大直徑鋼圓筒多錘聯動振沉設備及工藝

滕愛國，吳啟和，仇正中

大直徑鋼圓筒多錘聯動振沉設備及工藝

滕愛國1，吳啟和2，仇正中2

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

隨著海外市場的不斷拓展，水文地質條件復雜的海外水工項目越來越多。以委內瑞拉卡貝略港防波堤工程為例，通過大直徑鋼圓筒振沉設備比選分析，確定了多錘聯動振沉方案。探討了大圓筒定位下沉過程中的測量及監測系統，確定了大圓筒振動下沉停錘標準。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及難點，形成了成套的大直徑鋼圓筒多錘聯動振沉施工工藝。文中的研究成果可為復雜水文地質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；多錘聯動；激振力；振動系統

0 引言

20世紀40年代，大直徑圓筒結構開始應用于建造港口碼頭，這種新型結構最先在法國勒阿弗爾港得到應用，之后前蘇聯、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80年代開始對大圓筒結構進行試驗和工程實踐。針對插入式大圓筒岸壁結構的工作機理、數模和物模試驗、設計計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岸工程首次采用插入式鋼圓筒結構[2]，通過4臺美國APE400型液壓振動錘聯合振沉直徑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計標高。實踐證明，多臺液壓振動錘同步振沉鋼圓筒的方法，速度快，工期短，質量好，取得了顯著的經濟和社會效益[3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

委內瑞拉卡貝略港新港位于委內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，在碼頭東側與護岸連接，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，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，且當地石料緊缺，環保要求高，故防波堤主體結構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 委內瑞拉卡貝略港工程Fig.1Puerto Cabello port project in Venezuela

1.2 鋼圓筒結構形式

卡貝略港防波堤采用插入式鋼圓筒作為主體結構，鋼圓筒之間間距1 m，直徑分為21.5 m和22.5 m兩個規格，鋼圓筒壁厚16 mm，筒頂標高+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

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

工程區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巖，并有砂質膠結夾層。為保證振沉的順利實施，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內的填料及圓筒兩側各12 m寬、底部6 m以上范圍的地基進行高壓旋噴處理，置換率為40%，其余的筒內回填砂進行振沖密實，如圖2所示。

2 鋼圓筒振沉施工工藝

2.1 鋼圓筒制作和運輸

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輸至委內瑞拉卡貝略港，運輸航線為：上海長興—印度洋—好望角—大西洋—委內瑞拉卡貝略港，運輸航程13 281 n mile，航期單程約56 d。

鋼圓筒運輸時，采用不同直徑內外套放方案（圖3），然后整體吊裝至運輸船舶上進行遠洋運輸。鋼圓筒進場后，再進行切割取用。鋼圓筒采用“振華14”和“振華24”兩艘船舶進行遠洋運輸，經計算校核，運輸過程中的鋼圓筒和船舶的結構應力，船舶運輸過程中的穩性等均滿足設計要求。

圖3 鋼圓筒運輸示意圖Fig.3Sketch of transporting steel cylinder

2.2 鋼圓筒振沉設備比選

采用打樁分析軟件GRLWEAP進行鋼圓筒可打性分析，根據計算結果，采用4伊APE400打樁錘時，激振力可滿足工程需求?？紤]薄壁結構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，富裕系數約為2.5。

振沉設備主要從液壓振錘、液壓夾鉗、同步傳動技術及共振梁和吊架設計等方面分析。經過振沉設備的比選，APE和ICE的6錘聯動方案均可行，但APE方案中振動梁設計較優，液壓夾持方法簡潔，機械同步通過了實際工程應用驗證是可行和成熟的（如港珠澳大橋人工島島壁工程）。ICE公司的ICE3600并聯同步齒輪箱僅是設計方案，未有應用實例。鑒于委內瑞拉項目每年的施工窗口僅4個月，故選擇具有成熟應用的APE多錘聯動技術方案[4-5]。

2.3 鋼圓筒振沉施工流程

大直徑鋼圓筒多錘聯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 測量定位及監測控制

在鋼圓筒振沉施工定位駁上安裝2臺GPS接收機、2臺自動跟蹤全站儀和計算機處理系統，在振沉系統剛性振動梁上安裝4個適配反射棱鏡和4個液位計，組成1個定位系統，監測鋼圓筒平面位置、筒頂高程和縱橫向傾斜率。系統運行時，2臺GPS接收機實時接收CORS參考站差分信號，獲得實時三維數據；全自動跟蹤全站儀在人工粗略瞄準棱鏡后，能夠實現實時測角、測距，4個液位計能夠實時測量鋼圓筒軸線上高差監測傾斜率，各測量和監測設備的數據實時傳輸至計算機處理系統，從而實現鋼圓筒振沉定位和過程檢測[1]。

各測量、監測設備布置圖見圖5。

圖5 測量監測設備布置圖Fig.5Layout of measuring and monitoring equipments

2.5振動下沉停錘標準

在實際的施工過程中，發現管樁和振動錘的總重量實際上對于振動振幅的要求是不一樣的，管樁質量輕時，要求的振幅小，管樁質大時，要求的振幅小。目前的理論無法給出一個定論，只能是根據具體地質情況，結合過去類似施工經驗，給出相對比例的成功率。

停錘標準是非常經驗化的數值。針對本項目，連續振動時間超過30 min，仍然無法達到施工組織設計中要求的樁底標高，可認作停錘標準。

2.6 鋼圓筒振沉施工要點

1）夾持大圓筒

通過平移及旋轉浮吊使錘組進入鋼圓筒筒頂正上方后，在保證錘組較為平穩前提下，緩慢松鉤，直至鋼圓筒進入液壓夾具導向槽后，調整振動錘組，使預設的對稱兩錘中間夾具與筒壁上預先設置的擋板貼緊。調整時，通過控制浮吊上設置的2臺卷揚機牽引交叉系于錘組共振梁的晃繩的松緊，緩慢旋轉錘組，直至夾具與擋板緊貼后下落錘組。鋼圓筒進入錘組夾持凹槽后，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，則通過反復升降錘組進行微調。確認下落到位后，松鉤至350 t，通知錘組總控臺關閉夾頭，并登上共振梁對錘組工作狀態進行檢查。

2）大圓筒拆封

確認錘組下落至筒頂平面后，氣焊工對筒底口限位鋼板進行割除。拆除順序為：首先割除普通限位板，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，避免在起吊時發生越鉤。起吊時通過調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，防止相鄰鋼圓筒發生磕碰。本項目中，浪涌比較大，浮吊的上下浮動，對大圓筒的作用力非常大，指揮和技術人員需更加仔細。

4）初次定位

鋼圓筒吊至定位駁限位架處，起重指揮根據筒壁的0毅線與限位架中線作為參考進行鋼圓筒粗略定位，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，測量人員根據監測系統實時動態報告筒體垂直度。若平潮時間段作業，可直接下沉至泥面以上而開始精定位過程。若施工時間區間為流速較大時間段，需嚴格控制下沉速率并密切監視垂直度變化，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，避免筒體出現更大傾斜。

5）精確定位后自沉

如在平潮時間段作業，雙鉤松至筒底距離泥面標高以上0.5～1 m開始精定位過程。精定位主要通過測量人員連續報告偏位數據，偏位數據報告的順序及內容為：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。指揮人員據此對浮吊進行相應指揮。進行偏位調整時，需要考慮到大質量大尺寸鋼圓筒移動時因慣性而導致的滯后效應。東西向垂直度調整則通過升降左右鉤頭調整；在入泥前，平潮期間筒體南北向一般不會出現明顯傾斜；平面偏位則通過浮吊東西向平移或浮吊扒桿仰俯調整。筒體正位后，隨即可開始入泥自沉。自沉時主要通過控制筒體垂直度以使鋼圓筒在偏位滿足設計要求下順利自沉。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，可使鋼圓筒自沉入泥0.5～1 m，再根據測量報偏位情況，同以上方法進行調整。調整階段，浮吊操作人員及時就調整結果反饋給指揮人員，如“是否調整完畢”等，指揮人員再依據測量人員報告偏位變化相應采取下一步措施。若浮吊已進行了對應調整，偏位情況無明顯改善，則緩慢起升鋼圓筒直至偏位出現向好趨勢，中止上拔過程，靜待1～2 min。通過重復上述過程，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。

隨著自沉的進行，入泥深度的增加，雙鉤吊重的遞減呈現較為均勻連續的趨勢。此時，只需根據測量人員報告的偏位情況作出相應調整即可。筒體出現明顯傾斜變化時，應停止下沉，并調整扒桿變幅。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致東西向傾斜，應及時調整。如垂直度的調整不及時，甚至容易引起筒體平面偏位朝傾斜方向加劇的后果。

從測量偏位數據反映則表現為偏位數據陡然增大，從雙鉤吊重反映則表現為左右鉤頭吊重出現較大差值（逸100 t）。此時，如偏位出現恢復垂直度能夠滿足設計要求的變化，可無需上拔過程，直接進行振動糾偏。振動糾偏大體可分為靜態糾偏和動態糾偏。其中靜態糾偏為地質情況十分惡劣的情況采取的分解糾偏環節，精細控制，過程相對繁瑣；動態糾偏為地質情況較為惡劣情況下，通過在振沉過程中，發出糾偏指令，動態完成糾偏過程。

對于軟硬不均的土質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合，最終使偏位參數滿足設計要求。若偏位出現恢復垂直度依然難以滿足設計要求的情況，應立刻中止自沉，上拔或振動上拔鋼圓筒，并依據變化趨勢余留變化量重新進行定位自沉。

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。對于通過糾偏而最后確定振沉的情況，則視土質軟硬而確定松鉤速率。最終經測量監控是否達到標高而確認停錘。

施工由專業指揮人員獨立指揮，保持振動錘操作人員、吊機操作人員與指揮人員之間的聯絡，盡可能減少因設備問題造成的緊急停機，因為吊鉤拉力較大情況下的停機，一是振幅很大，減震系統受損嚴重；二是容易進入樁與設備的共振區，造成浮吊臂杠的損傷。

液壓油管根據大圓筒的下沉隨時調整高度，減小馬達循環冷卻油管的落差，防止液壓油通過壓力閥外洩[6]。

3 結語

委內瑞拉卡貝略港位于加勒比海，水文地質條件復雜。本文針對大直徑鋼圓筒多錘聯動振沉設備及施工過程中的重點和難點展開研究，主要研究結論如下：

1）通過收集國內外有關資料和工程實例分析論證、考慮振動下沉工況特點，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、聯動方案等方面考慮，結合地質條件、工程經驗及大直徑薄壁圓筒結構形式，確定了采用6伊APE400的聯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，可縮短定位時間、發揮導向作用，使大圓筒的定位更加直觀、快捷、準確。

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及難點，形成了成套的大直徑鋼圓筒多錘聯動振沉施工工藝。不僅為委內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支持，對促進和推動惡劣海況深水防波堤技術的發展和全面進步具有重要意義。

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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，從事水運工程技術管理與技術研究工作。E-mail：371959171@qq.com