大直徑鋼圓筒振動下沉工藝及設備的開發與應用

孟凡利，孔令磊，劉昊檳，楊潤來

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大橋島隧工程共有東、西兩座人工島，每座人工島兩端分別與沉管隧道、橋梁相連接，以此實現橋隧轉換。為保證東、西人工島快速成島，采用了拋石斜坡堤和臨時鋼圓筒圍堰相結合的島壁結構。采用鋼圓筒沿人工島設計岸壁前沿位置振沉至不透水層，構筑成島內基坑施工期止水圍護結構，實現快速整島止水，人工島內外兩側可以同步施工，實現快速筑島。

1 工程概況

1.1 工程結構

東、西人工島主格采用鋼圓筒結構形式，其中東島鋼圓筒59個，西島鋼圓筒61個。鋼圓筒直徑均22.0 m，壁厚16 mm，高度40.5~50.5 m，打設后筒頂標高+3.5 m[1]。

1.2 鋼圓筒結構形式

為提高鋼圓筒的剛度，克服振沉過程中的阻力及高頻振動引起的變形，提高激振力傳遞效率，保證圓筒順利下沉，分別在橫向和縱向焊接Q235B鋼板或型鋼進行加強。同時，為防止振沉過程中頂口屈服及底口卷邊，圓筒頂部1 m、底口0.5 m范圍內的筒壁采用25 mm厚Q345B鋼板進行加強[1]。

1.3 工程地質情況

根據人工島現場勘探和室內試驗結果，東人工島典型地層劃分如表1所示[2]。

2 振沉設備選用

為保證大尺寸鋼圓筒順利振沉到位，振動錘組的選擇是工程得以順利實現的關鍵。本工程鋼圓筒振沉選用了8臺進口APE600型液壓振動錘聯動方案。8臺APE600型液壓振動錘采用雙向齒輪箱多級傳遞實現機械同步。經計算校核，鋼圓筒振沉所需最小振幅為3.75 mm，振動體系最小振幅為4.34 mm，激振力富裕系數1.4，振沉系統能力滿足要求。振動錘參數見表2。

表1 東人工島地層劃分表Table1 Stratigraphic classification tableof east island

圖1 鋼圓筒振沉施工工藝流程圖Fig.1 Construction processof steel cylinder vibration sinking

表2 APE600型液壓振動錘參數Table 2 Parameters of APE600 hydraulic vibratory hammer

3 鋼圓筒振沉施工工藝

鋼圓筒振沉具體工藝流程如圖1所示。

3.1 鋼圓筒起吊

為保證鋼圓筒制作、裝船、起吊、振沉過程的操作有規律可循，同時達到保證圓筒中心位置及寬榫槽間夾角的準確，在鋼圓筒筒體確定了一條基準線。該基準線即鋼圓筒起吊時振動錘組的中線，定義為 0°~180°線。0°~180°線與振動錘組關系見圖2。

起重船駐位完成后，應保證船面垂直于0°~180°連線。主要方法為通過觀察錘組上0°線與鋼圓筒筒頂0°線是否重合。通過平移及旋轉起重船使錘組進入鋼圓筒筒頂正上方后，緩慢松鉤，直至鋼圓筒進入液壓夾具導向槽，調整振動錘組，使1號錘與5號錘中間夾具與筒壁上預先設置的擋板貼緊。該擋板的設置主要為提高吊筒精度，確定振動錘組與寬榫槽之間的相對位置。擋板形式及位置示意見圖3。

圖 2 0°～180°線與振動錘組關系圖Fig.2 Physical diagram of therelationship between 0°to 180°line and vibration hammer

調整時，通過控制起重船上設置的2臺卷揚機交叉牽引系于錘組共振梁上的晃繩松緊，緩慢旋轉錘組，直至夾具與擋板緊貼后下落錘組。晃繩分別系于錘組2號錘及7號錘上專用吊環，如圖4所示。

此外，也可先忽略擋板，粗略找準位置下落錘組，然后根據需要張緊晃繩，直至錘組緩慢旋轉至設計位置后，再下落錘組。

圖4 晃繩布置形式圖Fig.4 The arrangement form of rope

圖3 擋板形式及位置示意圖Fig.3 Schematic of the form and position of the baffle

夾頭夾緊后，氣焊工割除筒底口加固鋼板。每個鋼圓筒共有加固鋼板36塊，每10°加固1塊。鋼板高480 mm，厚24 mm。經過計算及第三方驗算，該種加固方式可確保鋼圓筒運輸時可抵抗8級風，滿足運輸要求。

鋼圓筒起吊時，起重人員密切注意鋼圓筒位置，防止與相鄰鋼圓筒發生磕碰。

3.2 鋼圓筒定位

3.2.1 鋼圓筒定位原理

在定位駁上安裝2臺GPS接收機、2臺自動跟蹤全站儀和計算機處理系統，并在振沉系統剛性振動梁上安裝4個適配反射棱鏡和4個液位計，組成一套定位系統，用于監測鋼圓筒平面位置、筒頂高程和縱橫向垂直度。定位系統運行時，2臺GPS接收機實時接收CORS參考站差分信號，獲得實時三維數據；全自動跟蹤全站儀在人工粗略瞄準棱鏡后，能夠實現實時測角、測距，4個液位計能夠實時測量鋼圓筒兩個軸線上高差來監測垂直度，各測量和監測設備的數據實時傳輸至計算機處理系統，從而實現鋼圓筒振沉定位和過程檢測。

3.2.2 精定位

精定位需選在平潮時間段作業，雙鉤松至筒底距離泥面標高以上0.5～1 m開始精定位過程。精定位采用中交一航局自行研發的“鋼圓筒施工定位監測系統”進行定位。監測系統包括定位駁上安裝的2臺GPS接收機、2臺自動跟蹤全站儀和計算機處理系統，以及在振動梁上安裝的4個適配反射棱鏡和4個液位計。

通過4個液位計監測鋼圓筒的垂直度。每個液位計的頂部安裝一個適配棱鏡，通過2臺全站儀跟蹤2個可見的棱鏡來確定鋼圓筒的中心坐標及高程。通過定位界面顯示數據來指導鋼圓筒的定位。

各測量、監測設備布置圖見圖5所示。

3.3 鋼圓筒振沉

振沉過程中，若為自沉順利情況，雙鉤起至460 t后每50 t一級逐級減載，直至松鉤至200 t而維持吊重緩慢跟進。對于通過糾偏而最后確定振沉的情況，則視土質軟硬而確定松鉤速率。最終經測量監控達到標高后確認停錘。

4 施工結果分析

鋼圓筒振沉的施工控制主要是：平面位置、垂直度、平面扭角、振沉標高。鋼圓筒振沉質量的控制主要是為滿足副格弧形鋼板的正常振沉，在實現快速成島的同時，為島內施工提供良好止水效果的圍護結構。本工程的鋼圓筒振沉的各項指標均滿足設計要求[3]。

圖5 定位系統測量設備布置圖Fig.5 Layout of GPSmeasurement equipment

5 結語

超大直徑、超深埋深的鋼圓筒振沉在國內尚屬首次，屬世界罕見的技術。本工程為世界上第一次采用8臺液壓振動錘聯動振沉體系進行鋼圓筒振沉。振沉的鋼圓筒結構為國內直徑最大、高度最高的鋼圓筒結構[4]，同時也是世界上體量最大的鋼圓筒結構。

大直徑鋼圓筒圍護結構快速成島技術的成功實施，實現了“當年動工、當年成島”目標，與原有的擠密砂樁拋石斜坡堤筑島方案相比提前工期2 a實現成島目標，同時為島內干施工提供了安全、穩定的止水圍護結構，為港珠澳大橋島隧工程的順利推進打下了堅實的基礎。

通過該工程的實踐，形成了鋼圓筒的制作、遠洋運輸、大型遠洋運輸船的駐位、鋼圓筒的定位、鋼圓筒振沉糾偏、圍護結構的止水、大型液壓振動錘聯動等一整套的設計與施工技術。