基于一体式导向架的大直径钢护筒水上快速施工技术

向梨梨，黄鹏，胡伟邦

（中交第二航务工程局有限公司第五工程分公司，湖北 武汉 430040）

0 引言

通常，水上桩孔钢护筒的沉放方式有3 种：1）在已形成的初始平台（施工平台、已沉放的钢管桩或钢护筒）上焊接悬臂导向架，利用起重船起吊钢护筒后沉放。2）起重船起吊钢护筒，插入整体式导向架后定位，再沉放钢护筒（如港珠澳大桥非通航孔桥复合桩钢管，采用大型起重船将整体式导向架初定位，再利用另一台起重船插打导向架的定位桩，通过导向架定位钢管后沉放）[1]。在含超常规直径（如直径超过4 m）且规格种类较多的钢护筒沉放施工时，前2 种方式存在工效不高、操作困难的缺点。3）沉放钢护筒的方案为打桩船配合自身的小型导向架及冲击锤沉放钢护筒，但一般可沉放的钢护筒直径较小，适用范围不大，设备利用程度不高。

1 工程概况

海南铺前大桥跨越铺前湾，桥区潮汐属于不规则半日潮，潮汐性质复杂，日不等现象显著。平均潮差0.8 m。经疏浚后，桥区水深约6.5 m，水深、水域范围适合大型水上设备施工。

跨海斜拉桥主桥34 号主塔位置处水文条件：

1）流速：设计流速v=0.99 m/s；

2）潮位：设计高潮位为+1.12 m，设计低潮位为-0.56 m；

3）波浪：工作状态5 a 一遇，波高2.01 m，周期5.8 s；非工作状态：波高H1%=2.7 m，周期T=6.3 s。

该位置处地质条件：参照《海南铺前大桥桩基勘察超前钻探报告》ZK20 钻孔资料。钻孔的地质参数见表1。

桥区跨越铺前-清澜活动断层，此断层为高角度西倾的活动正断层。强震作用下桩身剪力在桩顶和基岩面附近处较大。为保证抗震需求，设计上考虑将常规的桩基础结构调整为大直径的钢管复合桩。钢管复合桩，即带有抗剪装置的变径永久钢护筒+钢筋混凝土桩基组合体结构。

跨海斜拉桥主桥34 号主塔处于近断层区域，下设32 根钢管复合桩。φ4.3 m 钢护筒由上至下划分为3 节段，第1 节段为替打段，长5.32 m，壁厚28 mm。为防止振动锤夹持部分变形，第1 节段顶面外侧焊接1 圈8 mm 厚加强钢带。为避免运输过程中端部变形，在其顶面内侧焊接米字撑。第2 节段为标准节段，外直径4.3 m，长16.38 m，壁厚35 mm。第3 节段为钢护筒底部加厚节段，壁厚45 mm。为避免运输过程中端部变形，在其底面内侧焊接米字撑。根据设计要求“钢管不允许在水上接长”，因此整根钢护筒总长25.7 m，总重98.3 t，如图1 所示。同时，设计图纸要求钢管“打入完毕后的钢管，其位于承台底面处中心偏差小于50 mm，倾斜度不大于1/200。”[2]

图1 大直径钢护筒结构示意图（mm）Fig.1 Schematic diagram of large diameter steel casing structure（mm）

2 方案研究

2.1 总体方案研究

主墩钢护筒设计为永久结构，长25.7 m 重达98.3 t，需整根一次沉放完成。一般采用钓鱼法先施工栈桥再施工主墩钢平台，在主墩钢平台上进行钢护筒吊装及沉放，最后布置钻机进行桩基施工[3-6]。

但本项目由于桩基直径大，护筒重量大。采用常规的施工方案存在以下问题：

1）主墩离岸较远，栈桥长度为480 m，常规的钓鱼法先施工栈桥再施工主墩钢平台占用主线工期。

2）本项目护筒重量达到98.3 t，搭设栈桥平台再利用平台施工钢护筒，需要采用2 台大吨位履带吊进行施工，对钢平台承载力要求高。

3）主墩桩基为嵌岩桩，基岩为微风化花岗岩，最大饱和抗压强度达120 MPa，采用自重约300 t 的ZJD5000 型回旋钻成孔，大型钻孔设备对钢平台承载力要求极高，临时措施投入大。

为节省工期及施工成本，提出先采用打桩船沉放钢护筒后形成平台，利用钢护筒作为平台支撑的施工工艺。即先沉放钢护筒与辅助桩，再利用钢护筒及辅助桩作为竖向支撑焊接牛腿，安装平台上部梁系结构形成平台的方法。如图2 所示。

图2 打桩船配合一体式导向架振沉钢护筒示意图Fig.2 Schematic diagram of vibration sinking steel casing with integrated guide frame of pile driving vessel

2.2 大直径钢护筒沉放设备选型

针对引言中提到的常规沉放钢护筒的3 种方案进行分析，如表2 所示。

表2 钢护筒沉放方案对比表Table 2 Comparison of steel casing sinking schemes

由表2 可知，常规第1、第2 种方案存在工效较低、工序繁琐的问题，第3 种采用打桩船+自有导向架的方法沉放钢护筒，工效较高，但针对大直径钢护筒则需通过新制导向架的方式实现。将导向架与打桩船连为“一体”，通过打桩船自身GPS 系统指导锚缆纠偏与锁定，从而实现导向架初步定位，钢护筒进入导向架后也实现了钢护筒的初步定位；通过测量仪器测出钢护筒的误差值，使用导向架调节装置进行钢护筒平面偏位与垂直度调整，快速实现钢护筒的精确定位。

2.3 导向架结构设计

导向架固定于打桩船前端，主要由上框架、下框架、立柱、斜撑、连接杆、驱动结构、调节系统等组成。导向架结构具有以下特点：

1）导向架自身具有足够的刚度，从而为钢护筒振沉过程提供足够的限位约束，以保证安装精度；同时，导向架可调整钢护筒的垂直度。因此，导向架需设计为双层立体框架结构，且上下层均具备偏位调节功能。

2）导向架能够适应钢护筒在起吊加载过程中发生的绕横船向产生的扭转。因此，上部龙口设计为可开合的封闭结构，可进行四向调位；下部龙口设计“半包围”结构（船体及导向架随吊钩加载与卸载的过程会出现向前倾斜的状态，需释放远离船向的约束）。

3）导向架上层安装驱动活动装置开合的卷扬机驱动结构，通过驱动结构启闭上层活动横梁（如图3 所示），通过上层框架内侧4 个顶推滚轮进行一定范围内的水平位移调整（如图4 所示）；下层框架不设活动横梁，通过下层框架内侧3 个顶推滚轮进行一定范围内的水平位移调整。

图3 导向架活动横梁启闭工作原理图（立面）Fig.3 Working principle diagram of opening and closing of movable crossbeam of the guide frame（elevation）

图4 导向架结构平面图（示意调节装置）Fig.4 Structural plan of guide frame（schematic adjustment device）

导向架结构侧视图如图5 所示。

图5 导向架结构侧面图（打桩船显示部分）Fig.5 Side view of guide frame structure（display part of pile driving vessel）

2.4 钢护筒及导向架结构受力计算分析

1）钢护筒受力分析

钢护筒水流力计算：根据JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》进行计算。φ4.3 m 钢护筒8.013 m 水深，设计泥面标高为-6.893 m，设计流速0.99 m/s。

钢护筒波浪力计算：根据JTS 145-2—2013《海港水文规范》计算钢管桩波浪力。工作状态下，波高H=2.01 m，周期T=5.8 s，水深d=8.013 m，计算得工作状态下φ4.3 m 钢护筒波浪力：P=292 kN；M=1 480 kN·m

作用点标高为-1.83 m。

2）导向架结构受力分析

当钢护筒下放至泥面时，导向架承受最大水平力F1=Fw+P=12.33+292=304.33 kN，承受弯矩所产生的最大水平力F2=1 480/4.61=321 kN。导向架自重荷载由模型自行计入。

采用MIDAS 有限元软件建立模型对导向架结构进行分析计算。

边界条件：导向架在船体连接点处固结。导向架有限元计算模型如图6 所示。

图6 导向架结构计算模型Fig.6 Calculation model of guide frame structure

计算分析结果如图7、图8 所示。

图7 组合应力（MPa）Fig.7 Combined stress（MPa）

图8 水平位移（mm）Fig.8 Horizontal displacement（mm）

根据计算结果显示，导向架最大组合应力141 MPa，最大水平位移15 mm，导向架强度和刚度均满足使用要求。

综上可知，导向架结构安全系数仍有富余，该导向架适用于高流速、大波浪近海区域大直径钢护筒的下放使用。

3 方案应用

3.1 钢护筒吊点设置

大型打桩船一般设有多个主钩与副钩。部分吊钩用于起吊钢护筒，部分吊钩用于起吊新增的振动锤。

若采取打桩船施工的方法，吊耳结构与布置方式应满足钢护筒的起吊及翻转的平衡受力要求。同时，还应考虑在稳定桩位时，操作人员能够解开吊耳上所系的销栓。因此应将吊耳设在离钢护筒筒口较近的地方。

打桩船与钢护筒的连接方式：钢护筒顶端朝上侧2 个吊耳为一组（第1 组），连接打桩船带有滑轮的吊钩1；钢护筒顶端朝下侧1 个吊耳（第2 组），连接打桩船吊钩2；钢护筒底面1 个朝上侧的吊耳（第3 组），连接打桩船吊钩3。打桩船与钢护筒吊点连接方式见图9。

图9 钢护筒吊点布置示意图Fig.9 Schematic diagram of steel casing lifting point arrangement

钢护筒起吊过程姿态与受力体系转换如下：

1）打桩船将钢护筒整体提升离开运输船。钢护筒由水平状态提升离开运输船的过程中，第1组吊耳通过滑轮一并起吊受力。同时，第3 组吊耳也参与起吊受力。

2）钢护筒由水平状态逐步转换为倾斜状态。钢护筒离开运输船后，第1 组吊耳对应的吊钩向上提升，钢护筒开始倾斜，钢护筒重量逐渐分配给第1 组吊耳。第3 组吊耳受力逐渐减小。

3）钢护筒由倾斜状态转换为竖直状态。钢护筒姿态转换至一定角度之后，第2 组吊耳对应的吊钩开始加载提升，第2 组吊耳部分参与受力，第1 组吊耳受力相对减小，第3 组吊耳受力继续减小。

4）钢护筒转换至竖向姿态后，由第1 组吊耳和第2 组吊耳共同分配受力，第3 组吊耳的吊钩松钩。

3.2 打桩船起吊钢护筒并初步定位

打桩船竖向起吊钢护筒，船体及导向架在钢护筒重力作用下在竖直面内绕横船向轴转动，向前倾斜。利用打桩船自身的GPS 打桩定位系统进行船体与随之起吊的钢护筒的初步定位，此时定位精度约为中心偏差20 cm，通过松紧锚缆系统实现打桩船的移动。

通过固定于上框架的卷扬机连接牵引立杆进行导向，提供牵引力打开导向架上框架活动横梁，桩架后仰，将钢护筒移入导向架内，如图10 所示。关闭导向架上框架活动横梁，并在锁定座销孔中插入销轴锁定活动横梁（如图3 所示）。

图10 打桩船起吊钢护筒移入导向架施工示意图Fig.10 Diagram of lifting steel casing by pile driving vessel and moving it into guide frame

3.3 钢护筒精确调位

为满足大规模的海上大型工程施工需要，并根据远海工程施工的特点，“航工桩9”打桩船采取的是“海工工程GPS 远距离打桩定位系统”，其基本定位原理是：首先以GPS 作为基本定位仪器对打桩船进行定位，在此基础上，配合辅助测量设备对施打桩的桩位进行精确定位，以提高系统的定位精度[7-8]。

“航工桩9”控制台的计算机屏幕能同时以图象及数字的形式反映出施打桩的设计位置及该桩的主要设计参数（包括设计的桩中心坐标、桩顶标高、平面扭角、倾斜度等），以及停锤标准（包括标高控制标准和贯入度控制标准）和当前施打桩的实时位置及主要实时参数（如桩中心坐标偏差、桩顶标高偏差、平面扭角偏差、实时倾斜度、实时贯入度等），便于操作人员进行对照比较，调整船位，进行初定位。精确定位通过导向架调整钢护筒的平面位置及垂直度，施工时缓缓下放钢护筒，逐步插入海床浅表覆盖层内，吊钩受力逐渐减小，船体及导向架开始逐渐反向转动。根据测量数据，适时调节顶推滚轮，顶推滚轮的调节范围为±20 cm。针对钢护筒偏位与倾斜情况施加水平向约束（如图4 所示）。

3.4 振动锤振沉钢护筒

船体及导向架反向转动恢复至初始倾斜角度，如图11 所示。下放液压振动锤，夹持钢护筒顶面（为避免夹持与振沉作用导致钢护筒顶部变形，需提前在钢护筒顶面外缘焊接加强钢带），施加激振作用。钢护筒逐步下沉，地层与导向架共同提供约束。因主塔处覆盖层较薄，约8～10 m，故钢护筒入土深度相对较浅，若沉放过程中发生倾斜，再次使用顶推滚轮对钢护筒的偏位进行调节，保证垂直度与平面位置，此时定位精度偏差约4～5 cm，倾斜度约1/200，振沉至设计标高。

图11 打桩船配合振动锤振沉钢护筒施工示意图Fig.11 Construction diagram of vibration sinking steel casing with cooperation of pile driving vessel and vibration hammer

4 结语

海南铺前大桥跨越活动断层，主塔采用大直径钢管复合桩钢护筒。钢护筒直径超常规，且重量较重，数量较多，精度要求高，施工难度较大。通过对一体式导向架的大直径钢护筒水上快速施工技术的研究与应用，主要得出以下结论：

1）施工时采用护筒后平台的工艺，相对于常规的先栈桥平台再施工钢护筒节约了施工工期1个月。同时该工艺可利用钢护筒作为钢平台支撑，节约了钢平台的措施投入。

2）设计了适用于打桩船的一体式双层导向架。通过上层四向调节和下层三向调节的合理设置避免了打桩船在起吊钢护筒的过程中倾角变化对钢护筒的影响。通过打桩船GPS 定位系统及导向架调位功能实现了护筒的快速精确定位，满足了设计及规范关于平面偏位和垂直度的要求。