淺水區(qū)鋼管樁沉樁定位裝置的研制和應(yīng)用

歐陽小森 蘭金平 中交四航局第三工程有限公司

1.引言

尼日利亞某近海項目是建造一座棧橋，作為海底輸油管道的登陸通道，該棧橋為高樁梁板式結(jié)構(gòu)。采用直徑為Φ1000mm的鋼管樁作為基礎(chǔ)，樁長為40～42m，設(shè)計樁尖標高為-32～-30m，沉樁區(qū)域的泥面標高為-6.0～+2.0m。

我國目前的沉樁定位主要依賴定位導向架以及打樁船來實現(xiàn)。陸上沉樁的工藝流程一般是先施打錨樁，其次是將定位導向架安裝在錨樁上，最后加以固定。水上沉樁的工藝通常有兩種，一是通過筑島或搭設(shè)臨時棧橋等方式形成施工平臺，在平臺上安裝定位導向架；二是利用打樁船進行拋錨定位沉樁。然而在淺水區(qū)域沉樁時，如果通過筑島或搭設(shè)臨時棧橋形成陸上施工條件，再使用定位導向架進行沉樁，則樁尖容易受長周期波影響，不利于樁基的精確定位。如果采用打樁船進行沉樁施工，在水深小于船舶吃水深度的區(qū)域不具備打樁船進入施工的條件。因此，研制一套既適用于淺水區(qū)域施工，又能保證沉樁精度的定位裝置，至關(guān)重要。

2.項目背景

尼日利亞某近海項目屬于某煉油廠的配套工程，主要功能是作為煉油廠海上輸油管道的登陸通道。該項目鋼管樁數(shù)量共計78根，全部是直樁，鋼管樁的直徑為Φ1000mm，采用S355JOH型鋼（Q345B），其中42m樁長的鋼管樁20根，40m樁長的鋼管樁58根。該項目的鋼管樁，其中有70根位于水深為0-6m的淺水區(qū)域，8根位于岸灘上，常規(guī)打樁船無法滿足施工需求。為滿足沉樁需求，本項目充分利用現(xiàn)有的型鋼和貝雷片，建設(shè)了一座臨時鋼棧橋作為施工作業(yè)平臺，采用150T履帶吊輔以振動錘和沖擊錘進行鋼管樁定位和沉樁施工。

然而傳統(tǒng)的定位導向架適用于陸上施工，在海上施工存在定位困難，精度低等缺點，樁位和垂直度難以達到設(shè)計要求。該項目鋼管樁最大樁長為42m，為滿足穩(wěn)定性要求，則定位導向架高度需≥L/3=14m（L為樁長），存在高空作業(yè)風險。經(jīng)統(tǒng)計分析，傳統(tǒng)定位導向架的工藝特點如表1。

表1 定位導向架的工藝特點分析

3.研制內(nèi)容

“鋼管樁沉樁定位裝置”共有三種研制思路，分別是：鋼護筒+固定式滾輪裝置，鋼護筒+階梯調(diào)整式滾輪裝置，鋼護筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置。通過從有效性、經(jīng)濟性、操作性、工序等四方面進行綜合分析，決定采用鋼護筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置。該定位裝置主要由1個鋼護筒和4個相互垂直分布的導向筒組成。每個導向筒內(nèi)有金屬滑塊，滑塊外側(cè)與螺桿相連接，滑塊內(nèi)側(cè)與鋼滾輪連接。該裝置的工作原理是通過螺桿的旋進和旋出，帶動滑塊內(nèi)外移動，以此來調(diào)整鋼護筒內(nèi)鋼管樁的位置。該裝置如圖1所示。

圖1 鋼護筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置平立面圖

為保證鋼護筒在臨時鋼棧橋上具有充分的穩(wěn)定性，需在鋼護筒外側(cè)用工字鋼焊接井字架作為支撐。井字架與鋼棧橋以及鋼護筒分別焊接牢固，井字架能夠?qū)ψo筒進行定位和固定，使定位裝置更好的發(fā)揮定位作用。

4.裝置的應(yīng)用和結(jié)果分析

4.1 裝置的應(yīng)用

在沉樁施工前通過測量放樣在臨時鋼棧橋上標記出鋼管樁的樁芯坐標位置，以樁芯為圓心，以鋼管樁的半徑略微大100mm為半徑在橋面上畫出一個圓。將圓內(nèi)部分割除后，用履帶吊將鋼護筒吊起放置到圓孔內(nèi)，慢慢下放至泥沙里不再下沉時停止。由2名測量員從互呈90度夾角的2臺全站儀上分別同時觀測鋼護筒的垂直度和樁位，通過履帶吊以及操作人員互相配合的方式調(diào)整鋼護筒，當鋼護筒垂直度不超過1/50、中心位置偏差不超過100mm時，采用履帶吊吊起振動錘，將鋼護筒施打至合適的標高。為保證鋼護筒的穩(wěn)定性，將由工字鋼拼接而成的井字架與橋面及鋼護筒焊接牢固。

鋼管樁沉樁時，采用履帶吊將鋼管樁吊入鋼護筒內(nèi)，自由下放至泥沙里不再下沉時停止。同樣由2名測量員從互呈90度夾角的2臺全站儀上觀測鋼管樁的垂直度和樁位，通過旋進或旋出螺桿，調(diào)整鋼管樁的垂直度和樁位，當鋼管樁滿足精度要求后，用履帶吊和振動錘（或沖擊錘）將其施打到位。在施打過程中，測量員需實時監(jiān)控鋼管樁的垂直度和樁位偏差，當偏差超過一定范圍時，可以在不停錘的狀態(tài)下通過調(diào)整螺桿的方式調(diào)整鋼管樁的垂直度和樁位偏差。

4.2 應(yīng)用結(jié)果分析

研制的鋼管樁沉樁定位裝置在完成78根鋼管樁沉樁施工中，經(jīng)統(tǒng)計，垂直度偏差最大值為1/192，最小值為1/829，平均值為1/463；樁位偏差最大值45mm，最小值20mm，平均值29mm。沉樁精度遠遠高于設(shè)計要求的樁位偏差100mm，垂直度偏差1/50。垂直度和樁位偏差分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 鋼管樁的樁位偏差統(tǒng)計圖

圖3 鋼管樁的垂直度偏差統(tǒng)計圖

5.經(jīng)濟、技術(shù)和社會效益

5.1 經(jīng)濟效益

鋼管樁沉樁施工完成后，將傳統(tǒng)的定位導向架方案與研制的鋼管樁沉樁定位裝置方案進行經(jīng)濟性對比分析，分析結(jié)果如下所示。對比分析的施工內(nèi)容僅限為沉樁定位裝置的制作和鋼管樁沉樁施工前準備過程，而鋼管樁沉樁施工過程不受沉樁定位方案的影響，因此不納入分析范圍。材料和人工價格為2019年尼日利亞拉各斯地區(qū)的單價折合成人民幣的單價。

（1）節(jié)約制作成本。傳統(tǒng)的定位導向架的制作，需12根15m長36a#工字鋼立柱，12根10m長36a#橫梁，工作平臺需4根10m長的36a#縱橫梁，以及1塊100m的壁厚20mm鋼板，考慮岸灘上施工時需施打4根長10m φ600輔助樁。制作過程需要至少6個焊工花費4個工時，經(jīng)計算，材料和人工費為435434+9600=445034元。

而該沉樁定位裝置的制作，需1個φ1200mm，壁厚14mm長12.8m的鋼護筒，1個井字支撐結(jié)構(gòu)，4個定位滾輪裝置，考慮岸灘上施工時需搭設(shè)6m×4m平臺，需36a#工字鋼16m，28#槽鋼65m。制作過程4個焊工花費2個工時，經(jīng)計算，材料和人工費為92995+3200=96195元。

經(jīng)對比可知，在裝置的制作方面，該沉樁定位裝置比傳統(tǒng)的定位導向架節(jié)約成本為445034-96195=348839元。

（2）節(jié)約沉樁成本。利用傳統(tǒng)的定位導向架進行沉樁，一根鋼管樁大約需要4個小時，需要6名普工，2名焊工，1名司索工，1名吊機手，以及1臺150T履帶吊。經(jīng)計算，完成78根鋼管樁沉樁成本為（392+4500）×78=381576元。

而利用新研制的沉樁定位裝置僅需1個小時，4名普工，2名焊工，1名司索工，1名吊機手，以及1臺150T履帶吊。經(jīng)計算，完成78根鋼管樁沉樁成本為（192+1125）×78=102726元。

經(jīng)對比可知，在沉樁施工方面，該沉樁定位裝置比傳統(tǒng)的定位導向架節(jié)約成本為381576-102726=278850元。

綜上，通過使用新研制的鋼管樁沉樁定位裝置，完成78 根鋼管樁沉樁施工共節(jié)約成本為348839+278850=627689元，經(jīng)濟效益非常顯著。

5.2 技術(shù)效益

傳統(tǒng)的鋼管樁沉樁所用的定位架一般具有尺寸大、重量大、工效較低等缺點，在淺水區(qū)施工時樁尖容易受涌浪影響，造成定位困難。然而新研制的鋼管樁沉樁定位裝置，不僅尺寸小、重量輕、工效得到提高的優(yōu)點，同時避免了鋼管樁樁尖受涌浪影響，有效地提高施工效率和質(zhì)量。該裝置已于2019年獲得國家實用新型專利。

5.3 社會效益

該鋼管樁鋼管樁沉樁定位裝置制作簡單，成本低，安全風險小，顯著地提高了鋼管樁沉樁施工的正位率和垂直度，解決了在淺水區(qū)域采用傳統(tǒng)的定位導向架進行鋼管樁沉樁施工的效率低、成本高、安全風險大等問題。尼日利亞某近海項目應(yīng)用該沉樁定位裝置，不僅節(jié)約了項目成本，而且也提前40天完成了業(yè)主要求的帶纜樁施工節(jié)點任務(wù)，獲得了業(yè)主的感謝信，為公司創(chuàng)造了良好的社會信譽。

6.結(jié)論

與傳統(tǒng)的沉樁定位技術(shù)相比，新研制的鋼管樁沉樁定位裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，能夠快速地對鋼管樁進行定位，工序簡單，效率高，更加安全且節(jié)約成本。不僅解決了淺水區(qū)域鋼管樁沉樁定位的工藝難題，而且沉樁精度遠高于設(shè)計要求。本文通過介紹尼日利亞某近海項目中沉樁定位裝置的研制和應(yīng)用，為類似淺水區(qū)域鋼管樁沉樁施工提供了可供借鑒的思路和方法。