基于一體式導向架的大直徑鋼護筒水上快速施工技術

向梨梨，黃鵬，胡偉邦

（中交第二航務工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

通常，水上樁孔鋼護筒的沉放方式有3 種：1）在已形成的初始平臺（施工平臺、已沉放的鋼管樁或鋼護筒）上焊接懸臂導向架，利用起重船起吊鋼護筒后沉放。2）起重船起吊鋼護筒，插入整體式導向架后定位，再沉放鋼護筒（如港珠澳大橋非通航孔橋復合樁鋼管，采用大型起重船將整體式導向架初定位，再利用另一臺起重船插打導向架的定位樁，通過導向架定位鋼管后沉放）[1]。在含超常規直徑（如直徑超過4 m）且規格種類較多的鋼護筒沉放施工時，前2 種方式存在工效不高、操作困難的缺點。3）沉放鋼護筒的方案為打樁船配合自身的小型導向架及沖擊錘沉放鋼護筒，但一般可沉放的鋼護筒直徑較小，適用范圍不大，設備利用程度不高。

1 工程概況

海南鋪前大橋跨越鋪前灣，橋區潮汐屬于不規則半日潮，潮汐性質復雜，日不等現象顯著。平均潮差0.8 m。經疏浚后，橋區水深約6.5 m，水深、水域范圍適合大型水上設備施工。

跨海斜拉橋主橋34 號主塔位置處水文條件：

1）流速：設計流速v=0.99 m/s；

2）潮位：設計高潮位為+1.12 m，設計低潮位為-0.56 m；

3）波浪：工作狀態5 a 一遇，波高2.01 m，周期5.8 s；非工作狀態：波高H1%=2.7 m，周期T=6.3 s。

該位置處地質條件：參照《海南鋪前大橋樁基勘察超前鉆探報告》ZK20 鉆孔資料。鉆孔的地質參數見表1。

橋區跨越鋪前-清瀾活動斷層，此斷層為高角度西傾的活動正斷層。強震作用下樁身剪力在樁頂和基巖面附近處較大。為保證抗震需求，設計上考慮將常規的樁基礎結構調整為大直徑的鋼管復合樁。鋼管復合樁，即帶有抗剪裝置的變徑永久鋼護筒+鋼筋混凝土樁基組合體結構。

跨海斜拉橋主橋34 號主塔處于近斷層區域，下設32 根鋼管復合樁。φ4.3 m 鋼護筒由上至下劃分為3 節段，第1 節段為替打段，長5.32 m，壁厚28 mm。為防止振動錘夾持部分變形，第1 節段頂面外側焊接1 圈8 mm 厚加強鋼帶。為避免運輸過程中端部變形，在其頂面內側焊接米字撐。第2 節段為標準節段，外直徑4.3 m，長16.38 m，壁厚35 mm。第3 節段為鋼護筒底部加厚節段，壁厚45 mm。為避免運輸過程中端部變形，在其底面內側焊接米字撐。根據設計要求“鋼管不允許在水上接長”，因此整根鋼護筒總長25.7 m，總重98.3 t，如圖1 所示。同時，設計圖紙要求鋼管“打入完畢后的鋼管，其位于承臺底面處中心偏差小于50 mm，傾斜度不大于1/200?！盵2]

圖1 大直徑鋼護筒結構示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of large diameter steel casing structure（mm）

2 方案研究

2.1 總體方案研究

主墩鋼護筒設計為永久結構，長25.7 m 重達98.3 t，需整根一次沉放完成。一般采用釣魚法先施工棧橋再施工主墩鋼平臺，在主墩鋼平臺上進行鋼護筒吊裝及沉放，最后布置鉆機進行樁基施工[3-6]。

但本項目由于樁基直徑大，護筒重量大。采用常規的施工方案存在以下問題：

1）主墩離岸較遠，棧橋長度為480 m，常規的釣魚法先施工棧橋再施工主墩鋼平臺占用主線工期。

2）本項目護筒重量達到98.3 t，搭設棧橋平臺再利用平臺施工鋼護筒，需要采用2 臺大噸位履帶吊進行施工，對鋼平臺承載力要求高。

3）主墩樁基為嵌巖樁，基巖為微風化花崗巖，最大飽和抗壓強度達120 MPa，采用自重約300 t 的ZJD5000 型回旋鉆成孔，大型鉆孔設備對鋼平臺承載力要求極高，臨時措施投入大。

為節省工期及施工成本，提出先采用打樁船沉放鋼護筒后形成平臺，利用鋼護筒作為平臺支撐的施工工藝。即先沉放鋼護筒與輔助樁，再利用鋼護筒及輔助樁作為豎向支撐焊接牛腿，安裝平臺上部梁系結構形成平臺的方法。如圖2 所示。

圖2 打樁船配合一體式導向架振沉鋼護筒示意圖Fig.2 Schematic diagram of vibration sinking steel casing with integrated guide frame of pile driving vessel

2.2 大直徑鋼護筒沉放設備選型

針對引言中提到的常規沉放鋼護筒的3 種方案進行分析，如表2 所示。

表2 鋼護筒沉放方案對比表Table 2 Comparison of steel casing sinking schemes

由表2 可知，常規第1、第2 種方案存在工效較低、工序繁瑣的問題，第3 種采用打樁船+自有導向架的方法沉放鋼護筒，工效較高，但針對大直徑鋼護筒則需通過新制導向架的方式實現。將導向架與打樁船連為“一體”，通過打樁船自身GPS 系統指導錨纜糾偏與鎖定，從而實現導向架初步定位，鋼護筒進入導向架后也實現了鋼護筒的初步定位；通過測量儀器測出鋼護筒的誤差值，使用導向架調節裝置進行鋼護筒平面偏位與垂直度調整，快速實現鋼護筒的精確定位。

2.3 導向架結構設計

導向架固定于打樁船前端，主要由上框架、下框架、立柱、斜撐、連接桿、驅動結構、調節系統等組成。導向架結構具有以下特點：

1）導向架自身具有足夠的剛度，從而為鋼護筒振沉過程提供足夠的限位約束，以保證安裝精度；同時，導向架可調整鋼護筒的垂直度。因此，導向架需設計為雙層立體框架結構，且上下層均具備偏位調節功能。

2）導向架能夠適應鋼護筒在起吊加載過程中發生的繞橫船向產生的扭轉。因此，上部龍口設計為可開合的封閉結構，可進行四向調位；下部龍口設計“半包圍”結構（船體及導向架隨吊鉤加載與卸載的過程會出現向前傾斜的狀態，需釋放遠離船向的約束）。

3）導向架上層安裝驅動活動裝置開合的卷揚機驅動結構，通過驅動結構啟閉上層活動橫梁（如圖3 所示），通過上層框架內側4 個頂推滾輪進行一定范圍內的水平位移調整（如圖4 所示）；下層框架不設活動橫梁，通過下層框架內側3 個頂推滾輪進行一定范圍內的水平位移調整。

圖3 導向架活動橫梁啟閉工作原理圖（立面）Fig.3 Working principle diagram of opening and closing of movable crossbeam of the guide frame（elevation）

圖4 導向架結構平面圖（示意調節裝置）Fig.4 Structural plan of guide frame（schematic adjustment device）

導向架結構側視圖如圖5 所示。

圖5 導向架結構側面圖（打樁船顯示部分）Fig.5 Side view of guide frame structure（display part of pile driving vessel）

2.4 鋼護筒及導向架結構受力計算分析

1）鋼護筒受力分析

鋼護筒水流力計算：根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》進行計算。φ4.3 m 鋼護筒8.013 m 水深，設計泥面標高為-6.893 m，設計流速0.99 m/s。

鋼護筒波浪力計算：根據JTS 145-2—2013《海港水文規范》計算鋼管樁波浪力。工作狀態下，波高H=2.01 m，周期T=5.8 s，水深d=8.013 m，計算得工作狀態下φ4.3 m 鋼護筒波浪力：P=292 kN；M=1 480 kN·m

作用點標高為-1.83 m。

2）導向架結構受力分析

當鋼護筒下放至泥面時，導向架承受最大水平力F1=Fw+P=12.33+292=304.33 kN，承受彎矩所產生的最大水平力F2=1 480/4.61=321 kN。導向架自重荷載由模型自行計入。

采用MIDAS 有限元軟件建立模型對導向架結構進行分析計算。

邊界條件：導向架在船體連接點處固結。導向架有限元計算模型如圖6 所示。

圖6 導向架結構計算模型Fig.6 Calculation model of guide frame structure

計算分析結果如圖7、圖8 所示。

圖7 組合應力（MPa）Fig.7 Combined stress（MPa）

圖8 水平位移（mm）Fig.8 Horizontal displacement（mm）

根據計算結果顯示，導向架最大組合應力141 MPa，最大水平位移15 mm，導向架強度和剛度均滿足使用要求。

綜上可知，導向架結構安全系數仍有富余，該導向架適用于高流速、大波浪近海區域大直徑鋼護筒的下放使用。

3 方案應用

3.1 鋼護筒吊點設置

大型打樁船一般設有多個主鉤與副鉤。部分吊鉤用于起吊鋼護筒，部分吊鉤用于起吊新增的振動錘。

若采取打樁船施工的方法，吊耳結構與布置方式應滿足鋼護筒的起吊及翻轉的平衡受力要求。同時，還應考慮在穩定樁位時，操作人員能夠解開吊耳上所系的銷栓。因此應將吊耳設在離鋼護筒筒口較近的地方。

打樁船與鋼護筒的連接方式：鋼護筒頂端朝上側2 個吊耳為一組（第1 組），連接打樁船帶有滑輪的吊鉤1；鋼護筒頂端朝下側1 個吊耳（第2 組），連接打樁船吊鉤2；鋼護筒底面1 個朝上側的吊耳（第3 組），連接打樁船吊鉤3。打樁船與鋼護筒吊點連接方式見圖9。

圖9 鋼護筒吊點布置示意圖Fig.9 Schematic diagram of steel casing lifting point arrangement

鋼護筒起吊過程姿態與受力體系轉換如下：

1）打樁船將鋼護筒整體提升離開運輸船。鋼護筒由水平狀態提升離開運輸船的過程中，第1組吊耳通過滑輪一并起吊受力。同時，第3 組吊耳也參與起吊受力。

2）鋼護筒由水平狀態逐步轉換為傾斜狀態。鋼護筒離開運輸船后，第1 組吊耳對應的吊鉤向上提升，鋼護筒開始傾斜，鋼護筒重量逐漸分配給第1 組吊耳。第3 組吊耳受力逐漸減小。

3）鋼護筒由傾斜狀態轉換為豎直狀態。鋼護筒姿態轉換至一定角度之后，第2 組吊耳對應的吊鉤開始加載提升，第2 組吊耳部分參與受力，第1 組吊耳受力相對減小，第3 組吊耳受力繼續減小。

4）鋼護筒轉換至豎向姿態后，由第1 組吊耳和第2 組吊耳共同分配受力，第3 組吊耳的吊鉤松鉤。

3.2 打樁船起吊鋼護筒并初步定位

打樁船豎向起吊鋼護筒，船體及導向架在鋼護筒重力作用下在豎直面內繞橫船向軸轉動，向前傾斜。利用打樁船自身的GPS 打樁定位系統進行船體與隨之起吊的鋼護筒的初步定位，此時定位精度約為中心偏差20 cm，通過松緊錨纜系統實現打樁船的移動。

通過固定于上框架的卷揚機連接牽引立桿進行導向，提供牽引力打開導向架上框架活動橫梁，樁架后仰，將鋼護筒移入導向架內，如圖10 所示。關閉導向架上框架活動橫梁，并在鎖定座銷孔中插入銷軸鎖定活動橫梁（如圖3 所示）。

圖10 打樁船起吊鋼護筒移入導向架施工示意圖Fig.10 Diagram of lifting steel casing by pile driving vessel and moving it into guide frame

3.3 鋼護筒精確調位

為滿足大規模的海上大型工程施工需要，并根據遠海工程施工的特點，“航工樁9”打樁船采取的是“海工工程GPS 遠距離打樁定位系統”，其基本定位原理是：首先以GPS 作為基本定位儀器對打樁船進行定位，在此基礎上，配合輔助測量設備對施打樁的樁位進行精確定位，以提高系統的定位精度[7-8]。

“航工樁9”控制臺的計算機屏幕能同時以圖象及數字的形式反映出施打樁的設計位置及該樁的主要設計參數（包括設計的樁中心坐標、樁頂標高、平面扭角、傾斜度等），以及停錘標準（包括標高控制標準和貫入度控制標準）和當前施打樁的實時位置及主要實時參數（如樁中心坐標偏差、樁頂標高偏差、平面扭角偏差、實時傾斜度、實時貫入度等），便于操作人員進行對照比較，調整船位，進行初定位。精確定位通過導向架調整鋼護筒的平面位置及垂直度，施工時緩緩下放鋼護筒，逐步插入海床淺表覆蓋層內，吊鉤受力逐漸減小，船體及導向架開始逐漸反向轉動。根據測量數據，適時調節頂推滾輪，頂推滾輪的調節范圍為±20 cm。針對鋼護筒偏位與傾斜情況施加水平向約束（如圖4 所示）。

3.4 振動錘振沉鋼護筒

船體及導向架反向轉動恢復至初始傾斜角度，如圖11 所示。下放液壓振動錘，夾持鋼護筒頂面（為避免夾持與振沉作用導致鋼護筒頂部變形，需提前在鋼護筒頂面外緣焊接加強鋼帶），施加激振作用。鋼護筒逐步下沉，地層與導向架共同提供約束。因主塔處覆蓋層較薄，約8～10 m，故鋼護筒入土深度相對較淺，若沉放過程中發生傾斜，再次使用頂推滾輪對鋼護筒的偏位進行調節，保證垂直度與平面位置，此時定位精度偏差約4～5 cm，傾斜度約1/200，振沉至設計標高。

圖11 打樁船配合振動錘振沉鋼護筒施工示意圖Fig.11 Construction diagram of vibration sinking steel casing with cooperation of pile driving vessel and vibration hammer

4 結語

海南鋪前大橋跨越活動斷層，主塔采用大直徑鋼管復合樁鋼護筒。鋼護筒直徑超常規，且重量較重，數量較多，精度要求高，施工難度較大。通過對一體式導向架的大直徑鋼護筒水上快速施工技術的研究與應用，主要得出以下結論：

1）施工時采用護筒后平臺的工藝，相對于常規的先棧橋平臺再施工鋼護筒節約了施工工期1個月。同時該工藝可利用鋼護筒作為鋼平臺支撐，節約了鋼平臺的措施投入。

2）設計了適用于打樁船的一體式雙層導向架。通過上層四向調節和下層三向調節的合理設置避免了打樁船在起吊鋼護筒的過程中傾角變化對鋼護筒的影響。通過打樁船GPS 定位系統及導向架調位功能實現了護筒的快速精確定位，滿足了設計及規范關于平面偏位和垂直度的要求。