大直径钢圆筒振动下沉工艺及设备的开发与应用

孟凡利，孔令磊，刘昊槟，杨润来

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大桥岛隧工程共有东、西两座人工岛，每座人工岛两端分别与沉管隧道、桥梁相连接，以此实现桥隧转换。为保证东、西人工岛快速成岛，采用了抛石斜坡堤和临时钢圆筒围堰相结合的岛壁结构。采用钢圆筒沿人工岛设计岸壁前沿位置振沉至不透水层，构筑成岛内基坑施工期止水围护结构，实现快速整岛止水，人工岛内外两侧可以同步施工，实现快速筑岛。

1 工程概况

1.1 工程结构

东、西人工岛主格采用钢圆筒结构形式，其中东岛钢圆筒59个，西岛钢圆筒61个。钢圆筒直径均22.0 m，壁厚16 mm，高度40.5~50.5 m，打设后筒顶标高+3.5 m[1]。

1.2 钢圆筒结构形式

为提高钢圆筒的刚度，克服振沉过程中的阻力及高频振动引起的变形，提高激振力传递效率，保证圆筒顺利下沉，分别在横向和纵向焊接Q235B钢板或型钢进行加强。同时，为防止振沉过程中顶口屈服及底口卷边，圆筒顶部1 m、底口0.5 m范围内的筒壁采用25 mm厚Q345B钢板进行加强[1]。

1.3 工程地质情况

根据人工岛现场勘探和室内试验结果，东人工岛典型地层划分如表1所示[2]。

2 振沉设备选用

为保证大尺寸钢圆筒顺利振沉到位，振动锤组的选择是工程得以顺利实现的关键。本工程钢圆筒振沉选用了8台进口APE600型液压振动锤联动方案。8台APE600型液压振动锤采用双向齿轮箱多级传递实现机械同步。经计算校核，钢圆筒振沉所需最小振幅为3.75 mm，振动体系最小振幅为4.34 mm，激振力富裕系数1.4，振沉系统能力满足要求。振动锤参数见表2。

表1 东人工岛地层划分表Table1 Stratigraphic classification tableof east island

图1 钢圆筒振沉施工工艺流程图Fig.1 Construction processof steel cylinder vibration sinking

表2 APE600型液压振动锤参数Table 2 Parameters of APE600 hydraulic vibratory hammer

3 钢圆筒振沉施工工艺

钢圆筒振沉具体工艺流程如图1所示。

3.1 钢圆筒起吊

为保证钢圆筒制作、装船、起吊、振沉过程的操作有规律可循，同时达到保证圆筒中心位置及宽榫槽间夹角的准确，在钢圆筒筒体确定了一条基准线。该基准线即钢圆筒起吊时振动锤组的中线，定义为 0°~180°线。0°~180°线与振动锤组关系见图2。

起重船驻位完成后，应保证船面垂直于0°~180°连线。主要方法为通过观察锤组上0°线与钢圆筒筒顶0°线是否重合。通过平移及旋转起重船使锤组进入钢圆筒筒顶正上方后，缓慢松钩，直至钢圆筒进入液压夹具导向槽，调整振动锤组，使1号锤与5号锤中间夹具与筒壁上预先设置的挡板贴紧。该挡板的设置主要为提高吊筒精度，确定振动锤组与宽榫槽之间的相对位置。挡板形式及位置示意见图3。

图 2 0°～180°线与振动锤组关系图Fig.2 Physical diagram of therelationship between 0°to 180°line and vibration hammer

调整时，通过控制起重船上设置的2台卷扬机交叉牵引系于锤组共振梁上的晃绳松紧，缓慢旋转锤组，直至夹具与挡板紧贴后下落锤组。晃绳分别系于锤组2号锤及7号锤上专用吊环，如图4所示。

此外，也可先忽略挡板，粗略找准位置下落锤组，然后根据需要张紧晃绳，直至锤组缓慢旋转至设计位置后，再下落锤组。

图4 晃绳布置形式图Fig.4 The arrangement form of rope

图3 挡板形式及位置示意图Fig.3 Schematic of the form and position of the baffle

夹头夹紧后，气焊工割除筒底口加固钢板。每个钢圆筒共有加固钢板36块，每10°加固1块。钢板高480 mm，厚24 mm。经过计算及第三方验算，该种加固方式可确保钢圆筒运输时可抵抗8级风，满足运输要求。

钢圆筒起吊时，起重人员密切注意钢圆筒位置，防止与相邻钢圆筒发生磕碰。

3.2 钢圆筒定位

3.2.1 钢圆筒定位原理

在定位驳上安装2台GPS接收机、2台自动跟踪全站仪和计算机处理系统，并在振沉系统刚性振动梁上安装4个适配反射棱镜和4个液位计，组成一套定位系统，用于监测钢圆筒平面位置、筒顶高程和纵横向垂直度。定位系统运行时，2台GPS接收机实时接收CORS参考站差分信号，获得实时三维数据；全自动跟踪全站仪在人工粗略瞄准棱镜后，能够实现实时测角、测距，4个液位计能够实时测量钢圆筒两个轴线上高差来监测垂直度，各测量和监测设备的数据实时传输至计算机处理系统，从而实现钢圆筒振沉定位和过程检测。

3.2.2 精定位

精定位需选在平潮时间段作业，双钩松至筒底距离泥面标高以上0.5～1 m开始精定位过程。精定位采用中交一航局自行研发的“钢圆筒施工定位监测系统”进行定位。监测系统包括定位驳上安装的2台GPS接收机、2台自动跟踪全站仪和计算机处理系统，以及在振动梁上安装的4个适配反射棱镜和4个液位计。

通过4个液位计监测钢圆筒的垂直度。每个液位计的顶部安装一个适配棱镜，通过2台全站仪跟踪2个可见的棱镜来确定钢圆筒的中心坐标及高程。通过定位界面显示数据来指导钢圆筒的定位。

各测量、监测设备布置图见图5所示。

3.3 钢圆筒振沉

振沉过程中，若为自沉顺利情况，双钩起至460 t后每50 t一级逐级减载，直至松钩至200 t而维持吊重缓慢跟进。对于通过纠偏而最后确定振沉的情况，则视土质软硬而确定松钩速率。最终经测量监控达到标高后确认停锤。

4 施工结果分析

钢圆筒振沉的施工控制主要是：平面位置、垂直度、平面扭角、振沉标高。钢圆筒振沉质量的控制主要是为满足副格弧形钢板的正常振沉，在实现快速成岛的同时，为岛内施工提供良好止水效果的围护结构。本工程的钢圆筒振沉的各项指标均满足设计要求[3]。

图5 定位系统测量设备布置图Fig.5 Layout of GPSmeasurement equipment

5 结语

超大直径、超深埋深的钢圆筒振沉在国内尚属首次，属世界罕见的技术。本工程为世界上第一次采用8台液压振动锤联动振沉体系进行钢圆筒振沉。振沉的钢圆筒结构为国内直径最大、高度最高的钢圆筒结构[4]，同时也是世界上体量最大的钢圆筒结构。

大直径钢圆筒围护结构快速成岛技术的成功实施，实现了“当年动工、当年成岛”目标，与原有的挤密砂桩抛石斜坡堤筑岛方案相比提前工期2 a实现成岛目标，同时为岛内干施工提供了安全、稳定的止水围护结构，为港珠澳大桥岛隧工程的顺利推进打下了坚实的基础。

通过该工程的实践，形成了钢圆筒的制作、远洋运输、大型远洋运输船的驻位、钢圆筒的定位、钢圆筒振沉纠偏、围护结构的止水、大型液压振动锤联动等一整套的设计与施工技术。