大直径钢圆筒振动下沉工艺方法 技术领域：
本发明属于建造码头的施工方法，特别设计一种大直径钢圆筒振动下沉工艺方法。
现有技术：
插入式大圆筒结构20世纪40年代末始创于法国，20世纪60年代前苏联开始采用建造码头，继而在日本、荷兰、美国等国的海工工程也得到应用，80年代初引入我国。大圆筒的材质初始采用的是钢筋混凝土，以后有用钢材制成的。其沉入泥面以下的方法，钢筋混凝土大圆筒大部分为厚壁内留孔挖土下沉或采用沉井施工方法，但是采用厚壁留孔挖土、沉井施工和负压、加载联合压沉(辅以挖土、射水等)法存在的问题主要有：
(1)穿透复杂(含夹砂层或透镜体)软土地层困难；
(2)不能预防简身偏斜，无法做到“有控制(标高、偏位、倾斜)”的下沉；
(3)施工成本高，速度慢，工程质量差。
插入式圆筒结构虽具有材料省、质量好、速度快和成本低等优点，但关键是如何将其沉入设计所要求的入泥深度，并达到设计所要求的垂直度和正位，也是一直制约着大直径圆筒结构应用的前景和发展方向，
发明内容：
本发明的目的：提供大直径钢圆筒振动下沉工艺方法：采用多台液压振动锤通过同步装置组成振动系统，同步振动沉放大直径钢圆筒，达到使用插入式圆筒结构的材料省、质量好、速度快和成本低等优点，同时将其沉入设计所要求的入泥深度，并达到设计所要求的垂直度和正位。
本发明内容是：
一种大直径钢圆筒振动下沉工艺方法，其特征在于：采用直径12m～25m、高度13m～45m地钢圆筒，在钢圆筒上端口采用多台液压振动锤通过同步器组成振动系统，振动下沉穿过较厚砂石夹层。
大直径钢圆筒振动下沉工艺方法：采用直径12m～13.5m、高度13m～34m的钢圆筒，在钢圆筒上端口采用四台液压振动锤通过同步器组成振动系统，振动下沉穿过较厚砂石夹层。
采用起重船吊有四台液压振动锤通过同步器组成振动系统，通过四台液压振动锤支撑梁下的液压夹具夹住钢圆筒到达筒位，吊钩下降，沉降钢圆筒，当钢圆筒正位自沉至吊钩吊重在110t～150t时，吊钩停止下降，完成自沉；测量人员再校核一遍筒体垂直度和偏位，在允许范围内即可开锤振沉；钢圆筒振沉过程中吊船上钩头始终有110t～150t的力，并控制钩头下降速度，以利减小振沉过程中的倾斜与偏位。如果在振沉过程中，发现有微量偏位和倾斜，可随时通过调整吊船上两个钩头的快慢和扒杆的变幅来实现；如果偏位大于10cm、倾斜度超过1％时可在不停锤的情况下，停止钩头下降而振动上拔至原开振标高以上0.5m～1.0m左右停锤，通过松紧锚缆、升降两个钩头和仰俯扒杆等措施交替反复进行，直至筒体垂直度和偏位在允许范围内，再自沉无误后启动锤继续振沉，直至达到停锤标准。
在对有0.4m～6.3m厚、粒径5cm～30cm的块石夹层，正式振沉前必须进行处理，采用“挤石砂桩”方法清除筒壁处的块石夹层：
用经纬仪双向控制定位，用45千瓦电动振动锤沉设四根直径500mm，长16m的导向架定位支撑桩，将高2.4m，外径13.0m，内径11.6m的钢导向架，安挂在四根导向架定位支撑桩上；
用2根有四瓣活桩尖，直径500mm的钢管沿导向架外侧，在经纬仪控制下，用45千瓦电振动锤将第一根钢管在紧贴导向架外侧处振沉并穿过块石夹层，将块石挤至直径500mm以外，然后紧邻第一根钢管紧贴导向架外侧处振沉第二根钢管，穿过块石夹层后，将振动锤重新回到第一根钢管处，在钢管桩内灌砂后振拔，使砂面略超过块石夹层顶面即可，还应在钢管内灌水，以利砂脱落钢管，然后将第一根钢管振沉到第二根钢管紧贴导向架外侧另一侧处后，将第二根钢管灌砂振拔，周而复始地采用隔一跳一地插管，“迈步”方式灌砂振拔，依次沿导架外侧将待沉圆钢筒壁处块石挤除。
钢圆筒定位方法是：钢圆筒放在定位方驳的导向架内，导向架内侧和定位方驳端头上均有可调伸缩滚轮，钢圆筒外壁靠在这三个可调伸缩滚轮上；在测量仪器的控制下，定位方驳通过调整多根锚缆的松紧进行粗定位，三个可调伸缩滚轮进行细定位。
一种大直径钢圆筒振动下沉工艺方法使用的振动锤系统，其特征在于：在已有的振动锤系统原支承梁下辅设新支承梁，新支承梁上有适应钢圆筒直径的液压夹具，已有的振动锤系统的原支承梁和新支承梁用螺栓紧密贴在一起，形成一个整体。
发明效果：本工艺方法钢圆筒振沉的工效高：每个钢圆筒从自沉到振沉结束用时4分44秒～1小时13分08秒；从运存方驳处起吊钢圆筒到振沉结束，单筒用时41分～4小时14分。
施工实践：在2002年6月22日试沉第一个钢圆筒，7月6日开始正常施工，于9月8日成功振沉最后一个钢圆筒，历时64天沉完39个钢圆筒，平均1.6天振沉一个。9月7日，日效率振沉四个钢圆筒，7月3日和8月23日两天日振沉3个钢圆筒，有8天日振沉2个钢圆筒的效率。
钢圆筒振沉质量，我国尚无钢圆筒振沉质量检验标准，与设计要求值相比，证明我国首次用振沉工艺沉放的钢圆筒设计是合理的，工程质量是优良的。
钢圆筒偏位：设计要求小于30cm，实际偏位均满足设计要求，合格率100％；
钢圆筒底标高设计要求达到持力层，筒底均达到设计要求的持力层，合格率100％；
钢圆筒倾斜度：设计要求≤1.0％。除30#为1.4％，26#、20#和13#为1.5％，17#为1.8％，40#为2.0％共6个筒外，其余都符合设计要求，合格率为85％。
按设计图规定的标准评定，钢圆筒沉放合格率为92.5％，达到了优良标准。
该工艺方法为我国港口建设向外海深水区和淤泥质海岸发展提供了新的技术支持，它可应用于淤泥质或砂质海岸的防波堤、导堤、护岸、码头及大型码头接岸结构的施工，并可推广应用到水利、桥梁、电力工业、海洋工程等领域的基础工程中，将对我国水运工程的建设和相关领域的建设产生深远的影响。
【附图说明】
图1是原振动锤系统图
图2是改装后的4台液压振动锤系统图
图3是挤石砂桩海上定位架图
图4是挤石砂桩海上定位架支撑桩局部图
图5是钢圆筒吊装定位侧视图
图6是钢圆筒吊装定位俯视图
图7是定位方驳导向加上的伸缩滚轮结构图
实施实例
应用4台大型液压振动锤，通过同步装置组成振动系统，振沉大直径钢圆筒在国内是首创。用液压振动锤组(区别于电驱动)振沉大直径钢圆筒，在世界亦属首例，解决多台液压振动锤同步振动是振动系统的关键技术问题；
(1)大直径钢圆筒振动沉放，我国还没有现成的技术标准、规范和规程可供使用。大量的技术问题要经过精心设计和精心准备，并且在施工过程的实践中不断地发现、研究、解决，不断地总结和提高；
(2)选择振动锤的主要参数——振动摩阻力的计算，虽然搜集到日本、法国、美国、荷兰和前苏联等国家各种计算方法，但其计算结果出入较大，只能参考国内外有关的计算方法，由我们自行判断，在实践中检验；
(3)设备选择难度很大，选国外的，任何一家都不保证此工程的振沉成功，且价格昂贵；选国内的，具有更加明显的试验性；租用长江口航道建设有限公司引进的APE锤组，它是专门振沉直径12.0m钢筋混凝土大圆筒的，振沉直径13.5m的钢圆筒要进行较大的设备改造，且有很大的技术风险；
(4)把振沉直径12.0m钢筋混凝土大圆筒的APE锤组成功地改造成能振沉直径13.5m钢圆筒锤组，在国内外尚属首例；
(5)番禺蒲洲海堤护岸工程地质复杂，40个钢圆筒要穿过1.6m～10.6m厚的夹砂层，其中6个钢圆筒处要穿越粒径5cm～30cm、层厚0.4m～6.3m的块石夹层，如何振沉到设计标高，有很大难度；
(6)在40个钢圆筒中，入土深度在20.0m以上者大于50％，入土深度最大者31.9m，如何控制筒身垂直度，在振沉工艺包括振动锤组的操作技术和工艺参数选用上都有很大难度。
对美国液压振动锤组及振动体系进行了改造，采用辅加振动梁调整长度、增大刚度、解决筒壁偏心受振问题，使同一振动系统可适用于不同直径圆筒的振动下沉。
400型液压振动锤组是长江口航道建设有限公司从美国APE公司引进的。该系统设备明细见下面的表，其中吊架、支撑架(梁)由APE公司提供技术设计图纸，由一航局和一航局一公司负责工艺设计并加工制造。在APE工程师的指导下，由一航局和一公司在长江口深水航道治理工程施工现场组装。
该套设备在横沙岛附近水域和北导堤NIIC标段，先后做过5次钢筋混凝土大圆筒振沉试验。该钢筋混凝土大圆筒直径12.0m，高22.2m。
试验表明，引进该套设备是成功的。我们决定租用该套设备经改造后用于番禺南沙蒲洲海堤护岸工程。
振动锤及其配套设备
振动锤及其配套设备如表1.1
振动锤及其配套设备 表1.1顺序 名称 规格 单位 数量 重量(t) 备注 1 液压振动锤APE400 台 4 17×4＝68 2 动力柜APE990 套 4 11×4＝44 每套含一台CAT3412EDITA型柴油引擎、四台主泵、一个夹头泵、一个冷却泵、一个燃油箱和一个储油罐 3 液压夹头 件 8 3×8＝24 4 液压油管 套 4 5 机械同步系统 套 1 6 监测系统 套 1 7 支承架 套 1 35 8 吊架 套 1 21 9 吊架钢丝扣 套 1 6
振动锤系统
原振动锤系统，如图1所示，图中：1吊架钢丝扣、2吊架、3机械同步系统、4支承梁(架)、5液压夹具(头)。
振动锤组主要技术性能
振动锤(每台)
偏心力矩 150kg.m
振动频率 400～1400cpm(无级变速)
最大振幅(空载) 27mm
最大上拔力 2224KN
最大离心力 3203KN
自重(不包括夹头、油管) 16363kg
长×宽×高 3607mm×660mm×2515mm
动力柜(每套)
功率 990HP
最大工作转速 2100rpm
最大驱动压力 310bar(31Mpa)
驱动流量 943lpm(升每分钟)
长×宽×高 4724mm×2083mm×2440mm
液压油箱容积 2422升
液压夹头(每套)
夹头压力 2200KN
最大压强 5000psi(344bar)
夹齿尺寸 172mm(垂直方向)×230mm(水平方向)
振动锤系统的改造
改造方案的选择
长江口深水航道治理工程北导堤NIIC标段试验段中的直径12.0m的钢筋混凝土大圆筒振沉，采用的是四台APE400型液压振动锤组成的振动系统。将其改为适应直径13.5m钢圆筒的下沉设备，难度极大。我们本着严谨的科学态度，精心设计，提出多个方案，并在技术可靠、工期必保、成本最低的原则下进行优化。
方案在原支承梁下辅一适应13.5m直径高1.4m的支承梁。原支承梁以上维持不变，将液压夹具从原支承梁上拆下，组装到适应直径13.5m的新支承梁上。原、新支承梁用螺栓紧密贴在一起，形成一个整体(电焊易产生变形和应力集中，故二者不能电焊连接)。经计算，新旧支承梁共同作用下，在振沉钢圆筒时，中间向下变形4.3mm，两端为0，刚度较好；在振拔钢圆筒时支承梁两端有向下2.4mm的变形，中间有向上1.6mm的变形。这两种情况的变形都不影响振沉钢圆筒，决定采用此方案。
新支承梁的制作及组装
(1)新支承梁的设计
原支承梁是美国人设计，我方制造的，本次改造是我们自行设计和制作。设计的原则：
①每个锤下的两个液压夹头在新支承梁上的组装位置，必须准确；
②原新支承梁必须牢固联为一体；
③原支承梁上不得焊接任何构件，以防原有系统变形。
(2)新支承架的制作
据以上原则，新支承梁见附后图2.图中：1吊架钢丝扣、2吊架、3机械同步系统、4支承梁(架)、5液压夹具(头)、6新支承梁(架)。
新支承梁的制作难点：
①外轮廓尺寸14.68m×14.68m，梁重68t，属超大机加工件，保证各部尺寸准确，上下面平整度符合原、新支承梁组装要求，难度极大；
②新、原支承梁连接有152条螺栓，其中原支承架8个液压夹头处与新支承架连接88条，在原、新支承梁的中心、中间和梁端连接64条；另外，在新支承梁端安装8个液压夹头需钻孔套丝96个。要保证152条螺栓、96个丝孔一次连接成功，难度极大。
为此设计了一套详尽的制作工艺和公差要求，制作时，严格执行。
(3)新支承梁的组装
制作时各道工序严格把关，整体加工完成后，用精密测量仪器在一特制的平台上对关键尺寸和平整度逐一进行检测，验收合格后与原支承梁进行组装。主要工序为：
①在原、新支承梁上将液压夹头和连接螺栓编号；
②按2个液压夹头(一个锤下有两个液压夹头)相对尺寸，做一既能限位又能调节平面位置的夹头胎具，并吊放在原支承梁下一组液压夹头处；
③逐个松掉液压夹头螺栓，将液压夹头按理论尺寸固定在夹头胎具内；
④依次对号吊放胎具在新支承梁下，用螺栓将液压夹头固定在新支承梁上；
⑤4组液压夹头分别组装后，用500t起重船将原振动系统吊放在新支承梁上，在新支承架一侧两个梁端头，分别设置方向相反的斤不落，用以水平旋转调位，在新支承梁另一侧两个梁端头设置向梁中心千斤顶，用以调整新支承梁进退位置，这样细心、反复几次将原、新支承架上下左右紧紧贴在一起，152个螺栓孔对中，穿入螺栓并逐个拧紧；
由于设计合理，制作工艺精细，组装顺序正确，原、新支承梁152条螺栓一次连接成功，创国内同行业非标加工件之先河。APE公司总裁看后，赞不绝口。组装后的振动系统见图2.番禺4台液压振动锤系统图。
通过收集国内外有关资料和工程实例分析论证，考虑振动下沉工况的特点，对现行规范的压桩系数进行修正，作为选锤的依据，并提出了钢圆筒自沉深度估算新方法。经实践证明，较为合理，为类似工程提供了经验，为有关规范积累了有价值的资料。
振动摩阻力的计算
振动钢圆筒的振动侧摩阻力的计算，目前国内尚无同类的设计规范，计算理论依据又不完备，没有类同工程可参考，为确保工程在技术可靠、经济合理和保证工期，我们查阅收集了国内外大量有关资料，并先后与国内的北京建院机械研究所(国内设计振动锤的技术权威单位)、国外的法国PTC公司、美国的ICE公司、日本运输省等厂家的技术人员，以该工程为例，就如何计算振动摩阻力和选择振动锤及锤组，进行了多次认真、仔细的研讨，后经过运用国内外不同的11种计算方法，分析论证后，我们利用我国规范提供的压桩系数，再考虑振动工况特点，将介于“静”，“振动”之间的压桩系数再乘以受振动影响的土壤弹性系数，计算的钢圆筒动侧摩阻力为800t～1000t，作为选锤的依据。选具有代表性的4#和32#筒位利用各种不同的方法计算结果列于表3.2.1。
不同计算方法得出的动摩阻力汇总表 表3.2.1
自沉深度的估算
通过番禺工程振沉钢圆筒实践证明，自沉深度的估算无实际意义。其一，在选锤组时是以满足振沉至设计标高为前提的，所以自沉多少并不影响振沉至设计标高的结果；其二，为防偏位和倾斜在自沉过程中起重船钩头始终负荷，自沉结束时钩头还有110t～150t的吊力，实际上是用振沉体系的部分重力慢慢压沉的。自沉过程实际上是在振沉前在测量仪器控制下，细致定位和防倾斜过程。本文在此列入自沉深度的估算，目的在于说明自沉筒壁动侧摩阻力如何取值。以往人们计算自沉时取不折减的静极限摩阻力值，番禺工程有8个筒自沉实际深度所计算的侧摩阻力，其值折减系数接近于《港口工程技术规范》(1987)下卷P135附录九所给的压桩阻力系数。
番禺第一批焊制的8个钢圆筒，先运至南沙联合码头前沿水中存放，完全属于自沉状态。码头前沿的土质，上部为淤泥，下部为细砂加夹泥，按淤泥土层取值。计算自沉主要参数：F内+外＝88.116m2/m，A尖＝1.34m2，桩尖阻力Ry＝0.9×30t/m2×1.34＝36.18t。从本工程地质勘察报告中查知，桩周土淤泥极限侧阻力标准值为1.2t/m2，查规范取压沉阻力折减系数0.3。24#～31#钢圆筒在联合码头前沿由实际自沉深度反算出自沉侧摩阻力值列于表3.2.2。
24#～31#钢圆筒自沉侧摩阻力值 表3.2.2
另外，钢圆筒自沉与压桩下沉机理一样，运动状态相同，都是在一垂直重力作用下，克服桩土摩阻力和端阻力后的移动。所以，当计算被振动物体自沉深度时，可用压桩阻力计算方法进行估算。
解决了穿过复杂地层预防偏斜和随时能进行纠编的问题，可以做到“有控制的下沉。
当钢圆筒正位自沉至吊钩吊重在110t～150t时，吊钩停止下降，完成自沉。测量人员再校核一遍简体垂直度和偏位，在允许范围内即可开锤振沉。钢圆筒振沉过程中吊船上钩头始终有110t～150t的力，并控制钩头下降速度，以利减小振沉过程中的倾斜与偏位。如果在振沉过程中，发现有微量偏位和倾斜，可随时通过调整吊船上两个钩头的快慢和扒杆的变幅来实现；如果偏位大于10cm、倾斜度超过1％时可在不停锤的情况下，停止钩头下降而振动上拔至原开振标高以上0.5m左右停锤，通过松紧锚缆、升降两个钩头和仰俯扒杆等措施交替反复进行，直至简体垂直度和偏位在允许范围内，再自沉无误后启动锤继续振沉，直至达到停锤标准。
振沉前采用“挤石砂桩”清除深层较厚块石夹层，保证圆筒振沉顺利的方法，非常具有推广价值。
据补勘钻孔发现在6#、7#、17#、27#、28#、和40#筒位处有0.4m～6.3m厚粒径5cm～30cm的块石，正式振沉前必须进行处理，否则难以振沉并易产生偏位和倾斜。经反复比较，采用“挤石砂桩”方法清除筒壁处的块石夹层。
用经纬仪双向控制定位，45千瓦电动振动锤沉设四根直径500mm，长16m的导向架定位桩，将高2.4m，外径13.0m，内径11.6m的钢导向架，安挂在四根导向桩上。导向架的平面布置见图3、4，图中：7导向架、8导向架定位桩、9钢管、10钢桩抱箍。
用2根有四瓣活桩尖，直径500mm的钢管沿导向架外侧，在经纬仪控制下，用45千瓦电振动锤将第一根钢管在①处振沉穿过块石夹层，将块石挤至直径500mm以外，然后紧邻第一根钢管振沉第2根钢管于②处，穿过块石夹层后，将振动锤重新回到第一根钢管①处，在钢管桩内灌砂后振拔，使砂面略超过块石夹层顶面即可，还应在钢管内灌水，以利砂脱落钢管，然后将第一根钢管振沉到③处后，将②处灌砂振拔，周而复始地采用隔一跳一地插管，“迈步”方式灌砂振拔，依次沿导架外侧将待沉圆钢筒壁处块石挤除。
用此法依次将6#、7#、17#和40#筒壁处块石夹层挤走，为筒正式振沉清除了障碍。实践证明，效果很好。27#、28#因只有30cm～40cm块石夹层未处理，实际振沉时，也较顺利穿过。
研制并使用了快速定位和圆筒自沉导向装置，缩短了定位时间、发挥了导向作用，使大圆筒的定位直观、快捷、准确、正位率高。定位导向架见图5、6，图中：11起重船、12定位方驳(船)、13扒杆、14钩头，15振动锤、16钢圆筒、17导向架，18可调伸缩滚轮、19锚缆、20地牛、21运送船、22动力柜、23液压管。
钢圆筒定位方法是：钢圆筒放在定位方驳的导向架内，导向架内侧和定位方驳端头上均有可调伸缩滚轮，钢圆筒外壁靠在这三个可调伸缩滚轮上；在测量仪器的控制下，定位方驳通过调整多根锚缆的松紧进行粗定位，三个可调伸缩滚轮进行细定位。图7为可调伸缩滚轮，图中：24滚轮、25滚轮架、26导向装置、27可调伸缩螺栓
用四台液压振动锤通过同步器组成振动系统，振动下沉直径13.5m、高度13m～34m钢圆筒，穿过较厚砂石夹层，达到设计标高，在国内外尚属首例，填补了我国水运工程施工工艺的一项空白。