大直径钢圆筒施工技术.docx
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大直径钢圆筒施工技术
大直径钢圆筒采用多台液压振动锤同步
振沉设备与工艺的研究及应用
中港一航局一公司
1概况
1.1工程概况
由广州番禺南沙开发建设有限公司为建设单位、南华建设监理所为监理单位和中港一航局一公司为设计和施工总承包单位的广州番禺南沙蒲州海堤护岸工程，地处虎门大桥下游4公里，珠江口西岸，毗邻南沙科技园。
北与我公司于1995年采用负压加载压沉法沉放26个直径15m的钢筋混凝土圆筒的南沙联合码头相连接，南至蒲州山东麓。
护岸全长579.06m，采用插入式钢圆筒作为挡土墙结构，见图1.1.a。
护岸高程+5.2m，护岸前沿底高程为-6.0m。
护岸断面主要由钢圆筒、筒内回填砂及软基处理、圆筒底基加固、筒内现浇钢筋混凝土圈梁、钢筋混凝土盖板、胸墙及墙后回填和墙后软基处理组成，见图1.1.b。
沿护岸纵向有40个插入式钢圆筒，顺序由上游（北）向下游（南）依次排列，南（末）端41#钢圆筒安装在块石基床上。
筒间距为60cm，筒底标高-7.5m～-33m，筒顶标高+1.0m，筒长8.5m～34m。
筒壁厚，每个筒上部9m为14mm，余下部分为12mm。
单筒重60.8t（41#）～181.714t（29#、30#）。
41个钢圆筒总长为974.5m，总用钢材5468.249t。
1.2加强钢圆筒刚度
为了保证钢圆筒施工下沉过程中的稳定性和减小使用期筒自身变形，采取增大钢圆筒刚度的措施是：
筒顶标高以下100mm开始
图1.1.b护岸断面图
沿圆筒外侧周长贴焊一块宽800mm，厚8mm的钢板；在圆筒顶以下800mm内
侧处，设置用I字钢I40a、槽钢[12等钢材焊接断面高400mm、宽1000mm的组合桁架；分别在-3.5m和-6.0m标高处增设用8mm～10mm钢板焊制工字型200mm×400mm断面的组合梁横肋；沿筒壁圆周每间隔17.02度/18.655度设置纵向肋槽钢[36b及[20。
为避免圆筒下沉时刃脚发生卷口现象，在圆筒刃脚内侧200mm高度范围内加焊10mm厚钢板，纵肋槽钢底部用10mm厚钢板封底。
在液压夹具范围内采取了特殊加强处理。
见图1.2钢圆筒结构加强图。
图1.2钢圆筒结构加强图
1.3自然条件
1.3.1地质
从前后三次地质勘测报告可知，本工程所处的地层从上至下可分为流泥-淤泥、中粗砂、块石、淤泥、砾砂、淤泥质粘土、砂质粘性土（残积土）、全风化花岗岩和强风化花岗岩，见图1.3.1护岸立面图。
各土层叙述如下表1.3.1
表1.3.1
地层编号
岩土
名称
岩性描述
①
流泥-
淤泥
灰、深灰色，饱和，呈流动状态，含贝壳碎屑，偶尔含粉细砂，易扰动，质纯细腻；分布于表层，探区内大都有分布，层厚1.3m~7.2m，平均厚度为4.2m，层顶标高-1.85~-7.3，层底标高-3.75m~-12.85m。
该层为低强度高压缩性土，土质极差。
②
中粗砂
灰、黄白、灰白等色；石英中粗砂为主，个别孔以粗细砂为主，含石英砾，局部夹淤泥薄层；偶含小块石等；饱和，松散稍密，局部中密；标准贯入击数为4.3击~19.4击，平均10.5击；分布于场区中部、北部，于南部尖灭，层厚0.4m~9.9m，平均厚度3.76m，层顶标高-1.7m~-12.55m，层底标高-2.35m~-14.55m。
③
块石
灰色，饱和，稍密，成分为花岗岩、脉石英等。
岩芯大小以5cm~30cm为主，于Z16（6#、7#筒位）、Z45（17#筒位）、Z73（27#、28#筒位）、Z110（40#筒位）、Z113（41#筒位）有分布，层厚0.4m~6.3m,平均厚度3.27m，层顶标高-2.01m~-12.8m，层底标高为-4.17m~-13.85m。
④
淤泥
灰、深灰色，饱和，流塑状态，局部软塑，偶含贝壳碎屑，局部含砂。
场内均有分布，层厚3.3m~28.8m，平均厚度14.65m。
层顶标高-1.7m~-13.65m，层底标高-12.05m~-36.05m。
该层为低强度高压缩性软土，其物理力学指标随深度变化有变好趋势。
续表1.3.1
地层编号
岩土
名称
岩性描述
⑤
砾砂
灰、灰白、黄白色，饱和，松散-稍密，局部中密；以砾砂为主，个别孔以细砂为主，大小以1mm~4mm为主，呈次棱~次圆状，局部夹薄层淤泥；厚度北厚南薄，分布连续，于南端尖灭；标贯击数4.9击~16.8击，平均11.02击，层厚2.8m~17.9m,平均厚度9.87m；层顶标高-15.1m~-34.05m，层底标高-18.1m~-38.45m。
⑥
淤泥质粘土
灰色，饱和，软塑，混20~45%细砂，见腐植质，北端与中部呈透镜状分布；标贯击数11.2击~16.8击，平均3.13击；层厚1.9m~9.1m，平均厚度5.61m；层顶标高-18.1m~-24.6m，层底标高-26.3m~-28.85m。
⑦
砂质粘性土（残积层）
灰绿色；湿，可塑，由花岗岩风化残积而成，原岩结构可辨；标贯击数11.2击~16.8击，平均13.72击；分布不连续，呈透镜状；层厚0.6m~2.3m，平均厚度1.11m；层顶标高-33.37m~-36.9m，层底标高-34.87m~-38.5m。
⑧
全风化花岗岩
灰绿色；湿，可塑~硬塑，除石英、部分长石外，其余矿物已风化成土，岩芯呈柱状；标贯击数30击~49击；分布不连续，呈透镜状，层厚1.1m~1.5m，平均厚度1.3m。
层顶标高-32.65m~-33.35m，层底标高-34.15m~34.45m。
⑨
强风化花岗岩
灰绿色、黄褐色；稍湿~湿，硬塑~坚硬；风化裂隙发育；岩芯呈半岩半土状，碎石状，手可捏碎。
该层在场内大都有揭露。
标贯击数≥50击。
层顶标高-19.65m~-38.5m。
从表1.3.1岩性描述和图1.3.1护岸立面图可知，本护岸范围的地质条件比较复杂，大致可分为三个区段：
第一区段从原南沙联合码头端部开始起算，大约350m（1#~25#筒位）长范围，此部分地质土质一个显著特点就是中间有1.6m~10.6m不等的夹砂层。
夹层上分布有一层流泥-淤泥，淤泥层下为粗砾砂层，该层可作为持力层。
第二区段为第一区段向下游长度约为100m（26#~32#筒位）范围，此区段地质特点是淤泥层厚，中间含夹砂层，淤泥层底标高由-27.12m~-31.65m，持力层埋深较大。
第三区段为南端剩余部分（33#~40#筒位），长度约为120m，此部分地质特点是淤泥层直接过渡到强风化花岗岩，岩面由北向南坡度变化较大，顶面高程由-8.5m~-32.0m。
另外，在本工程范围Z16（6#、7#筒位）、Z45（17#筒位）、Z73（27#、28#筒位），Z110（40#筒位）和Z113（41#筒位）钻孔均显示有块石夹层分布，施工时应先进行清除。
1.3.2设计水位
设计高水位：
3.27m;设计低水位：
0.56m；极端高水位：
4.35m；极端低水位：
-0.15m；施工水位：
1.29m。
1.3.3潮位
历史最高潮位：
4.26m；历史最低潮位：
-0.09m；平均高潮位：
2.68m；平均低潮位：
1.07m；平均潮差：
1.64m；平均涨潮历时：
5时45分；平均落潮历时：
6时45分。
1.3.4其他
风、浪、降雨等自然条件较好，对施工影响不大，统计资料和数据略。
2工程特点
2.1采用多台大型液压振动锤，通过同步器组成振动系统，振沉直径13.5m，高13m~34m，重82.412t~181.714t的钢圆筒在国内是首创，全世界亦无先例，故无现成的施工经验可借鉴，尚无同类的施工规范、规程和标准可参考，有许多的施工技术问题需要在实践中发现、研究、解决和总结。
2.2除美国APE公司外，世界上还没有第二家有制造多台液压振动锤同步振动系统的业绩，在理论上研究较成熟的不泛其一，故在工期紧迫的情况下，不可冒险另寻他家，即使要美国APE公司再造一套适合直径13.5m钢圆筒的同步振动系统，也使工期大大后拖，再则费用剧增，故决定租用美国为长江口航道整治试振沉钢筋混凝土圆筒并获得工艺成功的世界上第一套四台APE400型液压振动锤组同步振动系统，来完成本工程40个插入式钢圆筒的沉放工作。
但存在以下问题：
（1）四台APE400型振动锤组激振力能否将本工程钢圆筒顺利沉至设计标高，需要计算振沉钢圆筒壁的侧摩阻力是多少。
计算振动侧摩阻力在国内尚无同类设计规范，计算理论依据又不完备，且工期紧亦不可能花费大量时间进行试验和理论研究，需要解决计算振动摩阻力的方法；
（2）需要解决把振沉12m直径的钢筋混凝土圆筒的振动系统改造成振沉13.5m直径钢圆筒的振动系统；
（3）世界上第一套多台液压振动锤同步振动系统，虽然在上海振沉工艺是成功的，但毕竟是首次制造，四个试验筒五次振沉累计振动时间约10分钟，而该工程在复杂的地层上要振沉40个钢圆筒到设计标高能否全部完成；
1.4本工程地质复杂，要解决钢圆筒穿越1.6m~10.6m不等的夹砂层和在6个钢圆筒处有直径5cm~30cm,层厚0.4m~6.3m不等的块石夹层的技术措施。
3振动系统设备及其组成
3.1振动锤及其配套设备
振动锤系统设备如表3.1
振动锤系统设备表3.1
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
APE900
套
4
11×4=44
每套含一台CAT3412
EDITA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
同步轴
6
监测系统
套
1
7
支承架
套
1
35
支承梁、共振梁
8
吊架
套
1
21
9
吊架钢丝扣
套
1
6
3.2振动锤系统的组成
原振动锤系统设备的组成见图3.2。
3.3振动锤、动力柜及夹头的主要技术性能
3.3.1振动锤（每台）
偏心力矩
150kg.m
振动频率
40~1400cpm（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
3.3.2动力柜（每套）
动率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×2083
mm×2440mm
图3.2振动锤系统组成图
液压油箱容积
2422升
3.3.3液压夹头（每套）
夹头压力
220KN
最大压强
5000psi（344bar）
夹齿尺寸
172mm（垂直方向）×230mm（水平方向）
3.4振动锤系统的改制
3.4.1改制方案的选择
长江口航道整治二期实验工程直径12m的钢筋混凝土大圆筒采用的是四台美国APE400型液压振动锤组成的振动系统，也是世界上唯一的一套液压振动锤系统，把它改制成适应该工程直径13.5m钢圆筒的振动系统，使之成为振沉大直径钢圆筒的唯一设备，改制成功与否，关系万分重大。
我们以严谨的科学态度，“精心设计，精心施工”，在技术可靠，工期必保和成本最低的原则下进行方案优化。
方案1：
本工程是设计施工总承包，我们可以把直径13.5m的钢圆筒改为直径12m的钢圆筒，以适应原振动系统，这是最为直接简便的方法，但经反复计算筒体不稳定而不能如愿；
方案2：
做一过渡型圆台钢锥体，上口直径12m，下口直径13.5m，液压夹具卡上口，下口用法兰螺栓将钢圆台锥体和钢圆筒紧密连接，但经细化后，一则1.5m~2.0m高的铸钢体结构复杂，费用高，二则振沉每一个钢圆筒要人工去水上拧紧210~230个螺栓，螺栓全部对位难，时间长，工作环境（有时在水位以下）差，故不得不放弃；
方案3：
更换原支承架（梁），锤距、同步轴不变，重新加工一个适应直径13.5m的支承架。
原支承架高0.935m，在振沉12m直径钢筋混凝土圆筒时发现刚度不够，故新支承梁增高至1.4m，经计算锤作用中心到液压夹头中心88.9cm的悬臂端有2.8mm~3.5mm的变形，将锤系统的振幅大部分吸收掉，而无法穿过较厚的夹砂层，显然还是支承梁的刚度不够，当然还可以继续加高和加强，但现有的加工设备又受到限制；
方案4：
在原支承梁下辅一适应13.5m直径高1.4m的支承梁。
原支承梁以上一切不变，只是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一起，绝对形成一个整体。
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。
振沉40个钢圆筒实践证明，该方案是非常成功的。
3.4.2新支承架的的制作及组装
3.4.2.1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架上的组装位置，绝对准确；
（2）原新支承架必须牢固联为一体；
（3）原支承梁上不得焊接任何构件，以防变形。
3.4.2.2新支承架的制作
据以上设计原则，设计的新支承架制作图见图3.4.2.2。
新支承架制作难点：
（1）外轮廓尺寸14.68m×14.68m，梁重68t，属特超机加工大件，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、原支承架连接有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32条；另外，在新支承架梁端安装8个液压夹头需钻孔96个。
要保证152条螺栓和96个孔一次连接成功，难度极大。
为此设计制作了一套详尽的制作工艺和公差要求，制作时，严格执行。
制作工艺和公差要求见附件1。
3.4.2.3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逐个关键尺寸和平整度进行检测，验收合格后与原支承梁进行组装。
主要工序为：
（1）在原、新支承架上把液压夹头和连接螺栓编号；
（2）做一钢排，其上按2个液压夹头（一个锤下有两个液压夹头）相对尺寸，做一限位并能调节平面位置的夹头胎具，并吊放在原支承架下一组液压夹头处；
（3）逐个松掉液压夹头螺栓，将液压夹具按理论尺寸固定在底胎具内；
（4）依次对号吊放钢排在新支承架下，用螺栓将液压夹头固定在新支承梁上；
（5）4组液压夹头分别组装后，用500t起重船吊原振动系统于新支承梁上，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，在新支承架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、反复几次可使原、新支承架上下左右紧贴在一起，152个螺栓孔对中，连接152条螺栓，并逐个拧紧；
（6）液压夹头与锤连接的32条油管按新支承架增长后的尺寸重新布置连接。
由于设计合理，制作工艺精细，组装顺序正确，原、新支承架152条螺栓一次连接成功，实为惊人之举，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，连说：
“我们国内加工不了这么庞大精细的梁。
您们用后，卖给我们吧！
”新支承架组装后的振动系统见图3.4.2.3番禺4台液压振动锤系统图
3.54台APE400液压振动锤组用在本工程激振力的复核
改制长江口航道整治二期实验工程所采用的四台美国APE400型液压振动锤组成的振动系统，用于番禺南沙蒲洲堤岸工程振沉钢圆筒，前提是，振动锤组的激振动力FR应大于钢圆筒壁的摩阻力FV，振动体系的振幅A应大于钢圆筒穿越各土层的振幅。
3.5.1激振力的校核
图3.4.2.3番禺4台液压振动锤系统图
振动钢圆筒的振动侧摩阻力如何计算，目前国内尚无同类的设计规范，计算理论依据又不完备，还没有类同工程可参考，且工期紧亦不可能花费大量时间去进行试验和理论研究，为确保工程在技术可靠经济合理和工期保证的顺利进行，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、荷兰好时公司等厂家的技术人员，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3.5.1。
不同计算方法动摩阻力汇总表表3.5.1
方法
日本
法国PTC公司
美国ICE公司
荷兰好时公司
苏联
国内
动
阻
力
（t）
筒
号
经验公式
电算
压桩系数法
番禺联合码头压沉系数法
公路桥涵规范
弹性系数法
综合（压桩系数弹性系）系数法
4#
578.107
799.339
1007.166
281.619
1088.234
1671.385
537.419
1268.87
413.07
1002.831
32#
530.423
588.2
1037.985
1027.521
227.339
1659.224
1333.46
1036.332
2732.917
642.63
800.076
美国4台APE400液压振动锤组，每个锤的激振力为320.3t，因此FR=4×320.3=1281.2t>Fv=800t~1000t。
本工程单个钢圆筒最重W=181.714t，（1.2~1.4）W=218.0577~254.40t，那么FR=1281.2t>（1.2~1.4）W=（1.2~1.4）×181.714=218.057t~254.40t.
3.5.2振幅校核：
振动系统振幅A=（2×偏心力矩）÷振动体系重量（3.5.2）
4个APE400偏心力矩4×150kg.m=600kg.m
振动体系重量：
振动锤系统重量
W锤=振动锤-减振体+同步轴+原、新支承梁+夹具+锤、夹具间油管
=（17×4-5）+2+（35+68）+24+2
=194t
钢圆筒重W筒=181.14t
振动体系总重W=W锤+W筒=375.714t
将以上数据代入（3.5.2）式，那么
A=2×600×1000÷375.714×1000=3.2mm
钢圆筒要穿过10.6m厚的夹砂层，据国内外大量资料统计，水上振动砂振幅在2mm，该振动系统振幅A=3.2mm>A砂=2mm。
经对锤组激振力和振幅计算复核，4台APE400型液压振动锤组成的振动系统，满足该工程振沉工艺要求。
3.6动力柜的布置
长江口航道整治二期实验工程是用1000t起重船吊振钢筋混凝土圆筒体系的，起重船甲板面积大，四台动力柜直接布置在甲板上，进出动力柜油管符合直通前方要求；而番禺南沙蒲洲堤岸工程振动体系总重量P=P锤体系+钢圆筒=226t+181.714t=407.714t，确定用500t起重船，四台动力柜无法在甲板面上布置，需增加一条安放四台动力柜的方驳，这不仅增大工程成本，而且油管布设困难。
为此，还在500t起重船甲板面上采取措施，把4台动力柜布置固定在500t起重船上。
500t起重船前部扒杆底座后部与副钩搬机架之间净距4.6m左右，略小于动力柜外形，由于扒杆底座约10m高，且为约30o角的倾斜，而且，扒杆底座和副搬机架全都布置有爬梯，见图3.6.a，
图3.6a
将扒杆底座下部约1.2m和搬机架下部3.5m处的爬梯暂时切下集中存放，然后再把动力柜下部制作一个约1.1m高的支架，将动力柜架起来，这样动力柜躲开了机舱呼吸孔，各动力柜之间所连接的Ф110液压油联通管也躲开了船上的4#锚机（4#锚机总高1.3m，动力柜架起来后油压联通管的中心高度为1.6m），再者扒
杆底座后部为斜坡形，当动力架高1.1m，且又将搬机架和扒杆底座后部的爬梯去掉，这样正式安装动力柜的位置就扩大将近1m，动力柜位置已无问题。
暂时切掉的爬梯，工程完后恢复。
图3.6b
动力柜之间的油管从沈阳橡胶厂特制符合美国标准的2根1.9m和1根9.3m的液压输送管，还用美国原来的联接卡头与接头。
制作四个1.8m×4.7m×1.1m动力柜支座，焊接固定在甲板面上。
经采取措施后，四台动力柜布置固定在500t甲板上，不仅省去一条专存放动力柜的驳船，降低了费用，而且油管布设方便，符合直通前方锤油路的要求。
动力柜布置见图3.6b。
3.7高压油软管的布设
3.7.1油管集束架的功能
从动力柜引出到振动锤的20根，每根长101.4m
，总重8t的高压软管，固定在一个半弧形的吊架上，称这个吊架为油管集束架。
其功能是：
（1）油管集束架在施工中是活动的，借助于安装在500t起重船扒杆上一定高度的滑轮，可上升、下降以满足在吊钢圆筒时，船高加筒高再加锤高为43m；同时还保证钢圆筒振沉后离原水面只有3m的变化幅度；
（2）保证油管在3m~43m的运动高程变化中，所有20根油管的任何部位的自由弯曲半径均不得小于0.6m（因弯曲半径<0.6m高压油管将可能发生破坏）；
（3）为保证锤组与动力柜的动力联接，还得保证整束高压油管吊起后，油管下端的20个快装接口应始终保持在一个水平面上；
（4）为保证在振沉过程中，油管在3m~43m之间不断变化的任何部位不能小于0.6m的弯曲半径，集束架应具备随时改变角度的功能。
3.7.2集束架的设计、制作
照片3.7.2
为达到以上功能，确定了高压油管垂直于集束架轴线布置方案，设计制作图见图3.7.2。
集束架使用效果良好，虽然不是振动系统大型设备，但却是振动系统必不可少的装置，必须解决油管的布设，实现以上每个功能，每个细小环节都饱含技术独特创新，故非常实用，解决了20根油压管的布设，方便了施工，呈现了现场振动系统布设整洁、利索、有序的文明施工景观。
见工作照片3.7.2。
3.8新的振动系统改制完成
在核算四台APE400型液压振动锤组激振力和振幅满足番禺南沙蒲洲海护岸工程插入式钢圆筒振沉条件后，在原支承架下面辅加一振沉直径13.5m钢圆筒支承架，增大刚度；采取措施在较为狭窄的500t起重船甲板上布置固定四台动力柜；联接动力柜之间的耐压油管重新制作；锤到液压夹具油管重新制作联接；油管集束架在500t扒杆顶部重新布设。
改制完成后新的振动系统安放在已焊接液压锤底座的87#1000t方驳上，至此新的振动锤系统改制完成。
见3.8照片。
440个直径13.5m钢圆筒的振动沉放
4.1振沉前的准备
4.1.1补勘孔位，探明筒位地质
为确保每个钢圆筒顺利振沉，必须对每个钢圆筒范围内的地质了如指掌，故不能单按从《港口工程地质勘察规范》（JTJ240-9）去布钻孔，应在筒
照片3.8改制后新的振动锤系统
壁纵横轴线处各钻孔一个，即每个筒有四个钻孔柱状图，本工程在原先投标地质钻孔的基础上，又二次补钻孔，第
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