限高条件下格型钢板桩大圆筒现场组拼工艺

曹义国，苗艳遂

限高条件下格型钢板桩大圆筒现场组拼工艺

曹义国，苗艳遂

（中交第三航务工程局有限公司，上海200032）

港珠澳大桥香港人工岛岛壁采用格型钢板桩大圆筒结构，为了解决施工区域限高、水浅、地质条件差、区域狭小等施工难题，大圆筒主格施工采用了1/4大圆筒预拼、分组振沉工艺，该工艺主要包括基地预拼、水上运输、现场组拼合龙、分组振沉等。通过特殊工装支架、专用起重船、钢板桩弧形吊梁的研制，保证了85只格型钢板桩大圆筒的顺利组拼。实践证明该组拼工艺是成功的，尤其适用于大型起重船不能进入的区域，如水深较浅的潮间带、机场附近的航空限高区域。

人工岛；格型钢板桩；大圆筒；现场组拼

1　概述

港珠澳大桥香港人工岛是港珠澳大桥香港连接线的一个重要组成部分，占地面积约150万m2。香港人工岛工程为格型钢板桩大圆筒与抛石堤组合的海堤内回填围垦工程[1]，格型钢板桩岛壁结构轴线长度约5.1 km，共有格型钢板桩大圆筒85只，大圆筒主格直径31.194 m，副格直径15.96 m，均采用YSP-FXL型直腹式钢板桩，长度23.6～39.1 m。本工程单个格型钢板桩大圆筒主格由196片直腹式钢板桩组成，一般桩长达到37.1 m，均为目前国际之最。根据香港人工岛现场限高、水浅、环保要求高等施工条件，大圆筒主格施工采用1/4大圆筒预拼、分组振沉工艺。

2　工程难点与工艺选择

2.1工程特点和难点分析

港珠澳大桥香港人工岛工程大圆筒施工主要有四大约束条件[2]，施工技术难度极大：1）施工区域限高，整个施工区域现场限高在30～60m之间，施工设备选择受到极大限制；2）水深浅，施工区域泥面标高由南向北逐渐降低，近一半工程区域泥面标高在-2.8～-3 m，平均海平面+1.2 m，施工船舶需乘潮作业，运输船舶无法到达施工点；3）地质条件差，海底淤泥层厚约15～25 m，设计桩长23.6～39.1 m，长桩无法一次性就位，需现场接桩；4）施工区域狭小，海上环保要求高，施工期间岛体周边长期设置拦污帷幕，大圆筒施工局限于狭长的区域内，作业船舶多，交叉干扰较大。

2.2工艺选择

单个格型钢板桩大圆筒主格总重量一般在450～560 t，在上下左右都受极大限制的条件下，目前世界上尚无合适的起重船一次完成1个主格整体吊装和沉放。正是由于这种特殊条件，格型钢板桩大圆筒主格施工选择了1/4大圆筒预拼、分组振沉工艺。该工艺主要包括四大步骤：基地预拼、水上运输、现场组拼合龙、分组振沉等。

现场组拼合龙工艺特点：1）将整圆主格分为4个1/4圆钢板桩组装片分别吊装，从而降低对起重船吊距和起重能力的要求，大大减少了现场工作量；2）为现场拼装而设计的特殊工装支架为国际首创，工装支架所具备的升降功能解决了超长桩拼装后的起重下放问题，工装支架所具备的旋转功能解决了狭长区域内吊装船舶不能移位吊装问题，工装支架所具备的扩胀支撑功能解决了超长桩的倾斜与变形控制等问题；3）合龙桩采用专用连接板、螺栓连接技术，解决了在限高区域插锁口拼接作业时的高度约束难题；4）专门设计制造的专用起重船解决了限高条件下吊重问题；5）专门设计制造的专用弧形吊梁有效解决了弧形1/4预拼件吊装时的稳定、减小起重船吊装钢丝绳的高度问题；6）在弧形吊梁下设置专用吊板，可将1/4圆钢板桩组装片悬挂体由弧形吊梁转换到工装支架上层平台旋转小车圈梁的挂钩上。

3　关键装备与技术

3.1工装支架

1/4大圆筒现场组拼在大圆筒筒位设置的“工装支架”上进行。“工装支架”设计时，综合考虑最低限高区域限高、海床面标高、钢板桩长度、施工水位及预留间隙等因素。

根据该工艺的设计理念[3]，“工装支架”需要具有支撑钢板桩重量、回转拼装、下沉卸载、扩胀支撑等功能。“工装支架”主要由以下几部分组成。

3.1.1基础支承桩

根据地质条件、承载要求、各种工况和水位、气象条件等，工装支架基础采用9根钢管桩作支承，其中8根均匀布置在圆周上，1根布置在圆中心位置。支承桩桩顶标高+2.5 m，直径1 200 mm，壁厚18 mm，采用Q345钢。每个格体钢板桩振沉后均拔除基础支承桩。

3.1.2上部支撑胎架

“工装支架”上部支撑胎架由9根支撑立柱和上、中、下3层水平框架平台等组成。其中上层与中层平台具备升降功能，该2层平台通过钢丝绳柔性连接，且上层平台圈梁上设置回转小车圈梁，下层平台为固定结构，胎架顶端和底部设置固定连接结构。上部支撑胎架在各种工况下均可满足结构强度、刚度和整体稳定性要求。

工况一：正常施工工况，6级风风速10.8m/s、流速1.5 m/s、波高1.5 m最不利组合，以及在吊装1～4片后旋转作业时；

工况二：台风期，风速48m/s、流速2.5m/s、波高3.0m、钢板桩荷载为0时。

经计算，上述两种工况下，上部支撑胎架和下部支承钢管桩可满足承载力要求和稳定性要求。

3.1.3“工装支架”的升降装置

“工装支架”升降装置[4]主要由4台双出绳关联电动绞车和导向滑轮，以及动、定滑轮组组成。4台绞车布置在下层平台上，绞车底标高+5.2 m。电动轿车型号YVF2-315M-6-H，每台绞车总功率110 kW。

钢板桩由回转小车圈梁承载，通过4套该系统和设在上层平台圈梁上的8个吊点以9根立柱为导向，实现钢板桩的升降。见图1。

图1　升降绞车工作原理图Fig.1 Working schematic of lift winch

3.1.4“工装支架”的旋转装置

“工装支架”的旋转装置[4]主要由以下三部分组成：1）回转小车旋转圈梁（配滚轮）；2）行星齿轮驱动电机；3）中层平台随动旋转T形钩等。

3.1.5“工装支架”的气囊扩胀装置

为便于1/4钢板桩预拼件合龙组装成整格，工装支架的各层平台圈梁半径均小于大圆筒理论半径。钢板桩拼装合龙后为补偿该预留间隙并能使胎架有效支撑钢板桩，在上平台和中平台上设置了气囊扩胀系统。该系统主要由空气压缩机、储气罐、压力控制与输送系统和气胀胶囊组成，同时配置真空吸气装置，在不需使用扩胀系统时，可将气囊收缩在钢梁上凹槽内。

3.2钢板桩弧形吊梁

1/4圆钢板桩组装片采用专用弧形吊梁[3]起吊和安装，吊梁弧度与1/4圆钢板桩组装片轴心弧度一致。两对吊耳中心距13 m，与专用起重船间距中心一致。

为尽可能增加起重船有效吊高，钢板桩弧形吊梁与起重船吊具之间直接采用吊耳板连接，详见图2。

钢板桩与弧形吊梁连接方法详见图3。三角形专用吊板顶部钢丝绳穿过弧形吊梁预留孔，使用轴销连接钢丝绳扣及弧形吊梁顶部的承力耳板。

图2　钢板桩弧形吊梁与起重船吊具（动滑轮组）连接示意图Fig.2 Connection of the steel sheet pile arc beamand the floating crane hook (movable pulley unit)

3.3专用起重船

“工装支架”上部支撑胎架安装、1/4圆组装片分片吊装均由“专用起重船”实施。

由于受航空限高限制，现有海上起重装备很难满足本工程格型钢板桩整体吊装要求。为此，特研制了具有一定吊重能力和较大舷外吊距的水平吊臂专用起重船[3]。根据航空限高、海床泥面高程、1/4圆组装片分片吊装工艺需求、“工装支架”上部结构总重和船体稳性要求等，采用6 000吨级甲板驳船作专用起重船母船，见图4。

图3　钢板桩吊装方式与转换示意图Fig.3 Lifting method and conversion of steel sheet pile

图4　专用起重船Fig.4 Special floating crane

“专用起重船”主要起重性能参数：

1）甲板以上吊臂总高度39.0 m，在+2.0 m海平面、干舷高度为1.0 m时，臂架顶高程为+42.0m；

2）双钩左右吊距13m；

3）前双主钩：吊重2×2 000 kN，舷外吊距17.5m，甲板以上有效吊高35.3m；

4）后双副钩：吊重2×1 500 kN，舷外吊距10.5m，甲板以上有效吊高35.2m。

4　 1/4大圆筒预拼件现场组拼与合龙操作要点

4.1支承钢管桩及沉设工艺

工装支架支承钢管桩采用甲板驳上配置履带吊和液压振动锤实施沉桩。

支承桩桩位的精度将直接影响到支撑胎架安装精度，从而影响到钢板桩格体定位精度。为确保沉桩定位精度，每艘打桩船上配置3台GPS测站、1台测倾仪、2台红外测距仪及电脑监控系统等进行沉桩定位（陆上配置1台公用参考站），GPS沉桩定位系统的测量精度均在30 mm以内，沉桩竣工偏位可控制在100～150 mm以内。为保证支撑胎架的垂直度和受力状态良好，所有支承桩顶标高需控制在20 mm以内，沉设首根钢管桩时采用GPS控制高程（陆上全站仪比对校核），沉设第2根—第9根钢管桩时，采用T310水平扫描仪比对高程，如高程有差异可通过振沉和上拔调整钢管桩初步调整桩顶标高，必要时采取修割钢管桩桩头和厚钢垫板找平。

4.2“工装支架”上部支撑胎架吊装

支撑胎架采用专用船2×2 000 kN主钩起吊安装。

支承桩顶部法兰径向设置螺栓孔，支撑胎架底部法兰环向设置螺栓孔，上下法兰之间最大允许偏心为120mm，支承桩法兰顶部中心限位钢撑可纠偏0～150mm，即使沉桩偏差达到270 mm以内均可保证上下法兰能顺利对接和有效联接。

在支撑胎架安装过程中实时测量支撑胎架的平面位置和垂直度。在允许情况下可通过起重船移动支撑胎架平面位置，尽量减少支撑胎架平面位置偏差。支撑胎架安装垂直度按1%控制（钢板桩垂直度要求为1/75[2]），一般情况下桩顶高差在20 mm以内均能保证支撑胎架的垂直度要求。当垂直度不能满足要求时，起重船暂起吊支撑胎架，并根据支撑胎架倾斜度在支承桩法兰上加钢垫板找平。

4.3钢板桩组装片吊装和整圆拼装工艺

支撑胎架安装就位和相应的1/4圆钢板桩组装片运输到现场后，采用水平吊臂起重船锚泊在岛体内侧分片吊装组装片（吊钩为2×1 500 kN）。为防止吊装过程中组装片摆动，在起重船的甲板部位设置钢板桩抱紧装置，该装置两端采用液压式收紧器抱紧边缘钢板桩。

第1个1/4圆组装片吊装就位后，启动旋转装置，将该组装片平面旋转180°，而后吊装第2 个1/4圆组装片，再平面旋转90°，吊装第3个1/4圆组装片，继续旋转180°，吊装第4个1/4圆组装片。

4.4合龙桩施工

4个1/4预拼件分别吊装就位后，专用起重船撤离，振沉船进点，利用振沉船上吊车分别安装4根合龙钢板桩。根据限高要求，合龙桩安装需分段接长，为增加合龙桩一次拼装长度，提高工效，4组1/4大圆筒预拼装件悬挂后需下放至桩底与泥面约0.5 m间距处，再进行合龙桩拼接。

1根合龙钢板桩分为2～4段安插，分段拼接处内外采用连接钢板螺栓连接[2]。钢板尺寸1 600 mm×330 mmδ16 mm，材质Q345b；设置20个8.8级M33高强螺栓锚固。

5　结语

目前国际上格型钢板桩大圆筒主格一般采用“预拼整打”工艺，“主格1/4圆筒钢板桩基地预拼、水上组合散打”工艺与之相比，具有以下主要优点：1）具有更广泛的适用性，特别是在限高、水浅、范围窄，无法采用“现场散拼整打”工艺的条件下；2）现场施工占用水域面积相对较小；3）不需要2 000 t以上大吨位起重船，400～450 t起重船即可；4）基地预拼节省了现场拼装的时间，且不受现场自然条件的制约，特别适用于现场年有效作业时间很短的外海区域。

港珠澳大桥香港人工岛工程中采用“1/4圆筒基地预拼、水上组合散打”工艺的85个主格大圆筒已于2013年底全部完成，实践证明该工艺是成功的。该工艺适用于陆域形成工程中的格型钢板桩围堤施工，尤其适用于大型起重船不能进入的区域，如水深较浅的潮间带、机场附近的航空限高区域等。

[1]奥雅纳工程顾问.港珠澳大桥香港人工岛工程设计图[R].2010. Ove Arup&Partners Hong Kong Ltd.Design drawings for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2010.

[2]奥雅纳工程顾问.港珠澳大桥香港人工岛工程技术规格书[R]. 2010. Ove Arup&Partners Hong Kong Ltd.Particular specification for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2010.

[3]中交第三航务工程局有限公司.港珠澳大桥香港人工岛工程施工组织设计[R].2011. CCCC Third Harbor Engineering Co.,Ltd.Construction management plan for Hongkong artificial island project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].2011.

[4]GB/T 4447—2008，海船用起锚机和起锚绞盘[S]. GB/T 4447—2008,Sea-going vessels-Wind lass and anchor capstans[S].

On-site assembly technology of large diameter cellular steel sheet piles under the condition of height control

CAOYi-guo，MIAOYan-sui
（CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200032,China）

The large diameter cellular steel sheet piles are used in the construction of the Hongkong artificial island wallof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge.In order to resolve the construction problem of the height limit,shallowwater,poorgeological conditions,narrow region,the on-site assembly and vibration driving process are adopted in the large diameter cellular steel sheet piles construction.The process includes the preassembly on the base,marine conveyance,on-site assembly,vibration driving set by set etc.Through the development of special supporting device,special floating crane,steel sheet pile arc beam, we ensured the smooth assembly of 85 large diameter cellular steel sheet pile cylinders.The practice proved that the setof the process is successful,especially suitable for the area which large scale floating crane cannot enter,such as the shallow tidal zone,and theheight limitareanear theairport.

artificial island;cellular steel sheet piles;large diameter cylinder;on-site assembly

U655.4

B

2095-7874（2016）04-0054-05

10.7640/zggw js201604014

2015-10-13

曹义国（1972—），男，安徽安庆市人，高级工程师，港口与航道工程专业。E-mail：caoyiguo@126.com