長周期波海域對樁基施工的影響分析及防治措施

馮海暴，王 翔，鞠 鵬，馮甲鑫

(1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學 建筑工程學院， 天津 300072；3.中交一航局第二工程有限公司，青島 266071)

涌浪具有巨大的能量，在涌浪和長周期波雙重作用下船舶穩(wěn)定性受到較大影響。國際航運協(xié)會的《港內系泊船舶運動量準則實用指南》定義典型涌浪的周期為10～25 s，長周期波的定義為周期是30 s至5 min，英國規(guī)范《海上建筑物通用標準的實施規(guī)程》(BS 6349-1-2000)定義長周期波為“周期數分鐘，波高小于1 m”；日本規(guī)范《港口設施技術標準》對長周期波定位為周期30～300 s。我國對長周期波的研究工作中，多按照國際航運協(xié)會進行取值。長周期波對透水遮擋物具有較強的穿透性和能量[1],對施工的工程船舶具有較大的影響。通過毛里塔尼亞友誼港、印尼爪哇島以及智利等地海域的工程船舶施工統(tǒng)計分析，船舶在長周期波作用下沉樁施工樁位無法滿足±10 cm的精度要求。在印尼Adipala東防波堤工程中，用于遮擋長周期波的臨時圍堰，在長周期波作用下都無法穩(wěn)定[2]等,實踐得出長周期波預防的方法尚不成熟，該項目采用了從陸域向海域推進的施工方法。長周期波和涌浪雙重條件下對打樁船的穩(wěn)定沉樁造成了較大的影響，國內外調研未見成熟的施工方法解決長周期波對工程施工的技術難題。

1 工程概況

智利圣文森特國際碼頭擴建和修復項目，位于智利Talcahuano城港區(qū)，在康塞普西翁和圣地亞哥(Santiago)之間，海域波浪周期為16～26 s，作業(yè)海區(qū)波高為0.8～1.5 m，屬于典型的中長周期波。項目需要在既有泊位方向上新建長264 m、寬38 m的4#泊位工程，該項目屬于高樁碼頭工程，需要海上施打330根鋼管樁，其中直樁198根，斜樁132根，樁徑為1 m，壁厚為25.4 mm，長度區(qū)間為42～57 m，單樁質量為26～37 t。樁位分布及碼頭剖面見圖1。

圖1 碼頭樁位平面布置與剖面圖Fig.1 Plane layout and sections of wharf pile position

結合項目的海況條件及沉樁總體精度±10 cm的施工要求，初期沉樁方案采用打樁船為“打樁20”作為沉樁船舶，船舶總長為52.21 m，型寬23.6 m，型深4.0 m，船艏滿載吃水2.8 m，總噸位1 441 t，滿載排水量為3 097 t。

“打樁20”典型施工沉設鋼管樁2根，受涌浪、中長周期波等因素影響，造成樁基沉樁精度超標，樁位偏差均大于40 cm，無法滿足施工要求。作業(yè)時垂蕩0.4～0.8 m，橫蕩0.5～0.9 m，橫搖1°～3°，無法滿足樁位偏差≤10 cm、傾斜度偏差≤ 1%的要求。結合現場工況與設計溝通將樁位偏差設計變更為≤20 cm控制，仍有10%超標。

打樁船有效作業(yè)窗口全年平均每月7 d(冬季氣候惡劣)，可完成15根鋼管樁，進度嚴重滯后，為解決質量與工期的雙重困難，降低長周期波對打樁船的沉樁精度影響，開展了預控措施的技術研究。

2 技術調研分析

2.1 臨時防波堤圍堰消浪措施

結合對國外相似條件的項目進行調研，毛里塔尼亞友誼港受長周期波影響，在文獻[1]中介紹了系泊船受該海況的影響研究，該海域的浪向分布以NW為主浪向，其次是WNW，涌浪的平均周期在13～15 s以上，浪高可高達3 m，長周期分量波高一般僅為0.1～0.3 m，但周期確達到40～200 s。分析該工程中涌浪的波要素與我公司施工的地區(qū)沖浪網站上查到的波浪周期具有相似之處。在該海域進行塊石回填施工時，船舶的穩(wěn)定性非常差，為了減小波浪對船舶的影響，采用了臨時圍堰的方式阻擋長周期波對作業(yè)區(qū)船舶的穩(wěn)定性影響。支撐該方案的研究工作為防波堤透浪試驗，根據試驗結果得出防波堤透浪系數與波浪周期成正比，在圍堰遮擋下長周期波幾乎全部由港外傳入港內，試驗證明長周期波有很強地穿透可透浪防波堤的能力，該試驗也驗證了長周期波在塊石圍堰的遮擋下無法有效阻止長周期波的影響，友誼港施工最后采用了避開惡劣天氣的方式。因此對于智利碼頭工程項目中，打樁船作業(yè)區(qū)采用圍堰的方式無法滿足施工要求。

2.2 改變船舶固有周期的消浪措施

船舶本身具有頻率響應特性，萬噸級及其更大的船舶對低頻長周期波響應強烈，如果波浪周期較小，船舶運動及纜力、撞擊力都不大；當作用于船體的波浪是涌浪為主，并含有明顯的長周期波成分，則船舶響應就很敏感，如果在長周期波作用下，船舶運動則成幾倍、甚至幾十倍的增加[2]。通過文獻[3]研究得出改變系纜狀態(tài)，不能有效地解決長周期波作用下的船舶劇烈運動，為尋求減小船舶運動措施，進行了六種系纜狀態(tài)的模型試驗，系纜模式見文獻[1]。試驗表明，改變系纜狀況，對改變短周期波作用下的船舶有一定作用，但對涌浪為主，并含有明顯長周期成分的大浪來說，影響變化不明顯。

結合上述試驗提出了改變船舶固有周期的方式，在船舶下部掛設重物實現阻尼的方式改變系統(tǒng)的自振周期，以達到減小船舶運動的效果。文獻[4-5]試驗表明，緩沖重塊的安裝對船舶運動影響甚微，系統(tǒng)的自振周期無明顯改變，但通過試驗表明，改變船舶固有周期可以有效降低長周期波對船舶穩(wěn)定性影響。

3 防治措施及方法

通過以上分析得出，長周期波影響船舶的主要因素如下：

(1)中長周期波浪覆蓋了系泊狀態(tài)下的打樁船部分固有周期，發(fā)生了諧搖共振現象；

(2)根據現場條件提出的常規(guī)改變船舶固有周期方法，如增加或減少錨纜、壓排水、船體增加水平翼板等措施效果不佳。

經過AQWA軟件計算現場方駁108作為駁船掩護方案，效果也不明顯。經綜合分析采用以下方式，通過改變船舶的固有橫搖周期來適應長周期、涌浪的作用，以增加船舶的耐波性；采用增加或減少錨纜長短或增加(調整)防風錨鏈的長度，改變船舶系泊周期，以減小長周期波的作用；通過排灌水壓載或其他方法改變船舶橫搖的固有周期的方法，以增加船舶的耐波性[5-6]。結合上述方法，研究分析提出了打樁船增加作業(yè)緩沖機構、半漂浮支撐式打樁船和海上移動平臺打樁系統(tǒng)三種方案，進行深入研究分析其可行性。

圖2 船舶作業(yè)緩沖機構方案Fig.2 Scheme of buffer mechanism for ship operation

3.1 船舶作業(yè)緩沖機構方案

在船體四角沉入錨錠，通過對錨錠施加預拉張力將船體整體固定。當波峰作用于船體上船體有上浮的趨勢，此時在錨鏈的拉力下船體克服波峰力保持不動；當波谷作用于船體上，船體由于浮力減少會有下沉的趨勢，但是之前錨鏈的預拉力已經使船體浮力增大，所以克服了船體下沉保持船體穩(wěn)定，從而保證了打樁船穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖2)。

該方案的特點是船舶在作業(yè)時，依然受涌浪、中長周期波影響，通過文獻[1-2,7]可知，雖然可以起到一定的作業(yè)，但是長周期波的能量會對船舶結構造成較大的傷害，“打樁20”船舶設計時甲板并未考慮該部分受力，綜合分析不建議采用該方案。

3.2 半漂浮支撐式打樁船方案

圖3 半漂浮支撐式打樁船方案Fig.3 Scheme of semi floating support pile driver

船體上布置4條定位樁腿，樁腿與船體之間設置液壓缸，通過液壓缸作用將船體起升一定高度，此時船體不脫離水面，通過液壓缸上的傳感器檢測船體受力及位移，從而控制液壓缸系統(tǒng)實時調節(jié)使船體保持穩(wěn)定。同時由支腿和纜系的共同作用，使船體保持水平方向穩(wěn)定，提高了打樁精度、效率(圖3)。

該方案需要纜系及樁腿共同作用克服長周期波產生的水平移動力，施工中作用力對纜繩和支腿的受力分配較為復雜，操控性和經濟性都較差，但該方案可以有效克服船舶受涌浪條件的橫向移動，無法克服豎向運動，因此該方案具有一定的限制性，不適用于本項目，不能作為最終的實施方案。

3.3 海上移動平臺打樁系統(tǒng)

圖4 打樁平臺系統(tǒng)方案Fig.4 Scheme of pile driving platform system

該方案的設計思路是通過陸上推進的方式，但推進的方式并不是回填施工，而是有效利用已沉鋼管樁作為支撐，采用可移動式平臺作為作業(yè)平臺，在平臺上采用履帶式起重機進行沉樁的方式。該平臺按照碼頭樁基的布置形式進行平臺的尺寸選取，打樁平臺系統(tǒng)方案見圖4。

該方案有效利用已經打設的樁基作為支撐的平臺，所有平臺均可以拆裝，且可以裝箱運輸，平臺可實現一次循環(huán)，可以打多個樁位。

3.4 方案分析

結合上述3種方案在以下技術指標中進行了對比，結果見表1。

表1 技術指示對比表Tab.1 Comparison of technical indexes

結合方案研究分析，海上移動平臺打樁系統(tǒng)不直接受涌浪、中長周期波影響，打樁精度、效率可靠性高，故選取海上移動平臺打樁施工方案，作為中長周期波的沉樁施工技術，該技術具有一定的限制性，適用于沉樁，但對于船舶作業(yè)仍無法滿足要求。

4 施工關鍵工序及實施效果

4.1 施工關鍵工序

結合工程施工情況分析得出了海上移動打樁平臺施工技術操作工藝見圖5。

圖5 海上移動打樁平臺施工技術操作工藝流程Fig.5 Construction technology and operation process of offshore movable piling platform

(1)移動打樁平臺制造、組裝、就位。

受制于國外施工技術條件和裝備制造的造價及便利性，移動打樁平臺采用了國內研發(fā)設計制造組裝，平臺的構件采用集裝箱規(guī)定模數進行設置，可以將全部的構件采用栓接的接口，進行集裝箱裝箱運輸的方式，施工現場進行組裝調試。打樁平臺系統(tǒng)由：打樁平臺、導向架、柴油錘、履帶吊、打樁20、方駁108、送樁器等組成；平臺的每個構件均按照設計圖紙標定了序號和拼接需要的工具，組裝完成后采用起重設備拼裝就位，組裝完成拿樁實景見圖6。

(2)移動平臺沉樁施工。

拿樁由移樁小車、平臺上履帶吊配合完成，移樁小車保證了拿樁過程中鋼管樁沿軌道移動，并防止樁與船舶發(fā)生摩擦、碰撞。

履帶吊將樁移動至已經定位完畢的直樁限位器上方，插入確定垂直度，使樁入泥，樁進行自沉。立樁入龍口操作過程為：履帶吊吊樁移動至導向架限位器上方，將樁插入限位器，將樁傾斜至一定角度，分別關閉上、下抱樁器，按照規(guī)定傾斜度入泥后進行自沉(圖7)。

柴油錘套入斜樁時采用廠家配套的專用鋼絲繩及設計吊點，以保證柴油錘自身傾斜角度。當錘套入樁后，用小鉤吊錘體上方吊點，微調錘籠與樁之間的角度使錘籠順利下滑；柴油錘套入樁后自沉結束后即可打樁，過程中應始終保持柴油錘、樁同軸；防止錘籠碰撞液壓抱箍器、限位器，直至滿足停錘標準。

(3)移動安裝行車道、總梁進入下一循環(huán)施工。

根據施工經驗，各角點坐標誤差在50 mm以內，行車道安放能夠按照理想的設計位置搭接在兩個相鄰排架總梁上，滿足安全施工的要求(圖8)。

圖7 移動平臺沉樁施工實景圖Fig.7 Real map of pile driving platform of mobile platform圖8 下一循環(huán)的樁頂平臺的移動實景圖Fig.8 Real map of the next round of the pile top platform moving

通過統(tǒng)計打樁各階段、動作時數據，縱軸方向動作幅度為3.5 cm，橫軸為0.5 cm。經過分析，該裝備中所有的組成構件均為成熟的裝備和技術，而將所有的成熟裝備集成為一體，形成了集成性創(chuàng)新的裝備和技術，解決了涌浪長周期波條件下的高精度沉樁作業(yè)。

4.2 應用效果

(1)經濟效益。

海上移動打樁平臺施工技術，由于在智利現場加工制造費用極高，支撐平臺采用了在國內模塊化制造，集裝箱裝箱船運，現場組裝的方式。目前已成功應用于智利圣文森特國際碼頭修復和擴建工程施工，移動平臺沉樁和協(xié)助截取樁頭總完成141根鋼管樁，與傳統(tǒng)的沉樁施工工藝相比節(jié)約費用約166.4萬。

(2)施工質量。

采用移動平臺打樁技術，施工的樁位偏差均小于10 cm，傾斜度偏差小于1%，沉樁精度及傾斜度滿足要求。根據施工的樁基統(tǒng)計綜合最低功效：單日直樁2根、斜樁1～1.5根。該平臺可以不受涌浪、中長周期波的影響，受限條件小，使原有打樁船每年的工況條件下的有效作業(yè)天數由84 d增加到276 d，工程的工期提供保障。

5 結論

以智利圣文森特高樁碼頭工程為例，綜合分析了國內外長周期波海域的沉樁施工技術，提出了一種新的沉樁施工方法，并得出如下結論：

(1)結合工程實際，調研現有海上沉樁技術的基礎上，開發(fā)了長周期波海域的樁頂移動平臺沉樁施工方法，可快速拆裝和運輸、調遣，具有較好的經濟性。

(2)涌浪長周期波海域，對于船舶沉樁技術具有較多的限制性，不建議采用打樁船沉樁施工技術。

(3)長周期波具有極強的穿透性和作用能量，結合已經施工的國內外工程項目調研，采用透水材料遮擋無法有效起到消浪作用，因此，不建議采用透水材料臨時防波堤的方式消浪。

(4)高樁碼頭在涌浪長周期波海域沉樁施工，可以采用陸上樁基推進的方式，建議優(yōu)選海上樁頂移動平臺施工技術，結合實踐效果，經濟性、質量和工期均可以得到保障。移動打樁平臺技術具有一定的限制性，不適用于無支撐基礎的工程施工。

(5)對于長周期波涌浪海域防波堤施工，建議采用陸上回填推進的方式，不建議采用開體駁船、開底駁等船舶進行拋填作業(yè)，無法有效保障質量，安全風險高，施工效率低。

(6)通過改變船舶固有周期的方式抵抗長周期波，經試驗研究表明是一種有效的方法，但是沒有成熟的實踐經驗，因此建議采用該方案前深化研究。

綜上所述，雖然樁頂移動平臺技術應用效果較好，但是對于船舶沉樁和抵抗長周期波，仍沒有成熟可靠的效果，因此建議學者在以后的工作中深入研究一套適用性更廣的技術，利用自然的能量，而不是去抵抗自然的能量，做到節(jié)約環(huán)保，將長周期波的能量轉化為效益。