东海大桥桩基冲刷防护工程斜向溜筒拋石船关键技术

杨 磊，毛娟龙

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

1 工程概况

东海大桥是洋山深水港区必不可少的配套工程，是连接洋山深水港区与上海市唯一的陆路通道，其重要性不言而喻。近年来由于长江口入海沙量逐年减少，在水动力变化不大的情况下，泥沙来源缺乏导致海床冲刷成为必然。在长江流域来沙不再补充的情况下，按正常的冲淤变化规律，杭州湾北口的泥沙不断向南边滩输移淤积，导致东海大桥部分桥墩周围发生较大的局部冲刷。冲刷坑长轴方向基本与大桥轴线上下游方向(即涨落潮流方向)一致，冲刷坑长200～300m，桥墩南、北两侧冲刷坑宽度为50～80m，基本上均处在观测水域宽度400m范围内。桥墩冲刷坑深度在4～7m，最深达11m，冲刷最严重的桥墩最深处泥面达到-29.2m。按目前状况，有部分桥墩桩基应力的安全系数已接近其安全警戒范围，还有部分桩基础轴向已超过设计承载力，需采取必要的工程维护措施确保大桥结构安全，阻止桥墩桩基进一步冲刷。

由于国内外类似跨海大桥桥墩防冲刷保护的案例及经验较少、工程实践也较缺乏，大范围防护工程正式实施前需进行防护试验，以总结经验、优化设计、指导施工。

防护试验工程防护范围：墩号为PM135～137，PM434，PM435，PM437，PM438号，共7个桥墩。东海大桥下部基础一般采用高桩承台结构和圆形钢管桩，本次试验工程各桥墩桩基数量、墩台直径及相邻桥墩间的跨度如表1所示。

表1 桥墩承台、桩基结构形式

设计方案为：冲刷坑核心区防护设计垂向布置自上而下依次为厚1.5m的袋装混凝土干混料、厚2～3m的袋装碎石，总厚度3～5m。其中，袋装碎石作为反滤层，防止原冲刷坑底的淤泥及粉土底质受紊流作用而被淘刷，袋装混凝土干混料防止表面冲刷。本工程设计防护结构形式如图1所示。

图1 东海大桥桥墩桩基防护结构形式

2 主要技术难点

外海跨海大桥桩群内大范围进行回填防冲刷保护在国内尚属首例，无类似工程经验可借鉴，桩群内袋装碎石及混凝土干混料抛填施工技术难度大、安全风险高，主要有以下几个方面。

1)恶劣的自然环境 东海大桥海域天气变化复杂，受台风、冷空气影响频繁，全年可作业有效作业时间短。同时，该区域潮差变化大，平均潮差达3.2m，最大潮差达5.14m，涨落潮时流速较快，回填料抛填时必须避开急涨急落流，造成每天实际作业时间也较短，因此对抛填工艺的施工效率要求较高。另外，该海域水深较深，冲刷坑最低标高普遍低于-25.000m，回填料抛填过程中受水流影响的偏移量及流失量较大。

2)现有桩基及墩台的影响 东海大桥墩台下部钢管桩平面扭角、斜率各有不同，在桩群内部进行防冲刷保护在国内尚属首次，技术难度大。受承台和桩群的影响，传统的直溜筒或网兜抛石无法抛入冲刷坑核心区域。

3)桥面以下净空高度的限制 由于施工船舶需进入桥面以下施工，对桥面以下净空高度进行了实地勘察并统计，统计情况如表2所示。

由表2可知，桥面至承台顶净空高度最小高度为8.88m。受此限制，沿海一带运输船无法进入桥下驻船，船用吊机不能在桥面以下自由变幅、安全施工。在风浪影响下，易发生船用吊机臂碰撞船面上部结构安全事故，需对现有船舶进行限高改造，使其能满足桥面以下安全施工的需要(见图2)。

③ 王燕晶.“中国风”歌曲流行现状及其在对外汉语教学中的应用[J].四川:四川理工学院学报社会科学版第26卷第5期,2011.

表2 桥下净空高度 m

图2 现有桥梁跨度及桥面以下净高限制

4)钢管桩表面防腐涂料及牺牲阳极块保护要求高 钢管桩表面环氧树脂涂料层及牺牲阳极块在桩基防腐中起到决定性作用，抛填过程中不能对现有防腐涂层及牺牲阳极块造成损伤，影响钢管桩使用寿命。

3 关键技术研发

由于目前国内无专业的施工设备能斜向伸入复杂桩群内冲刷坑核心区域进行精确抛填施工，为此成立了课题研究小组，充分分析上述各种限制因素，确立了斜向溜筒抛石关键技术研发目标及研发内容。

3.1 研发目标

斜向溜筒抛石船能适应桥面以下施工要求，锚缆系统适应本工程施工区域内风浪条件。斜向溜筒能根据不同的水深情况及桩基间距伸入桩群内部进行精确抛填，抛填过程中受水流影响小、流失量<15%。喂料系统满足桥面以下净高要求，施工效率满足施工进度要求。定位监控软件能三维实时显示斜向溜筒与任意钢管桩的相对位置关系，通过三维显示指导插桩作业，避免对桩基防腐涂层及阳极块造成损伤。抛填过程中能实时显示当前位置的抛填标高，抛填精度及质量满足设计要求。整个抛石机构控制系统高度集成化、电气化、自动化，操作简便、可靠。

3.2 研发内容

斜向溜筒抛石船的研发内容涵盖了船舶改造、机械设计、操控软件开发、监控软件研发、喂料系统选型等，涉及的专业多，投入大，研发难度大。为了降低研发风险，研究小组根据研发目标细分了5个子课题，逐一进行技术攻关，具体为：①施工船舶船型选择、限高改造 对施工船舶船型进行比选，同时对现有船舶进行限高改造，使其能进入桥面以下施工。同时，根据东海大桥海域风大、流急的施工环境，对船舶的锚缆系统进行加强，以提高其稳定性。②斜向溜筒抛石机械结构设计 通过对斜向溜筒、旋转平台、行走台车机械结构设计使其具备台车横移、旋转，溜筒具备伸缩及上下、左右变幅等功能。斜向溜筒可根据不同水位及桩基间距大小，通过台车行走，溜筒旋转及上下、左右变幅等动作调节溜筒位置及深入桩群内的长度及角度，能伸入桩群内部进行精确抛填。③操作控制系统研发 通过斜向溜筒抛石机构操作控制系统研究，对整个系统的液压控制部分进行设计，完成整个系统的电气化操作系统设计。溜筒台车行走、平台旋转、溜筒伸缩、变幅等所有机械动作均整合至操作控制室的操作计算机，实现电气化远程精确控制。④三维姿态精确定位系统研发 通过对斜向溜筒水下三维姿态精确定位系统研究，开发斜向溜筒三维水下姿态监控软件，通过设置最小安全距离进行碰撞危险预警，确保抛石溜筒能安全伸入桩基内部，实现精确抛填的预期目标；能实时监测抛填标高并记录，确保抛填质量。⑤喂料系统设计 喂料系统的输送效率将直接影响抛填效率，通过对喂料系统工艺研究，喂料系统能满足桥面以下连续送料的要求，施工效率>400m3/d。

3.3 主要技术成果

在研发过程中研究小组组织相关技术专家，通过头脑风暴法、专家意见法、PDCA循环等方法和手段，开展了模型演示、1∶1模型试验、船厂设备安装、空载试验调试、典型施工总结、过程中喂料系统改进等研究。斜向溜筒抛石船于2018年7月初完成研发改造，于2018年7月8日正式进点，进行典型施工及设备试运行；整个动力系统正常、运行良好、操控系统完善，能按既定的操作完成抛填作业；软件界面能导插桩操作，碰桩报警信息栏显示精确，能警告操作人员避免碰桩操作；斜向溜筒能深入桩基群内部，完成袋装碎石抛填，溜筒头部测深仪能获得抛填标高，检测抛填效果；整个系统达到预期目标。主要技术成果如下。

3.3.1动力系统及操作控制技术

斜向溜筒动力部分由船用柴油发电机、4台液压油泵、各类液压油缸、液压机箱、液压油管和阀组等组成。柴油发电机为液压油泵提供电力，液压油泵为各类液压执行元件提供动力，实现斜向溜筒完成各指定动作。

图3 PLC远程操控系统界面

使用PLC控制器，可实时检测各部件工作状态并实时反馈，通过信息集成汇聚到专业操控软件，操控人员对溜筒设备能直观了解各部件工作状态。

3.3.2定位监控技术

定位监控系统硬件设备主要为2台RTK GPS(全球定位系统)、2台双轴倾斜仪、1台单波束测深仪、2台拉线仪及1台激光测距仪。通过测量各动作部件的三维相对关系，建立船体三维坐标系，建立计算模型，通过软件解算确定溜筒头部的三维坐标。通过导入整个施工区域内所有桥墩数据建立三维模型，用于实时计算抛石筒和桥墩的最短距离，进行碰撞预警。溜筒头部设置测深仪，用于实时测量当前抛填位置的泥面标高(见图4)。

图4 斜向溜筒三维定位安装系统软件界面

在施工前导入冲刷坑抛填区域底图，并将抛填范围设置成2m×2m的网格。施工过程中操作人员根据窗口所反映当前泥面实时数据，调整溜筒及行走台车的位置，进行逐个网格抛填。

3.3.3袋装碎石及干混料喂料技术

2018年12月以前，斜向溜筒抛石船采用电动葫芦门式起重机进行上料作业，工效为200m3/d。为提高施工效率，最后采用皮带机连续供料。整个皮带机喂料系统由3段皮带机构成，可将回填料输送至斜向溜筒的进料斗处。对皮带机托辊角度优化改进，使得皮带受力更均衡；利用张紧鼓轮外加配重灵活控制输送皮带的松紧度；该工艺能实现连续供料，施工效率远大于门式起重机的供料方式，目前平均工效达到500m3/d，创造了可观的经济效益(见图5)。

图5 优化后的斜向溜筒抛石船

4 实施效果

4.1 效果分析

1)改造后整船高度5.5m，小于东海大桥桥下最小净空高度8.8m，满足东海大桥净空高度要求。加强后的锚缆系统满足7级以下风浪在东海大桥水域施工安全。

2)通过对斜向溜筒、旋转平台、行走台车机械结构设计使其实现了溜筒伸缩、台车横移、旋转上下变幅等功能，溜筒能伸入桩群内部进行精确抛填。溜筒由圆形截面改为上方下圆的截面形式后工作性更好。

3)操作控制系统高度整合，溜筒台车行走、平台旋转、溜筒伸缩、变幅等所有机械动作均整合至操作控制室的操作计算机，实现了电气化远程精确控制。

4)斜向溜筒三维水下姿态监控软件实时显示溜筒与桩群之间的相对位置，超过安全距离可实时报警提示。施工过程中做到不碰撞东海大桥现有桩基、确保抛石溜筒能安全伸入桩基内部，实现精确抛填的预期目标。溜筒头部设有单波速测深仪，能实时监测抛填标高并记录，确保了抛填质量。

5)通过对喂料系统工艺研究，经比选，最后采用皮带机连续供料，该工艺能实现连续供料，施工效率远大于门式起重机的供料方式，目前平均工效由原来的200m3/d提高到500m3/d，创造了可观的经济效益。

4.2 主要创新点

通过技术研究，本科技研发项目主要创新点为：①研发了行走台车、斜向溜筒抛石机构，可根据不同水位及桩基间距大小，通过台车横移、溜筒上下左右变幅、伸缩等动作，调节溜筒位置及深入桩群内精确抛填；②开发了专用的斜向溜筒抛石船操作软件，液压、电控等所有机械动作由计算机控制，实现了自动化施工；③开发了专用的三维实时监控软件，可实时显示斜向溜筒与钢管桩的相对位置和实时报警，溜筒头部设置测深仪，可实时监测抛填质量，实现了可视化施工；④该成果已获得实用新型专利7项、计算机软件著作权1项。

5 结语

本研究依托东海大桥桥墩桩基过度冲刷区域防护试验工程，成功研制了斜向溜筒抛石船，是目前国内唯一适用于桩群内冲刷坑回填材料抛填的专用设备。该成果在东海大桥桥墩桩基过度冲刷区域防护试验工程、东海大桥桥墩桩基过度冲刷区域防护应急抢险防护工程施工项目中得到成功应用，解决了东海大桥桥墩桩基内部回填料精确抛填的难题，保证了东海大桥试验工程的顺利完工，也为类似桥梁工程、海上风电基础的防护问题提供工程经验与设备保障。