大直徑鋼圓筒振沉設(shè)備及工藝系統(tǒng)研究

楊合林，黃金陽(yáng)

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

深插大直徑鋼圓筒快速成島技術(shù)在港珠澳大橋島遂工程、深中通道島遂工程及海南工程成功應(yīng)用，使成島時(shí)間大大縮減，施工成本得到了有效控制?！肮び破涫?，必先利其器”。振沉設(shè)備是快速成島技術(shù)的“利器”。如圖1所示，深中通道鋼圓筒振沉設(shè)備主要由吊架結(jié)構(gòu)、吊裝鋼絲繩索、共振圈梁結(jié)構(gòu)、液壓振動(dòng)錘、同步系統(tǒng)、液壓夾持系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等組成。液壓振動(dòng)錘鋼圓筒振動(dòng)下沉的原理是在偏心塊偏心力矩作用下振沉設(shè)備產(chǎn)生高頻振動(dòng)，高頻振動(dòng)通過(guò)液壓夾持系統(tǒng)作用在鋼圓筒上，鋼圓筒的高頻振動(dòng)使筒壁周?chē)耐寥酪苿?dòng)，鋼圓筒在重力的作用下自動(dòng)下沉。

圖1 鋼圓筒振沉設(shè)備總圖

本文以深中通道島遂工程西人工島鋼圓筒施工為例，主要介紹振沉設(shè)備的組成，對(duì)振沉設(shè)備振動(dòng)力和振幅進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用有限元軟件SolidWorks Simulation對(duì)吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模及應(yīng)力應(yīng)變分析，制定振沉設(shè)備總裝控制措施，分析鋼圓筒振沉過(guò)程中出現(xiàn)偏差的原因并總結(jié)控制措施。

1 振沉設(shè)備力學(xué)性能分析

1.1 振沉設(shè)備振動(dòng)力計(jì)算

鋼圓筒振動(dòng)下沉主要是利用振動(dòng)設(shè)備的振動(dòng)力克服鋼圓筒與土壤之間的側(cè)摩阻力和端阻力。振沉設(shè)備的最小振動(dòng)力

式中 N——振動(dòng)錘的數(shù)量；

M——偏心塊的偏心力矩，kg·m；

η——振沉設(shè)備總的機(jī)械傳動(dòng)效率；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，r/min。

振沉設(shè)備選用美國(guó)APE600液壓振動(dòng)錘，振動(dòng)錘的數(shù)量為12臺(tái)，其偏心力矩為230kg·m，振沉設(shè)備總的機(jī)械傳動(dòng)效率為0.712，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為2100r/min。由式（1）計(jì)算得到振沉設(shè)備最大振動(dòng)力F=67600kN。根據(jù)地勘資料和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，估算鋼圓筒與土壤之間的最大側(cè)摩阻力為50000kN，振沉設(shè)備總振動(dòng)力大于側(cè)摩阻力。

1.2 振沉設(shè)備振幅計(jì)算

振動(dòng)錘振動(dòng)沉鋼圓筒一定要有足夠的振幅，使振動(dòng)力大于鋼圓筒周?chē)馏w的瞬間全部彈性壓力，并使鋼圓筒端部產(chǎn)生大于地基土的破壞力，方能使鋼圓筒上下沖擊土壤下沉，所以振幅是選擇振動(dòng)錘的主要指標(biāo)。必要的最小振幅A0由振動(dòng)錘的偏心力矩與振動(dòng)體的重量（力）決定［1］。

式中 QB——振沉設(shè)備中振動(dòng)部分的重量；

QP——鋼圓筒重量。

QB=2500kN，QP=5000kN，由式（2）計(jì)算得出A0=3.7mm，滿(mǎn)足規(guī)范中規(guī)定的要求。

1.3 吊架有限元分析

吊架結(jié)構(gòu)作為振沉設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)，承受振沉設(shè)備和鋼圓筒的總體重力，其結(jié)構(gòu)必須保證足夠的承載能力，也就是應(yīng)保證有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性［2］。吊架結(jié)構(gòu)是中心輻射梁和邊梁組成的正十二邊形結(jié)構(gòu)，吊架吊板下部銷(xiāo)軸孔與振動(dòng)錘相連，上部銷(xiāo)軸孔與起吊鋼絲繩相連。吊架設(shè)計(jì)吊重為30000kN。

利用Solidworks Simulation軟件對(duì)吊架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。由于吊架為實(shí)體結(jié)構(gòu)，故采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，雅可比為4點(diǎn)。劃分網(wǎng)格后共有209949個(gè)節(jié)點(diǎn)和102936個(gè)單元。吊架上部連接鋼絲繩，下部連接振動(dòng)錘，因此，在每個(gè)吊板上軸孔施加固定鉸接約束并施加沿鋼絲繩方向的連接約束，在12個(gè)吊板下軸孔共施加30000kN豎直向下力。

經(jīng)過(guò)分析得到相應(yīng)的應(yīng)力和位移云圖，分別如圖2和圖3所示。

由應(yīng)力云圖分析可知，最大應(yīng)力位于吊架結(jié)構(gòu)中心處，其最大值為74MPa。結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為Q235B，其屈服強(qiáng)度為235MPa，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。由位移云圖可知，最大變形位于結(jié)構(gòu)中心處，最大位移值為13mm，在變形允許范圍內(nèi)。

圖2 吊架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖3 吊架結(jié)構(gòu)變形云圖

2 振沉設(shè)備組裝質(zhì)量控制措施

2.1 共振梁制作組裝質(zhì)量控制措施

共振梁上表面與振動(dòng)錘連接，下表面與夾持系統(tǒng)連接，所以共振梁的制作和組裝質(zhì)量尤為關(guān)鍵。組裝的場(chǎng)地承載力應(yīng)大于50kN/m2，應(yīng)在設(shè)置胎架區(qū)域的地面鋪設(shè)20mm鋼板。在安裝胎架前，在鋪設(shè)的鋼板表面劃出直徑為27870mm胎架安裝定位線，對(duì)胎架擺設(shè)進(jìn)行粗定位。按施工圖紙安裝振動(dòng)梁、聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)下方區(qū)域的胎架。用全站儀測(cè)量胎架平面度，若局部有偏差時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使其平面度符合安裝要求。把12套振動(dòng)梁吊上胎架，使用全站儀測(cè)量振動(dòng)梁整體平面度。如果局部有偏差，利用工裝進(jìn)行局部調(diào)整，待其平面度滿(mǎn)足要求后，剛性固定振動(dòng)梁結(jié)構(gòu)。一次安裝12套聯(lián)系梁結(jié)構(gòu)，待其全部裝配完成后，同樣使用全站儀對(duì)其整體平面度進(jìn)行測(cè)量。精度符合要求后，振動(dòng)梁與聯(lián)系梁之間安裝定位碼板。振動(dòng)梁與聯(lián)系梁裝配完成后，使用全站儀校驗(yàn)相關(guān)的安裝角度、整體平面度，滿(mǎn)足要求后進(jìn)行焊接作業(yè)?？偨M對(duì)焊接施工過(guò)程中應(yīng)安排雙數(shù)焊工進(jìn)行振動(dòng)梁與聯(lián)系梁之間的焊接。在總組對(duì)焊接期間，每天早、中、晚至少測(cè)量3次相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行測(cè)量，以監(jiān)控焊接作業(yè)的影響程度。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)變化較大時(shí)，應(yīng)合理調(diào)整施焊的順序。

2.2 總裝工藝

工藝1：錘座體安裝錘組的中心位置制作1個(gè)軸板座，利用安裝錘組用的螺栓孔用螺栓將其固定，然后把已完成的吊架平放在共振梁上，使其吊架下面的連錘耳板分別插入到軸板座中穿上假軸，再按工藝對(duì)共振梁進(jìn)行整體焊接。這種工藝確保了吊架上的振動(dòng)錘吊點(diǎn)和振動(dòng)錘安裝位置相對(duì) 一致。

工藝2：采用在只點(diǎn)固未焊接的共振梁上把錘全部安裝就位，然后把吊架與振動(dòng)錘安裝就位，并裝上正式銷(xiāo)軸，然后再對(duì)共振梁進(jìn)行整體焊接。此工藝效果應(yīng)與上述工藝效果基本相同，可就現(xiàn)場(chǎng)具體情況選用。

3 鋼圓筒振沉偏差分析及控制措施

鋼圓筒振沉分為自沉和振動(dòng)下沉兩個(gè)過(guò)程，下面對(duì)振沉過(guò)程中產(chǎn)生偏差原因進(jìn)行分析，并闡述其控制措施。

3.1 偏差產(chǎn)生原因分析

鋼圓筒振沉過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏位、傾斜現(xiàn)象。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的主要原因有以下幾個(gè)方面：（1）振 沉區(qū)域的水流潮汐及風(fēng)向?qū)е碌膱A筒位移和傾斜；（2）地表硬層高差較大產(chǎn)生的筒體自沉傾斜；（3）振沉過(guò)程中，吊船起重量變化引起筒體偏位、傾斜及錨纜松緊度不均產(chǎn)生的船體變位，出現(xiàn)筒體偏位和傾斜。

3.2 自沉過(guò)程控制措施

鋼圓筒定位偏差控制在15cm以?xún)?nèi)，垂直度偏差≤0.5‰狀態(tài)下開(kāi)始松鉤自沉。自沉過(guò)程中嚴(yán)格控制鉤頭吊重，若自沉順利，以50t為一級(jí)減載，徐徐落鉤。如果鋼圓筒在自沉過(guò)程中仍發(fā)生筒體傾斜超過(guò)0.5‰時(shí)，則立即停鉤，采取松緊錨纜調(diào)整船位，升降左右鉤頭，前后仰俯扒桿，或上拔和下沉等措施交替重復(fù)使用，直至筒位傾斜≤0.5‰后繼續(xù)下沉。直到自沉結(jié)束時(shí)，控制筒體處于垂直度≤0.5‰和偏位在15cm之內(nèi)。

3.3 振沉過(guò)程控制措施

鋼圓筒振沉過(guò)程中，如果位置和傾斜度無(wú)大變化，可根據(jù)下沉速度調(diào)整吊重。

如果在振沉過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有微量偏位和傾斜，可隨時(shí)通過(guò)調(diào)整錨纜、起重船2個(gè)鉤頭的吊重和扒桿的俯仰來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。如果偏位大于15cm或傾斜度超過(guò)0.5‰時(shí)停止振動(dòng)，吊重調(diào)整至錘組重量（不包含鋼圓筒重量），不落鉤頭原地振動(dòng)，直至鋼圓筒垂直度和偏位到達(dá)偏差和傾斜度允許的范圍內(nèi)，再落鉤繼續(xù)振沉，直至達(dá)到停錘標(biāo)準(zhǔn)。

振沉過(guò)程中出現(xiàn)振沉速度極慢或不下沉?xí)r（振沉速度小于305mm/min），采取措施：一是提高振頻，增加激振力；二是減少吊重，利用重力克服端阻力。振沉接近標(biāo)高，距標(biāo)高0.5m時(shí)，吊船停止落鉤，錘組停止振動(dòng)。將吊重調(diào)整到錘組自重范圍內(nèi)，不落鉤短時(shí)振動(dòng)（10s之內(nèi)），這樣一至兩次即可達(dá)到標(biāo)高允許范圍之內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)大直徑鋼圓筒振沉設(shè)備及工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的選型計(jì)算、重要結(jié)構(gòu)的有限元分析，設(shè)備總裝過(guò)程質(zhì)量控制措施，鋼圓筒施工過(guò)程中振沉偏差原因及控制措施等方面做了具體的計(jì)算、闡述及說(shuō)明。結(jié)果表明，振沉設(shè)備及工藝系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足深插大直徑鋼圓筒快速成島技術(shù)要求。