人工島圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼圓筒及副格振沉裝備與施工技術(shù)

付院平，李家林，黃濤，鄒春曉，劉兆權(quán)

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島平面為橢圓形，長(zhǎng)度為625 m，最大寬度為183 m，面積為9.7萬m2。工程所處天然泥面標(biāo)高約-8.0 m，挖泥后標(biāo)高-16.0 m。人工島內(nèi)設(shè)置分割圍堰分為西小島和西大島[1-2]。

2 主格及副格

2.1 主格

西人工島主格采用鋼圓筒結(jié)構(gòu)形式，沿人工島岸壁前沿線布置總計(jì)61個(gè)鋼圓筒，其中西小島17個(gè)（含4個(gè)分隔圍堰），西大島44個(gè)，布置如圖1。

鋼圓筒直徑22.0 m，壁厚16 mm，筒頂標(biāo)高+3.5 m，筒底標(biāo)高為-37.0～-43.0 m，單個(gè)筒重量為 451.44～513.04 t[3]。

圖1 西島鋼圓筒平面布置圖Fig.1 Plane layout of the steel cylinder in west island

2.2 副格

副格倉的主體采用弧形鋼板連接，分為3種類型。標(biāo)準(zhǔn)副格倉設(shè)計(jì)弧長(zhǎng)為10 842 mm，高度為30 m，共計(jì)124組，組拼后弧形標(biāo)準(zhǔn)段重量約為57 t。

3 振沉裝備

3.1 液壓振動(dòng)錘

采用美國(guó)APE600型液壓振動(dòng)錘，單臺(tái)液壓錘偏心力矩230 kg·m、振動(dòng)頻率23.3 Hz（無級(jí)變速）、最大振幅14.8 mm、最大激振力4 948.3 kN、最大上拔力2 224 kN、自重31 471 kg、振動(dòng)重量14 060 kg、長(zhǎng)寬高為 4 320 mm×914 mm×2 590 mm；液壓馬達(dá)為RexrothAA2FM250型、排量250cm3、額定壓力35 MPa、額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，減振箱與振動(dòng)箱之間設(shè)有橡膠減振塊。

本工程選用8臺(tái)APE600液壓振動(dòng)錘聯(lián)動(dòng)，總偏心力矩1 845 kg·m、總激振力39 617.43 kN、總上拔力17 792 kN、總自重251 768 kg、總振動(dòng)重量112 000 kg。

動(dòng)力柜由1臺(tái)895 kW發(fā)動(dòng)機(jī)、7臺(tái)主油泵、1臺(tái)冷卻泵、1臺(tái)夾頭泵、1個(gè)燃油箱、2個(gè)液壓油箱組成，最大驅(qū)動(dòng)壓力33 100 kPa，驅(qū)動(dòng)流量21.7 L/s；錘組動(dòng)力柜總功率7 159 kW、最大工作轉(zhuǎn)速1 400 r/min、最大驅(qū)動(dòng)壓力33 100 MPa、總驅(qū)動(dòng)流量173 L/s，該液壓振動(dòng)錘經(jīng)過特殊密封，作業(yè)水深可達(dá)-15 m。

液壓振動(dòng)錘組見圖2。

圖2 液壓振動(dòng)錘組Fig.2 Hydraulic vibration hammer group

3.2 起吊振動(dòng)錘系統(tǒng)

振動(dòng)錘系統(tǒng)由1 600 t起重船起吊，起重船為雙鉤頭，鉤頭為“山”形結(jié)構(gòu)，吊高和跨距均能滿足施工要求。振動(dòng)系統(tǒng)吊架設(shè)有8個(gè)吊點(diǎn)，同側(cè)4個(gè)吊點(diǎn)鋼絲繩掛在同一側(cè)的鉤頭上，起吊后確保振動(dòng)錘水平，以利于調(diào)整自沉和振沉過程中鋼圓筒的傾斜和偏位。如圖3。

3.3 液壓夾頭

液壓夾頭系統(tǒng)由多組夾頭構(gòu)成，每一夾頭的夾持力為1 955 kN、最大壓強(qiáng)33 100 kPa、夾齒尺寸為171.2 mm（垂直方向）、夾頭重量2 840 kg；夾頭油缸設(shè)有液壓鎖，當(dāng)夾頭夾緊后，若系統(tǒng)發(fā)生泄漏，保護(hù)閥可保持操作過程中的壓力，以避免夾持物墜落；液壓夾頭最大開口為246.7 mm，最小開口滿足夾緊25 mm厚的管樁。

每個(gè)夾頭有2個(gè)液壓缸，帶有自動(dòng)壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，由帶有指示燈的控制器控制，當(dāng)控制器開關(guān)轉(zhuǎn)向“閉合”，所有夾頭指示燈亮起。

3.4 同步裝置

1）錘組設(shè)機(jī)械串聯(lián)同步裝置1套，由14臺(tái)齒輪傳動(dòng)箱、14根同步軸和一定數(shù)量的萬向軸、軸承架等組成，能保證8臺(tái)錘組合后的同步穩(wěn)定運(yùn)行。

2）該系統(tǒng)分步組裝，每根軸配有長(zhǎng)短調(diào)節(jié)裝置，以便整體組裝時(shí)消除系統(tǒng)誤差，每根軸配有銷釘式保護(hù)裝置。

3.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1）振動(dòng)錘和動(dòng)力柜配備獨(dú)立操作系統(tǒng)，可機(jī)旁操作和短距（15 m）有線遙控操作；每個(gè)動(dòng)力柜配1個(gè)附帶儀表盤的控制面板，可顯示發(fā)動(dòng)機(jī)、振動(dòng)錘、夾頭等信息，可進(jìn)行單錘施工操作；每臺(tái)振動(dòng)錘配有馬達(dá)和齒輪箱潤(rùn)滑油溫度傳感器，實(shí)時(shí)向集中控制臺(tái)傳遞信息。

2）錘組設(shè)集中控制臺(tái)，可進(jìn)行8臺(tái)振動(dòng)錘的啟動(dòng)、加減速和停機(jī)操作、夾頭的夾緊和釋放等操作；儀表盤顯示每臺(tái)錘和動(dòng)力柜的相關(guān)油壓、油溫、流量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、夾頭壓力等參數(shù)，并整合相關(guān)報(bào)警功能。

3）錘組設(shè)施工管理系統(tǒng)1套，可顯示不同作業(yè)狀態(tài)時(shí)的瞬時(shí)技術(shù)參數(shù)和施工記錄，并具備打印、存儲(chǔ)、拷貝及故障診斷等功能。

3.6 共振梁及吊架

共振梁及吊架材料為Q345B，可安裝10臺(tái)APE600液壓振動(dòng)錘，吊架與振動(dòng)錘之間采用鉸接方式，與振動(dòng)錘重心、形心及振動(dòng)錘激振力作用線在同一垂線上，該垂線與同一振動(dòng)錘下3個(gè)夾頭中的中間夾頭重合。

4 鋼圓筒施工工藝

4.1 起吊

鋼圓筒起吊時(shí)，起重船起吊振動(dòng)錘組至鋼圓筒正上方，通過尼龍繩將船上絞車與共振梁相連接，使液壓夾頭與相應(yīng)擋板靠緊，從而保證寬榫槽角度的準(zhǔn)確性。操縱振動(dòng)錘試夾及夾頭液壓工作系統(tǒng)，8臺(tái)振動(dòng)錘由8個(gè)帶有指示燈的控制器控制。

4.2 定位

1）系統(tǒng)定位。根據(jù)“施工定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”顯示對(duì)定位駁定位，將鋼圓筒沉入水下距泥面1 m時(shí)，再根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)鋼圓筒精準(zhǔn)定位，通過升降鉤頭、松緊起重船纜繩和俯仰扒桿等動(dòng)作，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，落鉤自沉。自沉及振沉過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼圓筒的偏位及垂直度的變化，并及時(shí)糾偏[4]。

2）利用全站儀對(duì)系統(tǒng)定位校核。振沉前，采用全站儀進(jìn)行平面位置和垂直度校核，為增加測(cè)距反射信號(hào)強(qiáng)度和觀察便利，在校準(zhǔn)點(diǎn)從鋼圓筒頂部沿垂直線粘貼15 m反射條，并標(biāo)記出振動(dòng)梁軸線中心位置。在人工島上架設(shè)全站儀測(cè)量共振梁中心處棱鏡坐標(biāo)和鋼圓筒上3處校核點(diǎn)坐標(biāo)，差值在50 mm內(nèi)即滿足精度要求。

4.3 自沉

為保證鋼圓筒振沉后的平面偏差和垂直度偏差滿足設(shè)計(jì)要求，在定位和自沉過程中平面位置偏差控制在150 mm以內(nèi)，垂直度偏差控制在0.2%以內(nèi)。

定位和自沉?xí)r平面位置偏差和垂直度偏差滿足要求后開始松鉤自沉。自沉過程嚴(yán)格控制起吊重量，以50 t為一級(jí)減載，緩慢落鉤，同時(shí)收緊定位方駁纜繩，起重船及時(shí)俯仰扒桿，以確保鉤頭垂直吊鋼圓筒。為保證鋼圓筒自沉過程中的垂直度，起重船吊重減至260 t時(shí)停止自沉[5]。

4.4 偏位、傾斜控制

起重船保持460 t吊力可減小振沉過程中的傾斜與偏位。在振沉過程中，通過調(diào)整起重船鉤頭的升降和扒桿的變幅實(shí)現(xiàn)調(diào)整微量偏位和傾斜。當(dāng)偏位大于150 mm、傾斜度超過0.2%時(shí)，可在不停錘的情況下，采取停止鉤頭下降、振動(dòng)上拔、松緊錨纜、升降鉤頭和變幅扒桿等措施交替反復(fù)進(jìn)行，直至筒體垂直度和偏位控制在允許范圍內(nèi)，再落鉤振沉至停錘標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 定位窗口選擇

鋼圓筒定位、自沉?xí)r間窗口設(shè)計(jì)為風(fēng)速≤13.6 m/s（6級(jí)）、波高≤0.8 m、流速≤0.5 m/s。通過典型施工分析，西人工島施工水域落潮流速大于漲潮流速，在高潮和低潮時(shí)有1 h的水流平緩期，波浪較小，適合精準(zhǔn)定位。

4.6 定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

通過鋼圓筒施工前對(duì)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比對(duì)及施工過程中與平臺(tái)控制點(diǎn)設(shè)置的全站儀校核結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能和精度滿足鋼圓筒振沉施工要求。

5 副格施工工藝

5.1 振沉準(zhǔn)備

副格插入前，精準(zhǔn)測(cè)量插入副格的兩個(gè)鋼圓筒上端榫槽的距離和鋼圓筒的垂直度偏差，根據(jù)偏差計(jì)算副格下端鎖口間的距離，分析副格能否滿足鋼圓筒上、下端寬榫槽的距離偏差，通過改變副格上、下端弦長(zhǎng)，調(diào)整松緊連接裝置，若調(diào)整范圍不滿足，可預(yù)制非標(biāo)準(zhǔn)尺寸異形副格來適應(yīng)榫槽的偏位。

5.2 吊裝就位

副格頂端與底端設(shè)置專用吊架，起重船主鉤頂端吊架，副鉤底端吊架，將副鉤直立后，插入2個(gè)相鄰鋼圓筒的榫槽，對(duì)中后依次拆除副格上的軟連接裝置，使副格順鋼圓筒上的寬榫槽徐徐插入，直至完成自沉，如圖4。

圖4 副格就位Fig.4 Deputy in position

5.3 振沉

1）液壓夾頭布置采用5夾頭，保證夾頭的夾持力和副格上端結(jié)構(gòu)剛性，如圖5。

2）將液壓夾具夾住副格板后，開動(dòng)液壓振動(dòng)錘，振沉過程中，振動(dòng)錘啟動(dòng)頻率15 Hz，1 min后提高至20 Hz，起重船吊重控制在18～25 t，直至振沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

圖5 副格振沉Fig.5 Deputy vibration and sinking

6 振沉質(zhì)量

1）在鋼圓筒及副格底部入泥1 m后開始調(diào)整垂直度，此時(shí)受風(fēng)浪、水流影響較小，垂直度達(dá)到0.1%～0.3%，均滿足設(shè)計(jì)要求[6-8]。

2）通過施工過程分析，由于鋼圓筒及副格尺寸較大，受風(fēng)、浪、流影響較大，定位及振沉過程偏位及扭角很難滿足設(shè)計(jì)要求，可適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)允許偏差。

7 工效分析

通過鋼圓筒施工統(tǒng)計(jì)分析，起重船移至鋼圓筒運(yùn)輸船需0.5 h，起吊鋼圓筒移船至定位駁需2.5 h，定位需2 h，自沉振沉過程需0.5 h，因此，每個(gè)鋼圓筒施工總用時(shí)為5.5 h，振沉結(jié)束后，筒內(nèi)填砂約3 h，在不考慮天氣因素條件下，每天可振沉1個(gè)鋼圓筒并完成筒內(nèi)填砂施工。

8 結(jié)語

人工島鋼圓筒振沉設(shè)備與施工技術(shù)，成功應(yīng)用于港珠澳大橋島隧工程建設(shè)，具有快速、高效、環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，使得西人工島當(dāng)年開工建設(shè)當(dāng)年成島成為現(xiàn)實(shí)，極具推廣價(jià)值和借鑒意義。