浅谈超长直腹式钢板桩起吊运输及快速对位技术

(中国水利水电第七工程局有限公司国际工程公司，成都，610213)

1 工程概况

塔贝拉水电站位于巴基斯坦首都伊斯兰堡西北方，本次扩建主要是将原用于灌溉的4号隧洞改建为引水发电隧洞，并在原4号洞出口区域新建厂房，新增3台单机容量为470MW的机组，改善电力供应状况。受现场布局的限制，厂房施工围堰主要采用直腹式钢板桩形式。

钢板桩围堰主要由5个主格和4个副格组成，主格与副格交替布置。主格为直径23.7m的平面圆形封闭格体，每个副格布置于两相邻主格之间，利用两相邻主格的部分钢板桩及分别位于上、下游的两个半径为5.73m的连接弧形成封闭的格体，主格与副格的钢板桩之间采用Y型连接角桩相连。

具体布置情况见图1。

图1 钢板桩围堰布置

钢板桩围堰的主格由148根直腹钢板桩及4根连接桩组成，副格连接弧由35根直腹钢板桩组成。钢板桩型号为AS500-12.7，宽50cm，厚12.7mm，最大长度36m，主要参数见图2。

型号宽度腹板厚度锁扣厚度允许偏角单桩每延米重量锁扣强度钢材级别符号btha单位mmmmmm°kg/mkN/mAS 500-12.750012.7925.077.15500S 355 GP

图2直腹式钢板桩主要参数

2 钢板桩起吊运输和翻立技术

针对长直腹式钢板桩的长度方向刚度较低，易受弯失稳等问题，本工程实施过程中研制了梁式水平吊具和翻立器等施工机具，并研究了与其相关的施工工艺，解决了单片超长直腹式钢板桩水平起吊和翻立的难题。

2.1 梁式水平吊具的研制

由于已普遍应用的桁架吊具为多块桩板整体吊装作业使用，因此，其强度富余量大，在调运作业中显得过于高大笨重。因此针对机动性需求，根据现场可以获取的型钢材料研制了桩板水平起吊的轻型梁式吊具。

梁式吊具设计：主梁结构主体为三组Q235热轧I30工字钢，组合形式为两工字钢通过顶焊焊接于另一工字钢的下翼缘，并辅以若干角钢作为筋板加固，防止吊具侧向失稳，保证吊具整体的刚度及稳定性，焊接均采用E43型手工焊焊条。主梁顶部设2吊耳，间距为12m，则吊车通过钢丝绳施加的斜向上的拉力，分别作用于吊具吊耳上；主梁下部设5个下吊耳，为吊具吊取钢板桩时的承力点，下吊耳间距为6m，可完全覆盖24m长的桩板，利用悬臂部分可起吊36m的桩板。在吊具三维模型的基础上，采用ANSYS对结构单元划分网格并进行校核。

吊具整体结构如图3所示，主梁截面如图4所示。

图3 梁式吊具结构立面

图4 梁式吊具A-A& B-B截面

2.2 长直腹式钢板桩翻立器的研制

针对长直腹式钢板桩，国外规范EN 12063规定采用多点吊，多吊点吊立在一般起吊单元的基础上，增加动态承力单元，利用滑轮吊点通过两点固定的吊绳分担桩板自重。但是多吊点吊立工艺需要两组起吊设备协调起吊，占用两台吊车并对起吊协调性要求较高。本工程钢板桩施工过程中，根据桩板设计参数，经过计算分析和试验试制，设计了专用翻立机器，并对吊立工艺进行了研究。

2.2.1 翻立器的设计

翻立器主要由四部分组成，分别为管桩、型钢、铰链、张紧装置，翻立器整体结构如图5所示。图中1为钢板桩围堰施工所用的钢管桩；2为两工字钢，分别焊接于管桩的两侧，并通过若干间隔布置的小工字钢3联系在一起以支撑稳固。在管桩1的1/3长度处设有铰链4，因此，管桩1可以在自重作用下围绕铰链4旋转，从而实现从水平状态向竖直状态的翻立过程。螺旋式张紧装置5可以收放钢丝绳6，平衡管桩1自重产生的力矩，从而控制翻立器缓慢旋转翻立，起到安全、可控的效果。

1-钢管桩；2-长工字钢；3-小型工字钢；4-铰链；

2.2.2 吊装翻立过程

翻立器初始处于水平状态，通过铰链固定在浮箱边缘，管身约2/3长度悬空，并承受钢丝绳的拉力而处于平衡，利用平吊吊具吊运桩板置于翻立器上；通过吊装带临时固定，并用吊车吊取钢板桩一端；然后开始缓慢旋转收放装置的螺旋杆从而改变钢丝绳长度，翻立器在自重作用下旋转，带动其上的钢板桩一同旋转；翻立器旋转近90°时，用吊车提出处于竖直状态的桩板，即可进行插桩作业。整个翻立过程安全可控，易于操作。翻立器作业流程见图6。

图6 翻立器吊立桩板作业流程

翻立吊具利用了铰链结构，利用结构的偏心自重，简便轻松地实现了旋转翻立操作；并利用螺旋收放装置控制翻立过程。既避免了单点吊立的桩板中上部受弯失稳的危险，也避免了多点起吊的复杂协调作业，使长桩板的吊立操作仅一台吊车即可完成，并简化了吊立操作所需的指挥复杂性。

3 钢板桩快速对位技术

由于堰址处拼装的钢板桩格体是由单片钢板桩拼接围成的封闭格体。一般格体包含了数十甚至上百的待插打桩板，其拼装数量大，且要求反复插打以利于桩格均衡下沉，拼插操作频繁复杂。插打操作中，振动锤需要不断地在桩板顶部切换，更换驱动对象，振动锤对位耗时，是重要的辅助作业时间，为了保证施工进度，达到快速施工的目的，研制了引导器缩短振动锤和桩板之间的对位操作历时。

3.1 基于引导器的钢板桩快速插打原理

研制钢板桩拼装引导器的目的是用于加快桩板插打的操作速度。直腹式钢板桩插打过程中，第一步操作是需要将待插打桩板与已经拼接好的桩板的锁扣对准。由于锁扣入口较小，即使在加工厂已经对锁扣进行了倒角处理，但是对于长达36m重达2t的长直腹式钢板桩而言，在水上施工平台上用履带吊对准±1cm的锁扣，即对位的线性相对差达0.028%；如图7，对位操作必须在三维自由度水平下控制待对位桩板，对准锁扣保持并放下钢板桩。施工实践也证明吊装对位操作费时费力。

图7 钢板桩拼装锁扣对位

为加快施工效率、缩短锁扣对位耗时，考虑限制待拼接钢板桩自由度的措施，即在已拼接好的桩板顶端安装引导器，如图8所示。由于引导器的锁扣仅有一半，因此，可将高精度的对位操作转换为靠向和滑入等一系列低精度操作。“对位”的自由度减半的同时，精度要求大减。

图8 基于引导器的钢板桩锁扣快速对位

钢板桩引导器的技术方案如下：

(1)该引导器主要由直腹式钢板桩、锁扣、钳夹、扶手等组成，其三维结构如图9所示；

图9 钢板桩拼装引导器三维图

(2)在拼装施工过程中，把引导器夹在已拼好的桩板顶部，通过引导器将待对位桩板快速地对准已拼装桩板的锁扣，并进行沉桩施工，从而加快拼装速度。

3.2 引导器的制造过程

(1)在直腹式钢板桩上画出切割线，切割长度为200mm；

(2)采用手动割炬沿着切割线切割桩板；

(3)待桩板冷却后，按图10所示，在锁扣两侧上画出切割线；

图10拼装引导器俯视图

(4)用手动割炬沿着切割线切割两侧锁扣；

(5)等待冷却后，按图11所示，在钢板表面画出挖孔切割线；

图11 拼装引导器侧视图

(6)手动割炬沿着切割线对钢板表面进行切割；

(7)使用角向磨光机对所有切口进行打磨、清理；

(8)在直腹式钢板桩上画出4块尺寸为100mm×30mm的切割线；

(9)沿着切割线切割出4块小钢板；

(10)按图12所示，焊接4块小钢板，焊角高度不小于8mm，形成钳夹；

图12 拼装引导器的钳夹焊接位置

(11)使用角向磨光机对锁扣内侧边缘进行打磨、倒角(倒角高度为2mm)；

(12)在拼接施工中，把引导器夹在已拼装完成的直腹式钢板桩端头的顶部；

(13)起吊待拼装钢板桩至引导器旁，手动扶着待拼装钢板桩通过引导器快速对准已拼装完成钢板桩的锁扣，示意吊车驾驶员，下沉钢板桩，完成单片拼装，如此反复操作。

4 结语

超长直腹式钢板桩水平起吊运输和快速对位技术工艺所涉及的工器具，均由常规易获取的材料加工组装而成，使用起来机动灵活，安全可靠。两项技术工艺的应用不仅节约施工成本，更提高了施工效率，从而大大缩短了钢板桩围堰整体施工工期，也为类似材料的起吊运输和快速对位等问题的解决提供了一定的思路。