波高為0.8～1.5 m，屬于典型的中長(zhǎng)周期波。項(xiàng)目需要在既有泊位方向上新建長(zhǎng)264 m、寬38 m的4#泊位工程，該項(xiàng)目屬于高樁碼頭工程，需要海上施打330根鋼管樁，其中直樁198根，斜樁132根，樁徑為1 m，壁厚為25.4 mm，長(zhǎng)度區(qū)間為42～57 m，單樁質(zhì)量為26～37 t。樁位分布及碼頭剖面見(jiàn)圖1。
圖1 碼頭樁位平面布置與剖面圖Fig.1 Plane layout and sections of wharf pile position
結(jié)合項(xiàng)目的海況條件及沉樁總體精度±10 cm的施工要求，初期沉樁方案采用打樁船為“打樁20”作為沉樁船舶，船舶總長(zhǎng)為52.21 m，型寬23.6 m，型深4.0 m，船艏滿載吃水2.8 m，總噸位1 441 t，滿載排水量為3 097 t。
“打樁20”典型施工沉設(shè)鋼管樁2根，受涌浪、中長(zhǎng)周期波等因素影響，造成樁基沉樁精度超標(biāo)，樁位偏差均大于40 cm，無(wú)法滿足施工要求。作業(yè)時(shí)垂蕩0.4～0.8 m，橫蕩0.5～0.9 m，橫搖1°～3°，無(wú)法滿足樁位偏差≤10 cm、傾斜度偏差≤ 1%的要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況與設(shè)計(jì)溝通將樁位偏差設(shè)計(jì)變更為≤20 cm控制，仍有10%超標(biāo)。
打樁船有效作業(yè)窗口全年平均每月7 d(冬季氣候惡劣)，可完成15根鋼管樁，進(jìn)度嚴(yán)重滯后，為解決質(zhì)量與工期的雙重困難，降低長(zhǎng)周期波對(duì)打樁船的沉樁精度影響，開(kāi)展了預(yù)控措施的技術(shù)研究。
2 技術(shù)調(diào)研分析
2.1 臨時(shí)防波堤圍堰消浪措施
結(jié)合對(duì)國(guó)外相似條件的項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)研，毛里塔尼亞友誼港受長(zhǎng)周期波影響，在文獻(xiàn)[1]中介紹了系泊船受該海況的影響研究，該海域的浪向分布以NW為主浪向，其次是WNW，涌浪的平均周期在13～15 s以上，浪高可高達(dá)3 m，長(zhǎng)周期分量波高一般僅為0.1～0.3 m，但周期確達(dá)到40～200 s。分析該工程中涌浪的波要素與我公司施工的地區(qū)沖浪網(wǎng)站上查到的波浪周期具有相似之處。在該海域進(jìn)行塊石回填施工時(shí)，船舶的穩(wěn)定性非常差，為了減小波浪對(duì)船舶的影響，采用了臨時(shí)圍堰的方式阻擋長(zhǎng)周期波對(duì)作業(yè)區(qū)船舶的穩(wěn)定性影響。支撐該方案的研究工作為防波堤透浪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出防波堤透浪系數(shù)與波浪周期成正比，在圍堰遮擋下長(zhǎng)周期波幾乎全部由港外傳入港內(nèi)，試驗(yàn)證明長(zhǎng)周期波有很強(qiáng)地穿透可透浪防波堤的能力，該試驗(yàn)也驗(yàn)證了長(zhǎng)周期波在塊石圍堰的遮擋下無(wú)法有效阻止長(zhǎng)周期波的影響，友誼港施工最后采用了避開(kāi)惡劣天氣的方式。因此對(duì)于智利碼頭工程項(xiàng)目中，打樁船作業(yè)區(qū)采用圍堰的方式無(wú)法滿足施工要求。
2.2 改變船舶固有周期的消浪措施
船舶本身具有頻率響應(yīng)特性，萬(wàn)噸級(jí)及其更大的船舶對(duì)低頻長(zhǎng)周期波響應(yīng)強(qiáng)烈，如果波浪周期較小，船舶運(yùn)動(dòng)及纜力、撞擊力都不大；當(dāng)作用于船體的波浪是涌浪為主，并含有明顯的長(zhǎng)周期波成分，則船舶響應(yīng)就很敏感，如果在長(zhǎng)周期波作用下，船舶運(yùn)動(dòng)則成幾倍、甚至幾十倍的增加[2]。通過(guò)文獻(xiàn)[3]研究得出改變系纜狀態(tài)，不能有效地解決長(zhǎng)周期波作用下的船舶劇烈運(yùn)動(dòng)，為尋求減小船舶運(yùn)動(dòng)措施，進(jìn)行了六種系纜狀態(tài)的模型試驗(yàn)，系纜模式見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。試驗(yàn)表明，改變系纜狀況，對(duì)改變短周期波作用下的船舶有一定作用，但對(duì)涌浪為主，并含有明顯長(zhǎng)周期成分的大浪來(lái)說(shuō)，影響變化不明顯。
結(jié)合上述試驗(yàn)提出了改變船舶固有周期的方式，在船舶下部掛設(shè)重物實(shí)現(xiàn)阻尼的方式改變系統(tǒng)的自振周期，以達(dá)到減小船舶運(yùn)動(dòng)的效果。文獻(xiàn)[4-5]試驗(yàn)表明，緩沖重塊的安裝對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)影響甚微，系統(tǒng)的自振周期無(wú)明顯改變，但通過(guò)試驗(yàn)表明，改變船舶固有周期可以有效降低長(zhǎng)周期波對(duì)船舶穩(wěn)定性影響。
3 防治措施及方法
通過(guò)以上分析得出，長(zhǎng)周期波影響船舶的主要因素如下：
(1)中長(zhǎng)周期波浪覆蓋了系泊狀態(tài)下的打樁船部分固有周期，發(fā)生了諧搖共振現(xiàn)象；
(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件提出的常規(guī)改變船舶固有周期方法，如增加或減少錨纜、壓排水、船體增加水平翼板等措施效果不佳。
經(jīng)過(guò)AQWA軟件計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)方駁108作為駁船掩護(hù)方案，效果也不明顯。經(jīng)綜合分析采用以下方式，通過(guò)改變船舶的固有橫搖周期來(lái)適應(yīng)長(zhǎng)周期、涌浪的作用，以增加船舶的耐波性；采用增加或減少錨纜長(zhǎng)短或增加(調(diào)整)防風(fēng)錨鏈的長(zhǎng)度，改變船舶系泊周期，以減小長(zhǎng)周期波的作用；通過(guò)排灌水壓載或其他方法改變船舶橫搖的固有周期的方法，以增加船舶的耐波性[5-6]。結(jié)合上述方法，研究分析提出了打樁船增加作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)、半漂浮支撐式打樁船和海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)三種方案，進(jìn)行深入研究分析其可行性。
圖2 船舶作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)方案Fig.2 Scheme of buffer mechanism for ship operation
3.1 船舶作業(yè)緩沖機(jī)構(gòu)方案
在船體四角沉入錨錠，通過(guò)對(duì)錨錠施加預(yù)拉張力將船體整體固定。當(dāng)波峰作用于船體上船體有上浮的趨勢(shì)，此時(shí)在錨鏈的拉力下船體克服波峰力保持不動(dòng)；當(dāng)波谷作用于船體上，船體由于浮力減少會(huì)有下沉的趨勢(shì)，但是之前錨鏈的預(yù)拉力已經(jīng)使船體浮力增大，所以克服了船體下沉保持船體穩(wěn)定，從而保證了打樁船穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖2)。
該方案的特點(diǎn)是船舶在作業(yè)時(shí)，依然受涌浪、中長(zhǎng)周期波影響，通過(guò)文獻(xiàn)[1-2,7]可知，雖然可以起到一定的作業(yè)，但是長(zhǎng)周期波的能量會(huì)對(duì)船舶結(jié)構(gòu)造成較大的傷害，“打樁20”船舶設(shè)計(jì)時(shí)甲板并未考慮該部分受力，綜合分析不建議采用該方案。
3.2 半漂浮支撐式打樁船方案
圖3 半漂浮支撐式打樁船方案Fig.3 Scheme of semi floating support pile driver
船體上布置4條定位樁腿，樁腿與船體之間設(shè)置液壓缸，通過(guò)液壓缸作用將船體起升一定高度，此時(shí)船體不脫離水面，通過(guò)液壓缸上的傳感器檢測(cè)船體受力及位移，從而控制液壓缸系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)使船體保持穩(wěn)定。同時(shí)由支腿和纜系的共同作用，使船體保持水平方向穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖3)。
該方案需要纜系及樁腿共同作用克服長(zhǎng)周期波產(chǎn)生的水平移動(dòng)力，施工中作用力對(duì)纜繩和支腿的受力分配較為復(fù)雜，操控性和經(jīng)濟(jì)性都較差，但該方案可以有效克服船舶受涌浪條件的橫向移動(dòng)，無(wú)法克服豎向運(yùn)動(dòng)，因此該方案具有一定的限制性，不適用于本項(xiàng)目，不能作為最終的實(shí)施方案。
3.3 海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)
圖4 打樁平臺(tái)系統(tǒng)方案Fig.4 Scheme of pile driving platform system
該方案的設(shè)計(jì)思路是通過(guò)陸上推進(jìn)的方式，但推進(jìn)的方式并不是回填施工，而是有效利用已沉鋼管樁作為支撐，采用可移動(dòng)式平臺(tái)作為作業(yè)平臺(tái)，在平臺(tái)上采用履帶式起重機(jī)進(jìn)行沉樁的方式。該平臺(tái)按照碼頭樁基的布置形式進(jìn)行平臺(tái)的尺寸選取，打樁平臺(tái)系統(tǒng)方案見(jiàn)圖4。
該方案有效利用已經(jīng)打設(shè)的樁基作為支撐的平臺(tái)，所有平臺(tái)均可以拆裝，且可以裝箱運(yùn)輸，平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)一次循環(huán)，可以打多個(gè)樁位。
3.4 方案分析
結(jié)合上述3種方案在以下技術(shù)指標(biāo)中進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 技術(shù)指示對(duì)比表Tab.1 Comparison of technical indexes
結(jié)合方案研究分析，海上移動(dòng)平臺(tái)打樁系統(tǒng)不直接受涌浪、中長(zhǎng)周期波影響，打樁精度、效率可靠性高，故選取海上移動(dòng)平臺(tái)打樁施工方案，作為中長(zhǎng)周期波的沉樁施工技術(shù)，該技術(shù)具有一定的限制性，適用于沉樁，但對(duì)于船舶作業(yè)仍無(wú)法滿足要求。
4 施工關(guān)鍵工序及實(shí)施效果
4.1 施工關(guān)鍵工序
結(jié)合工程施工情況分析得出了海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)操作工藝見(jiàn)圖5。
圖5 海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)操作工藝流程Fig.5 Construction technology and operation process of offshore movable piling platform
(1)移動(dòng)打樁平臺(tái)制造、組裝、就位。
受制于國(guó)外施工技術(shù)條件和裝備制造的造價(jià)及便利性，移動(dòng)打樁平臺(tái)采用了國(guó)內(nèi)研發(fā)設(shè)計(jì)制造組裝，平臺(tái)的構(gòu)件采用集裝箱規(guī)定模數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以將全部的構(gòu)件采用栓接的接口，進(jìn)行集裝箱裝箱運(yùn)輸?shù)姆绞剑┕がF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝調(diào)試。打樁平臺(tái)系統(tǒng)由：打樁平臺(tái)、導(dǎo)向架、柴油錘、履帶吊、打樁20、方駁108、送樁器等組成；平臺(tái)的每個(gè)構(gòu)件均按照設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)定了序號(hào)和拼接需要的工具，組裝完成后采用起重設(shè)備拼裝就位，組裝完成拿樁實(shí)景見(jiàn)圖6。
(2)移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工。
拿樁由移樁小車、平臺(tái)上履帶吊配合完成，移樁小車保證了拿樁過(guò)程中鋼管樁沿軌道移動(dòng)，并防止樁與船舶發(fā)生摩擦、碰撞。
履帶吊將樁移動(dòng)至已經(jīng)定位完畢的直樁限位器上方，插入確定垂直度，使樁入泥，樁進(jìn)行自沉。立樁入龍口操作過(guò)程為：履帶吊吊樁移動(dòng)至導(dǎo)向架限位器上方，將樁插入限位器，將樁傾斜至一定角度，分別關(guān)閉上、下抱樁器，按照規(guī)定傾斜度入泥后進(jìn)行自沉(圖7)。
柴油錘套入斜樁時(shí)采用廠家配套的專用鋼絲繩及設(shè)計(jì)吊點(diǎn)，以保證柴油錘自身傾斜角度。當(dāng)錘套入樁后，用小鉤吊錘體上方吊點(diǎn)，微調(diào)錘籠與樁之間的角度使錘籠順利下滑；柴油錘套入樁后自沉結(jié)束后即可打樁，過(guò)程中應(yīng)始終保持柴油錘、樁同軸；防止錘籠碰撞液壓抱箍器、限位器，直至滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)。
(3)移動(dòng)安裝行車道、總梁進(jìn)入下一循環(huán)施工。
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，各角點(diǎn)坐標(biāo)誤差在50 mm以內(nèi)，行車道安放能夠按照理想的設(shè)計(jì)位置搭接在兩個(gè)相鄰排架總梁上，滿足安全施工的要求(圖8)。
圖7 移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工實(shí)景圖Fig.7 Real map of pile driving platform of mobile platform圖8 下一循環(huán)的樁頂平臺(tái)的移動(dòng)實(shí)景圖Fig.8 Real map of the next round of the pile top platform moving
通過(guò)統(tǒng)計(jì)打樁各階段、動(dòng)作時(shí)數(shù)據(jù)，縱軸方向動(dòng)作幅度為3.5 cm，橫軸為0.5 cm。經(jīng)過(guò)分析，該裝備中所有的組成構(gòu)件均為成熟的裝備和技術(shù)，而將所有的成熟裝備集成為一體，形成了集成性創(chuàng)新的裝備和技術(shù)，解決了涌浪長(zhǎng)周期波條件下的高精度沉樁作業(yè)。
4.2 應(yīng)用效果
(1)經(jīng)濟(jì)效益。
海上移動(dòng)打樁平臺(tái)施工技術(shù)，由于在智利現(xiàn)場(chǎng)加工制造費(fèi)用極高，支撐平臺(tái)采用了在國(guó)內(nèi)模塊化制造，集裝箱裝箱船運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)組裝的方式。目前已成功應(yīng)用于智利圣文森特國(guó)際碼頭修復(fù)和擴(kuò)建工程施工，移動(dòng)平臺(tái)沉樁和協(xié)助截取樁頭總完成141根鋼管樁，與傳統(tǒng)的沉樁施工工藝相比節(jié)約費(fèi)用約166.4萬(wàn)。
(2)施工質(zhì)量。
采用移動(dòng)平臺(tái)打樁技術(shù)，施工的樁位偏差均小于10 cm，傾斜度偏差小于1%，沉樁精度及傾斜度滿足要求。根據(jù)施工的樁基統(tǒng)計(jì)綜合最低功效：?jiǎn)稳罩睒?根、斜樁1～1.5根。該平臺(tái)可以不受涌浪、中長(zhǎng)周期波的影響，受限條件小，使原有打樁船每年的工況條件下的有效作業(yè)天數(shù)由84 d增加到276 d，工程的工期提供保障。
5 結(jié)論
以智利圣文森特高樁碼頭工程為例，綜合分析了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)周期波海域的沉樁施工技術(shù)，提出了一種新的沉樁施工方法，并得出如下結(jié)論：
(1)結(jié)合工程實(shí)際，調(diào)研現(xiàn)有海上沉樁技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)周期波海域的樁頂移動(dòng)平臺(tái)沉樁施工方法，可快速拆裝和運(yùn)輸、調(diào)遣，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。
(2)涌浪長(zhǎng)周期波海域，對(duì)于船舶沉樁技術(shù)具有較多的限制性，不建議采用打樁船沉樁施工技術(shù)。
(3)長(zhǎng)周期波具有極強(qiáng)的穿透性和作用能量，結(jié)合已經(jīng)施工的國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目調(diào)研，采用透水材料遮擋無(wú)法有效起到消浪作用，因此，不建議采用透水材料臨時(shí)防波堤的方式消浪。
(4)高樁碼頭在涌浪長(zhǎng)周期波海域沉樁施工，可以采用陸上樁基推進(jìn)的方式，建議優(yōu)選海上樁頂移動(dòng)平臺(tái)施工技術(shù)，結(jié)合實(shí)踐效果，經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量和工期均可以得到保障。移動(dòng)打樁平臺(tái)技術(shù)具有一定的限制性，不適用于無(wú)支撐基礎(chǔ)的工程施工。
(5)對(duì)于長(zhǎng)周期波涌浪海域防波堤施工，建議采用陸上回填推進(jìn)的方式，不建議采用開(kāi)體駁船、開(kāi)底駁等船舶進(jìn)行拋填作業(yè)，無(wú)法有效保障質(zhì)量，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工效率低。
(6)通過(guò)改變船舶固有周期的方式抵抗長(zhǎng)周期波，經(jīng)試驗(yàn)研究表明是一種有效的方法，但是沒(méi)有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此建議采用該方案前深化研究。
綜上所述，雖然樁頂移動(dòng)平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用效果較好，但是對(duì)于船舶沉樁和抵抗長(zhǎng)周期波，仍沒(méi)有成熟可靠的效果，因此建議學(xué)者在以后的工作中深入研究一套適用性更廣的技術(shù)，利用自然的能量，而不是去抵抗自然的能量，做到節(jié)約環(huán)保，將長(zhǎng)周期波的能量轉(zhuǎn)化為效益。
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