大直径钢圆筒多锤联动振沉设备及工艺

滕爱国，吴启和，仇正中

大直径钢圆筒多锤联动振沉设备及工艺

滕爱国1，吴启和2，仇正中2

（1.中国交通建设股份有限公司，北京100088；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430040）

随着海外市场的不断拓展，水文地质条件复杂的海外水工项目越来越多。以委内瑞拉卡贝略港防波堤工程为例，通过大直径钢圆筒振沉设备比选分析，确定了多锤联动振沉方案。探讨了大圆筒定位下沉过程中的测量及监测系统，确定了大圆筒振动下沉停锤标准。通过分析夹持大圆筒、大圆筒拆封、大圆筒起吊、定位、下沉及纠偏等过程中的施工要点及难点，形成了成套的大直径钢圆筒多锤联动振沉施工工艺。文中的研究成果可为复杂水文地质条件下的插入式大直径钢圆筒振沉施工提供参考。

插入式大圆筒；多锤联动；激振力；振动系统

0 引言

20世纪40年代，大直径圆筒结构开始应用于建造港口码头，这种新型结构最先在法国勒阿弗尔港得到应用，之后前苏联、西班牙、英国、丹麦、加拿大、日本等国也用其建码头和防波堤，我国于20世纪80年代开始对大圆筒结构进行试验和工程实践。针对插入式大圆筒岸壁结构的工作机理、数模和物模试验、设计计算方法及施工工艺等，开展了大量的专题研究工作，取得了许多令人瞩目的成果。1989年在天津港首次北防波堤延伸工程试验段首次采用基床式钢筋混凝土圆筒[1]，圆筒共11个，直径7 m，高4.75 m，壁厚0.6 m。2003年在广州番禺南沙蒲洲海堤护岸工程首次采用插入式钢圆筒结构[2]，通过4台美国APE400型液压振动锤联合振沉直径13.5 m，13耀34 m，壁厚12耀14 mm的钢圆筒。2009年港珠澳人工岛岛壁工程，通过8台APE600型液压振动锤将直径22 m，壁厚16 mm的大型钢圆筒振沉至设计标高。实践证明，多台液压振动锤同步振沉钢圆筒的方法，速度快，工期短，质量好，取得了显著的经济和社会效益[3]。

1 工程概况

1.1 工程简介

委内瑞拉卡贝略港新港位于委内瑞拉西北部卡贝略市卡贝略老港西部，新港在GOAIGOAZA岛对面，一期工程包括1个131 000 DWT集装箱泊位和1个108 000 DWT集装箱泊位，1 080 m钢管桩和钢板桩码头岸线，总面积约57万m2集装箱堆场，总面积约2.2万m2土建工程，以及长约1 055 m的东西2个深水防波堤，如图1所示。东堤位于陆地岸线至GOAIGOAZA岛的南侧，在码头东侧与护岸连接，长为615 m；西堤则从GOAIGOAZA岛西北端开始，沿西北方向延伸至深水区，长度为440 m。新港防波堤工程位于加勒比海海域，波浪条件恶劣，需在中长周期波况下施工，且当地石料紧缺，环保要求高，故防波堤主体结构采用浅埋式直立钢圆筒方案，防波堤共需36个大圆筒，其中东堤21个，西堤15个。

图1 委内瑞拉卡贝略港工程Fig.1Puerto Cabello port project in Venezuela

1.2 钢圆筒结构形式

卡贝略港防波堤采用插入式钢圆筒作为主体结构，钢圆筒之间间距1 m，直径分为21.5 m和22.5 m两个规格，钢圆筒壁厚16 mm，筒顶标高+2.5 m，圆筒高22.5耀26 m，最大重量约285 t。钢圆筒典型断面如图2所示。

1.3 工程地质

图2 大圆筒典型断面示意图Fig.2Typical cross-section of large cylinder

工程区土层主要为砂和黏土，自上而下交替分布。局部孔上层夹有珊瑚和灰岩，并有砂质胶结夹层。为保证振沉的顺利实施，需挖除地基表面的硬土层，其中东堤开挖至-14.0～-20.0 m，西堤大部分无需开挖。在开挖后的基槽内抛填疏浚砂，东堤至-11.0 m，西堤至-13.5 m。在筒底底部10 m内的填料及圆筒两侧各12 m宽、底部6 m以上范围的地基进行高压旋喷处理，置换率为40%，其余的筒内回填砂进行振冲密实，如图2所示。

2 钢圆筒振沉施工工艺

2.1 钢圆筒制作和运输

大直径钢圆筒由上海振华重工在上海长兴岛制造后整体运输至委内瑞拉卡贝略港，运输航线为：上海长兴—印度洋—好望角—大西洋—委内瑞拉卡贝略港，运输航程13 281 n mile，航期单程约56 d。

钢圆筒运输时，采用不同直径内外套放方案（图3），然后整体吊装至运输船舶上进行远洋运输。钢圆筒进场后，再进行切割取用。钢圆筒采用“振华14”和“振华24”两艘船舶进行远洋运输，经计算校核，运输过程中的钢圆筒和船舶的结构应力，船舶运输过程中的稳性等均满足设计要求。

图3 钢圆筒运输示意图Fig.3Sketch of transporting steel cylinder

2.2 钢圆筒振沉设备比选

采用打桩分析软件GRLWEAP进行钢圆筒可打性分析，根据计算结果，采用4伊APE400打桩锤时，激振力可满足工程需求。考虑薄壁结构激振力传递效率及弦长影响，选用APE公司6伊APE400和ICE公司6伊ICE360，两种方案提供的激振力相似，富裕系数约为2.5。

振沉设备主要从液压振锤、液压夹钳、同步传动技术及共振梁和吊架设计等方面分析。经过振沉设备的比选，APE和ICE的6锤联动方案均可行，但APE方案中振动梁设计较优，液压夹持方法简洁，机械同步通过了实际工程应用验证是可行和成熟的（如港珠澳大桥人工岛岛壁工程）。ICE公司的ICE3600并联同步齿轮箱仅是设计方案，未有应用实例。鉴于委内瑞拉项目每年的施工窗口仅4个月，故选择具有成熟应用的APE多锤联动技术方案[4-5]。

2.3 钢圆筒振沉施工流程

大直径钢圆筒多锤联动振沉施工流程如图4所示。

图4 施工流程图Fig.4Construction flow chart

2.4 测量定位及监测控制

在钢圆筒振沉施工定位驳上安装2台GPS接收机、2台自动跟踪全站仪和计算机处理系统，在振沉系统刚性振动梁上安装4个适配反射棱镜和4个液位计，组成1个定位系统，监测钢圆筒平面位置、筒顶高程和纵横向倾斜率。系统运行时，2台GPS接收机实时接收CORS参考站差分信号，获得实时三维数据；全自动跟踪全站仪在人工粗略瞄准棱镜后，能够实现实时测角、测距，4个液位计能够实时测量钢圆筒轴线上高差监测倾斜率，各测量和监测设备的数据实时传输至计算机处理系统，从而实现钢圆筒振沉定位和过程检测[1]。

各测量、监测设备布置图见图5。

图5 测量监测设备布置图Fig.5Layout of measuring and monitoring equipments

2.5振动下沉停锤标准

在实际的施工过程中，发现管桩和振动锤的总重量实际上对于振动振幅的要求是不一样的，管桩质量轻时，要求的振幅小，管桩质大时，要求的振幅小。目前的理论无法给出一个定论，只能是根据具体地质情况，结合过去类似施工经验，给出相对比例的成功率。

停锤标准是非常经验化的数值。针对本项目，连续振动时间超过30 min，仍然无法达到施工组织设计中要求的桩底标高，可认作停锤标准。

2.6 钢圆筒振沉施工要点

1）夹持大圆筒

通过平移及旋转浮吊使锤组进入钢圆筒筒顶正上方后，在保证锤组较为平稳前提下，缓慢松钩，直至钢圆筒进入液压夹具导向槽后，调整振动锤组，使预设的对称两锤中间夹具与筒壁上预先设置的挡板贴紧。调整时，通过控制浮吊上设置的2台卷扬机牵引交叉系于锤组共振梁的晃绳的松紧，缓慢旋转锤组，直至夹具与挡板紧贴后下落锤组。钢圆筒进入锤组夹持凹槽后，双钩吊重由540 t松至450 t，并观察锤组是否完全下落至筒顶平面。若未下落到位，则通过反复升降锤组进行微调。确认下落到位后，松钩至350 t，通知锤组总控台关闭夹头，并登上共振梁对锤组工作状态进行检查。

2）大圆筒拆封

确认锤组下落至筒顶平面后，气焊工对筒底口限位钢板进行割除。拆除顺序为：首先割除普通限位板，最后拆除筒前后两块加固钢板。

3）大圆筒起吊

钢圆筒起吊时，浮吊钩头吊重逐级加载，加载等级分别为600 t、800 t、直至缓慢起升，同时测量人员在测量平台上通过全站仪观察浮吊钩头钢丝绳的垂直度，避免在起吊时发生越钩。起吊时通过调整扒杆变幅和移船保证钢丝绳的垂直度，起重人员密切注意钢圆筒位置，防止相邻钢圆筒发生磕碰。本项目中，浪涌比较大，浮吊的上下浮动，对大圆筒的作用力非常大，指挥和技术人员需更加仔细。

4）初次定位

钢圆筒吊至定位驳限位架处，起重指挥根据筒壁的0毅线与限位架中线作为参考进行钢圆筒粗略定位，两条线基本重合后，保持圆筒位于限位架前方50～100 cm距离开始入水下沉。

入水自沉过程中，测量人员根据监测系统实时动态报告筒体垂直度。若平潮时间段作业，可直接下沉至泥面以上而开始精定位过程。若施工时间区间为流速较大时间段，需严格控制下沉速率并密切监视垂直度变化，筒体任意方向倾斜不得超过1/100。如因水流流速湍急在筒体周围形成涡流造成倾斜度较大，则立即中止下沉过程，静置一段时间，待倾斜度缩小再继续下沉。在上述探索式下沉至接近砂面时，宜快速松钩使钢圆筒入土1 m左右，避免筒体出现更大倾斜。

5）精确定位后自沉

如在平潮时间段作业，双钩松至筒底距离泥面标高以上0.5～1 m开始精定位过程。精定位主要通过测量人员连续报告偏位数据，偏位数据报告的顺序及内容为：东西向和南北向垂直度、平面偏位，其中平面偏位为筒底口的偏位参数。指挥人员据此对浮吊进行相应指挥。进行偏位调整时，需要考虑到大质量大尺寸钢圆筒移动时因惯性而导致的滞后效应。东西向垂直度调整则通过升降左右钩头调整；在入泥前，平潮期间筒体南北向一般不会出现明显倾斜；平面偏位则通过浮吊东西向平移或浮吊扒杆仰俯调整。筒体正位后，随即可开始入泥自沉。自沉时主要通过控制筒体垂直度以使钢圆筒在偏位满足设计要求下顺利自沉。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%。

如在潮流较大时间段作业，可使钢圆筒自沉入泥0.5～1 m，再根据测量报偏位情况，同以上方法进行调整。调整阶段，浮吊操作人员及时就调整结果反馈给指挥人员，如“是否调整完毕”等，指挥人员再依据测量人员报告偏位变化相应采取下一步措施。若浮吊已进行了对应调整，偏位情况无明显改善，则缓慢起升钢圆筒直至偏位出现向好趋势，中止上拔过程，静待1～2 min。通过重复上述过程，最终确定正位后开始自沉。

6）纠偏

包括自沉纠偏和振动纠偏两个步骤。

随着自沉的进行，入泥深度的增加，双钩吊重的递减呈现较为均匀连续的趋势。此时，只需根据测量人员报告的偏位情况作出相应调整即可。筒体出现明显倾斜变化时，应停止下沉，并调整扒杆变幅。此外，由于浮吊左右钩头起降速率存在固有差别，左右钩的松钩过程自然而然的导致东西向倾斜，应及时调整。如垂直度的调整不及时，甚至容易引起筒体平面偏位朝倾斜方向加剧的后果。

从测量偏位数据反映则表现为偏位数据陡然增大，从双钩吊重反映则表现为左右钩头吊重出现较大差值（逸100 t）。此时，如偏位出现恢复垂直度能够满足设计要求的变化，可无需上拔过程，直接进行振动纠偏。振动纠偏大体可分为静态纠偏和动态纠偏。其中静态纠偏为地质情况十分恶劣的情况采取的分解纠偏环节，精细控制，过程相对繁琐；动态纠偏为地质情况较为恶劣情况下，通过在振沉过程中，发出纠偏指令，动态完成纠偏过程。

对于软硬不均的土质或土层呈倾斜分布所造成的筒体倾斜，纠偏过程主要通过不松钩振沉、振动下沉、升降单个钩头、仰俯扒杆等措施相结合，最终使偏位参数满足设计要求。若偏位出现恢复垂直度依然难以满足设计要求的情况，应立刻中止自沉，上拔或振动上拔钢圆筒，并依据变化趋势余留变化量重新进行定位自沉。

7）振动下沉

振沉过程中，若为自沉顺利情况，双钩起至460 t而后每50 t一级逐级减载，直至松钩至50 t而维持吊重缓慢跟进。对于通过纠偏而最后确定振沉的情况，则视土质软硬而确定松钩速率。最终经测量监控是否达到标高而确认停锤。

施工由专业指挥人员独立指挥，保持振动锤操作人员、吊机操作人员与指挥人员之间的联络，尽可能减少因设备问题造成的紧急停机，因为吊钩拉力较大情况下的停机，一是振幅很大，减震系统受损严重；二是容易进入桩与设备的共振区，造成浮吊臂杠的损伤。

液压油管根据大圆筒的下沉随时调整高度，减小马达循环冷却油管的落差，防止液压油通过压力阀外洩[6]。

3 结语

委内瑞拉卡贝略港位于加勒比海，水文地质条件复杂。本文针对大直径钢圆筒多锤联动振沉设备及施工过程中的重点和难点展开研究，主要研究结论如下：

1）通过收集国内外有关资料和工程实例分析论证、考虑振动下沉工况特点，通过GRLWEAP软件，分析了大直径钢圆筒振沉激振力。

2）从激振力需求、能量传递、联动方案等方面考虑，结合地质条件、工程经验及大直径薄壁圆筒结构形式，确定了采用6伊APE400的联动振沉大直径钢圆筒方案。

3）针对钢圆筒定位下沉过程，研制了一套测量定位及检测控制系统，可缩短定位时间、发挥导向作用，使大圆筒的定位更加直观、快捷、准确。

4）分析了夹持大圆筒、大圆筒拆封、大圆筒起吊、定位、下沉及纠偏等过程中的施工要点及难点，形成了成套的大直径钢圆筒多锤联动振沉施工工艺。不仅为委内瑞拉卡贝略港防波堤的施工提供了支撑作用，也为我国拟建其它外海深水防波堤施工方案提供技术支持，对促进和推动恶劣海况深水防波堤技术的发展和全面进步具有重要意义。

[1]孟凡利，孔令磊，刘昊槟，等.大直径钢圆筒振动下沉工艺及设备的开发与应用[J].中国港湾建设，2015（7）：116-119.

MENG Fan-li,KONG Ling-lei,LIU Hao-bin,et al.Development and application of vibration sinking technology and equipment of large diameter steel cylinder[J].China Harbour Engineering,2015 (7):116-119.

[2]袁孟全，徐文华，李永全，等.广州番禺南沙蒲州海堤护岸工程大直径钢圆筒振动下沉设备及工艺的研究与应用[J].中国港湾建设，2003（4）：7-13.

YUAN Meng-quan,XU Wen-hua,LI Yong-quan,et al.Study and application of vibro-driving equipment and technology to install large diameter steel cylinders in Puzhou sea bank in Nansha,Panyu, Guangzhou[J].China Harbour Engineering,2003(4):7-13.

[3]沈永业，李业勋，张奎.港珠澳大桥快速人工建岛施工关键技术[J].施工技术，2015，44（6）：104-107.

SHEN Yong-ye,LI Ye-xun,ZHANG Kui.Rapid island-formation key technology about artificial island in Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2015,44(6):104-107.

[4]胥新伟，刘亚平，黎双邵.大直径钢圆筒振沉计算方法[J].中国港湾建设，2014（10）：14-16.

XU Xin-wei,LIU Ya-ping,LI Shuang-shao.Calculating method for vibro-sinking large diameter steel caissons[J].China Harbour Engineering,2014(10):14-16.

[5]刘宝河，边强，袁孟全.振动沉桩锤的选型及应用[J].中国港湾建设，2008（3）：38-41.

LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application of vibratory piling hammers[J].China Harbour Engi原neering,2008(3):38-41.

[6]吴利科.大直径圆筒振动下沉施工新工艺[J].中国港湾建设，2003（2）：5-7.

WU Li-ke.New technology of installing large diameter cylinders by vibration-driving[J].China Harbour Engineering,2003(2):5-7.

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

滕爱国（1973—），男，硕士，高级工程师，从事水运工程技术管理与技术研究工作。E-mail：371959171@qq.com