人工島圍護結構鋼圓筒及副格振沉裝備與施工技術

付院平，李家林，黃濤，鄒春曉，劉兆權

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

港珠澳大橋西人工島平面為橢圓形，長度為625 m，最大寬度為183 m，面積為9.7萬m2。工程所處天然泥面標高約-8.0 m，挖泥后標高-16.0 m。人工島內設置分割圍堰分為西小島和西大島[1-2]。

2 主格及副格

2.1 主格

西人工島主格采用鋼圓筒結構形式，沿人工島岸壁前沿線布置總計61個鋼圓筒，其中西小島17個（含4個分隔圍堰），西大島44個，布置如圖1。

鋼圓筒直徑22.0 m，壁厚16 mm，筒頂標高+3.5 m，筒底標高為-37.0～-43.0 m，單個筒重量為 451.44～513.04 t[3]。

圖1 西島鋼圓筒平面布置圖Fig.1 Plane layout of the steel cylinder in west island

2.2 副格

副格倉的主體采用弧形鋼板連接，分為3種類型。標準副格倉設計弧長為10 842 mm，高度為30 m，共計124組，組拼后弧形標準段重量約為57 t。

3 振沉裝備

3.1 液壓振動錘

采用美國APE600型液壓振動錘，單臺液壓錘偏心力矩230 kg·m、振動頻率23.3 Hz（無級變速）、最大振幅14.8 mm、最大激振力4 948.3 kN、最大上拔力2 224 kN、自重31 471 kg、振動重量14 060 kg、長寬高為 4 320 mm×914 mm×2 590 mm；液壓馬達為RexrothAA2FM250型、排量250cm3、額定壓力35 MPa、額定轉速2 500 r/min，減振箱與振動箱之間設有橡膠減振塊。

本工程選用8臺APE600液壓振動錘聯動，總偏心力矩1 845 kg·m、總激振力39 617.43 kN、總上拔力17 792 kN、總自重251 768 kg、總振動重量112 000 kg。

動力柜由1臺895 kW發動機、7臺主油泵、1臺冷卻泵、1臺夾頭泵、1個燃油箱、2個液壓油箱組成，最大驅動壓力33 100 kPa，驅動流量21.7 L/s；錘組動力柜總功率7 159 kW、最大工作轉速1 400 r/min、最大驅動壓力33 100 MPa、總驅動流量173 L/s，該液壓振動錘經過特殊密封，作業水深可達-15 m。

液壓振動錘組見圖2。

圖2 液壓振動錘組Fig.2 Hydraulic vibration hammer group

3.2 起吊振動錘系統

振動錘系統由1 600 t起重船起吊，起重船為雙鉤頭，鉤頭為“山”形結構，吊高和跨距均能滿足施工要求。振動系統吊架設有8個吊點，同側4個吊點鋼絲繩掛在同一側的鉤頭上，起吊后確保振動錘水平，以利于調整自沉和振沉過程中鋼圓筒的傾斜和偏位。如圖3。

3.3 液壓夾頭

液壓夾頭系統由多組夾頭構成，每一夾頭的夾持力為1 955 kN、最大壓強33 100 kPa、夾齒尺寸為171.2 mm（垂直方向）、夾頭重量2 840 kg；夾頭油缸設有液壓鎖，當夾頭夾緊后，若系統發生泄漏，保護閥可保持操作過程中的壓力，以避免夾持物墜落；液壓夾頭最大開口為246.7 mm，最小開口滿足夾緊25 mm厚的管樁。

每個夾頭有2個液壓缸，帶有自動壓力補償系統，由帶有指示燈的控制器控制，當控制器開關轉向“閉合”，所有夾頭指示燈亮起。

3.4 同步裝置

1）錘組設機械串聯同步裝置1套，由14臺齒輪傳動箱、14根同步軸和一定數量的萬向軸、軸承架等組成，能保證8臺錘組合后的同步穩定運行。

2）該系統分步組裝，每根軸配有長短調節裝置，以便整體組裝時消除系統誤差，每根軸配有銷釘式保護裝置。

3.5 監測系統

1）振動錘和動力柜配備獨立操作系統，可機旁操作和短距（15 m）有線遙控操作；每個動力柜配1個附帶儀表盤的控制面板，可顯示發動機、振動錘、夾頭等信息，可進行單錘施工操作；每臺振動錘配有馬達和齒輪箱潤滑油溫度傳感器，實時向集中控制臺傳遞信息。

2）錘組設集中控制臺，可進行8臺振動錘的啟動、加減速和停機操作、夾頭的夾緊和釋放等操作；儀表盤顯示每臺錘和動力柜的相關油壓、油溫、流量、發動機轉速、夾頭壓力等參數，并整合相關報警功能。

3）錘組設施工管理系統1套，可顯示不同作業狀態時的瞬時技術參數和施工記錄，并具備打印、存儲、拷貝及故障診斷等功能。

3.6 共振梁及吊架

共振梁及吊架材料為Q345B，可安裝10臺APE600液壓振動錘，吊架與振動錘之間采用鉸接方式，與振動錘重心、形心及振動錘激振力作用線在同一垂線上，該垂線與同一振動錘下3個夾頭中的中間夾頭重合。

4 鋼圓筒施工工藝

4.1 起吊

鋼圓筒起吊時，起重船起吊振動錘組至鋼圓筒正上方，通過尼龍繩將船上絞車與共振梁相連接，使液壓夾頭與相應擋板靠緊，從而保證寬榫槽角度的準確性。操縱振動錘試夾及夾頭液壓工作系統，8臺振動錘由8個帶有指示燈的控制器控制。

4.2 定位

1）系統定位。根據“施工定位監測系統”顯示對定位駁定位，將鋼圓筒沉入水下距泥面1 m時，再根據監控數據對鋼圓筒精準定位，通過升降鉤頭、松緊起重船纜繩和俯仰扒桿等動作，達到設計要求后，落鉤自沉。自沉及振沉過程中，實時監控鋼圓筒的偏位及垂直度的變化，并及時糾偏[4]。

2）利用全站儀對系統定位校核。振沉前，采用全站儀進行平面位置和垂直度校核，為增加測距反射信號強度和觀察便利，在校準點從鋼圓筒頂部沿垂直線粘貼15 m反射條，并標記出振動梁軸線中心位置。在人工島上架設全站儀測量共振梁中心處棱鏡坐標和鋼圓筒上3處校核點坐標，差值在50 mm內即滿足精度要求。

4.3 自沉

為保證鋼圓筒振沉后的平面偏差和垂直度偏差滿足設計要求，在定位和自沉過程中平面位置偏差控制在150 mm以內，垂直度偏差控制在0.2%以內。

定位和自沉時平面位置偏差和垂直度偏差滿足要求后開始松鉤自沉。自沉過程嚴格控制起吊重量，以50 t為一級減載，緩慢落鉤，同時收緊定位方駁纜繩，起重船及時俯仰扒桿，以確保鉤頭垂直吊鋼圓筒。為保證鋼圓筒自沉過程中的垂直度，起重船吊重減至260 t時停止自沉[5]。

4.4 偏位、傾斜控制

起重船保持460 t吊力可減小振沉過程中的傾斜與偏位。在振沉過程中，通過調整起重船鉤頭的升降和扒桿的變幅實現調整微量偏位和傾斜。當偏位大于150 mm、傾斜度超過0.2%時，可在不停錘的情況下，采取停止鉤頭下降、振動上拔、松緊錨纜、升降鉤頭和變幅扒桿等措施交替反復進行，直至筒體垂直度和偏位控制在允許范圍內，再落鉤振沉至停錘標準。

4.5 定位窗口選擇

鋼圓筒定位、自沉時間窗口設計為風速≤13.6 m/s（6級）、波高≤0.8 m、流速≤0.5 m/s。通過典型施工分析，西人工島施工水域落潮流速大于漲潮流速，在高潮和低潮時有1 h的水流平緩期，波浪較小，適合精準定位。

4.6 定位監測系統

通過鋼圓筒施工前對定位監測系統的比對及施工過程中與平臺控制點設置的全站儀校核結果顯示，監測系統的功能和精度滿足鋼圓筒振沉施工要求。

5 副格施工工藝

5.1 振沉準備

副格插入前，精準測量插入副格的兩個鋼圓筒上端榫槽的距離和鋼圓筒的垂直度偏差，根據偏差計算副格下端鎖口間的距離，分析副格能否滿足鋼圓筒上、下端寬榫槽的距離偏差，通過改變副格上、下端弦長，調整松緊連接裝置，若調整范圍不滿足，可預制非標準尺寸異形副格來適應榫槽的偏位。

5.2 吊裝就位

副格頂端與底端設置專用吊架，起重船主鉤頂端吊架，副鉤底端吊架，將副鉤直立后，插入2個相鄰鋼圓筒的榫槽，對中后依次拆除副格上的軟連接裝置，使副格順鋼圓筒上的寬榫槽徐徐插入，直至完成自沉，如圖4。

圖4 副格就位Fig.4 Deputy in position

5.3 振沉

1）液壓夾頭布置采用5夾頭，保證夾頭的夾持力和副格上端結構剛性，如圖5。

2）將液壓夾具夾住副格板后，開動液壓振動錘，振沉過程中，振動錘啟動頻率15 Hz，1 min后提高至20 Hz，起重船吊重控制在18～25 t，直至振沉到設計標高。

圖5 副格振沉Fig.5 Deputy vibration and sinking

6 振沉質量

1）在鋼圓筒及副格底部入泥1 m后開始調整垂直度，此時受風浪、水流影響較小，垂直度達到0.1%～0.3%，均滿足設計要求[6-8]。

2）通過施工過程分析，由于鋼圓筒及副格尺寸較大，受風、浪、流影響較大，定位及振沉過程偏位及扭角很難滿足設計要求，可適當調整設計允許偏差。

7 工效分析

通過鋼圓筒施工統計分析，起重船移至鋼圓筒運輸船需0.5 h，起吊鋼圓筒移船至定位駁需2.5 h，定位需2 h，自沉振沉過程需0.5 h，因此，每個鋼圓筒施工總用時為5.5 h，振沉結束后，筒內填砂約3 h，在不考慮天氣因素條件下，每天可振沉1個鋼圓筒并完成筒內填砂施工。

8 結語

人工島鋼圓筒振沉設備與施工技術，成功應用于港珠澳大橋島隧工程建設，具有快速、高效、環保等諸多優勢，使得西人工島當年開工建設當年成島成為現實，極具推廣價值和借鑒意義。