董玉娟 李寶闖

摘 要：本文重點(diǎn)圍繞沉樁定位過(guò)程中影響船舶運(yùn)動(dòng)因素進(jìn)行分析，找出船舶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律、施工需求，提出了“分方向定位法”，該方法在滿足碼頭施工沉樁的精度情況下，較大幅度提升了沉樁效率，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用該方法具有簡(jiǎn)單易操作經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的特點(diǎn)，值得推廣。

關(guān)鍵詞：船型壓載 波浪 風(fēng) 水流 錨纜布置 分方向定位法

中圖分類號(hào)：TV331 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0044-03

樁基工程是高樁碼頭的重要組成部分，也是決定碼頭施工效率與質(zhì)量的最重要環(huán)節(jié)；沉樁效率是制約高樁碼頭施工的重要因素，沉樁效率又受沉樁精度制約，要提高效率必須從定位精度著手，快速準(zhǔn)確的定位對(duì)提高施工效率具有重要意義，由此必須清楚的認(rèn)識(shí)影響船舶定位精度的因素，利用好這些因素，找到切實(shí)可行的沉樁定位方法，才能達(dá)到事半功倍的效果。本文就是通過(guò)研究影響船舶的因素，找到了分方向定位的方法，并在實(shí)際工程中加以應(yīng)用取得了較好效果。

1 概述

高樁碼頭沉樁定位的目的是將樁移動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整好方位角和傾角，并保證在后續(xù)施工直至沉樁結(jié)束的過(guò)程中不發(fā)生超過(guò)設(shè)計(jì)和規(guī)范允許的偏差。由于海上施工的特殊性，打樁船始終處于不停的運(yùn)動(dòng)之中。因此，定位的目的是使得樁在預(yù)定樁位附近的小范圍以內(nèi)發(fā)生運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生較大的偏差，并保證下樁以后實(shí)際位置不超出設(shè)計(jì)和規(guī)范的允許范圍。

在定位過(guò)程中，樁固定在打樁船的龍口中，龍口的運(yùn)動(dòng)即樁的運(yùn)動(dòng)，而龍口的運(yùn)動(dòng)又是打樁船運(yùn)動(dòng)的一部分。因此，樁定位的過(guò)程實(shí)際上是打樁船的定位過(guò)程。由運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)知識(shí)可以知道，運(yùn)動(dòng)分為位移和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種，在打樁船上主要體現(xiàn)在位置的移動(dòng)和搖動(dòng)。施工過(guò)程中定位的目的就是讓打樁船的移動(dòng)和搖動(dòng)均保持在允許的范圍之內(nèi)。因此，要想較好的利用船舶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就必須從影響船舶運(yùn)動(dòng)的因素——船型、壓載、波浪、風(fēng)、水流、纜繩布置等進(jìn)行研究，找出切實(shí)可行的方法，才可能進(jìn)一步提高施工效率。

2 船舶運(yùn)動(dòng)影響因素

影響打樁船定位時(shí)運(yùn)動(dòng)的主要因素有船型、壓載、波浪、風(fēng)、水流、纜繩布置幾種，下面對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1 船型及壓載

以一打樁船為例，該船型長(zhǎng)69.4 m，型寬26.0 m，滿載吃水1.8～2.6 m，滿載排水量3128.1 t，樁架最高點(diǎn)距離滿載水線的高度為95 m。船型的影響因素主要體現(xiàn)在船舶的浮游穩(wěn)定性上。在沉樁工作中，船舶的晃動(dòng)幅度較小，因此，可以用以下公式計(jì)算其定傾半徑。

其中，為船體浮面對(duì)中性軸的慣性距，為船內(nèi)各倉(cāng)壓載水（油）等液態(tài)物體液面面積對(duì)中性軸的慣性距，為排水體積。

此處，再引入另一參數(shù)為船舶重心與浮心的高差，正值表示重心高于浮心，負(fù)值表示浮心高于重心。那么船舶在施工過(guò)程中的定傾高度為。

由上可知，影響船舶浮游穩(wěn)定的主要因素是船舶的重心高度和浮面尺寸（近似于船體外輪廓尺寸）。因此，在船舶設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足其他條件的同時(shí)應(yīng)使船舶的定傾高度盡可能大。在壓艙水不變的情況下，同等重量的船舶在船體尺寸相同時(shí)，具有同樣的浮心高度和排水體積。這種情況下如果船舶的重心越低，那么船舶的定傾高度值也就越大，船舶在水中便越平穩(wěn)。這也便解釋了為何自改打樁船和樁架加高的打樁船抗風(fēng)浪能力降低的問(wèn)題。船舶壓載分為液態(tài)壓載和固態(tài)壓載兩種。壓載量的大小對(duì)定傾半徑的影響遠(yuǎn)小于對(duì)值的影響。因此，提高船舶壓載量也有利于提高船舶的浮游穩(wěn)定性。

2.2 波浪

式中，H為波高，T為波浪周期，k為波數(shù)，x、z為質(zhì)點(diǎn)在以靜水面上波浪前進(jìn)方向?yàn)闄M軸垂直方向?yàn)榭v軸的坐標(biāo)軸坐標(biāo)，為波浪運(yùn)動(dòng)的角頻率，t為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

其中，水平分速度是船體受到水平波浪力的主要原因。由于此處只需要研究波浪的作用方式，因此，不再詳細(xì)計(jì)算波浪力的大小，將其用一個(gè)包含余弦函數(shù)的參數(shù)值表示為。

質(zhì)點(diǎn)的豎直分速度的最直接標(biāo)志就是水面的上下波動(dòng)，這種情況下，船體所受的浮托力也因波浪作用分布不均，造成船體的搖動(dòng)。此處將浮托力表示為一個(gè)含有正弦函數(shù)的參數(shù)，其中為靜水浮力，由于波浪引起的浮托力不能為向下，當(dāng)<0時(shí)，取=0。用圖2表示船體受力如下。

當(dāng)波幅、波長(zhǎng)較小時(shí)，船體受到的浮托力趨近于；當(dāng)波浪波幅較大、且波長(zhǎng)與船體尺寸相差不大時(shí)，船體因受力不均與發(fā)生較為嚴(yán)重的晃動(dòng)。

2.3 風(fēng)

風(fēng)作用在船舶的迎風(fēng)面上，使得船體發(fā)生移動(dòng)和搖動(dòng)。風(fēng)荷載大小為

式中，分別為風(fēng)荷載體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓，A為迎風(fēng)面積。

2.4 水流

水流力的大小為，其中為水流阻力系數(shù)，為水密度，為水流速度，A為迎水面投影面積。

2.5 錨纜布置

假定船上第根纜繩的拉力值為，布置角度為，在海平面上建立坐標(biāo)軸，將預(yù)定樁的方位角方向?yàn)檎齓方向，垂直向右為正X方向和角度零方向，角度順時(shí)針為正。那么纜繩錨固力的分量分別為，。由于纜繩在豎直方向作用很小，此處忽略不計(jì)。

2.6 綜合作用

綜上可以看出，波浪可以使船發(fā)生搖動(dòng)和移動(dòng)。風(fēng)由于作用范圍較大，同樣可以使船發(fā)生搖動(dòng)和移動(dòng)。而水流和錨纜的作用點(diǎn)由于距離中軸較近，主要影響船在水平方向的位移。

船舶設(shè)計(jì)之初，已經(jīng)考慮到船只的穩(wěn)定性，因此，一般海況條件下不會(huì)發(fā)生影響定位的橫搖或縱傾。當(dāng)橫搖和縱傾幅度較大時(shí)，出于安全考慮不再進(jìn)行沉樁作業(yè)。因此，研究船舶在水平方向的位置移動(dòng)才是保證施工質(zhì)量和提高施工效率的關(guān)鍵所在。

在前文所提的坐標(biāo)系中，假定水流方向?yàn)?，考慮到海上波浪主要為風(fēng)成波，認(rèn)為波浪前進(jìn)方向和風(fēng)向一致，角度為。那么船舶所受的合力分量為

3 施工方法及效果

3.1 分方向定位法

以往沉樁定位作業(yè)中，由于不清楚船舶運(yùn)動(dòng)規(guī)律，往往是船向什么方向運(yùn)動(dòng)就向另一個(gè)方向絞船，絞完以后發(fā)現(xiàn)效果不好便再向反方向絞船。而且過(guò)程中由于不知道船的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，經(jīng)常需要等船只穩(wěn)定下來(lái)才能發(fā)出下一步的命令，耗費(fèi)了大量時(shí)間。部分責(zé)任心不強(qiáng)的施工人員由于絞船時(shí)間較長(zhǎng)而出現(xiàn)施工疲勞，只待船位剛剛滿足要求后便選擇下樁，雖能滿足規(guī)范要求，往往由于下樁倉(cāng)促，沒(méi)有選擇正確的下樁預(yù)留量，給后期沉樁工序帶來(lái)不必要的麻煩，甚至造成損失，對(duì)整體施工效率都有較大程度的影響。

通過(guò)對(duì)沉樁影響因素的研究和分析，我們改變了以往傳統(tǒng)的沉樁定位程序，施工中首次采用分方向定位法進(jìn)行定位，效果良好。具體施工流程如下。

（1）根據(jù)施工海區(qū)最近的氣象情況，分析出施工近日的常風(fēng)向和波浪方向，合理布置錨纜位置，靈活利用船型和壓載，根據(jù)風(fēng)、浪、流的方向及時(shí)調(diào)整船舶駐位方向，在少絞船的情況下較快的到達(dá)預(yù)定位置，并盡可能讓各纜繩在船舶穩(wěn)定后所受拉力相差不大。

（2）開(kāi)始定位后，在將要達(dá)到預(yù)定樁位時(shí)，提前將船舶的方位調(diào)整好，將船舶快速移至沉樁的方位角上，使船舶方位角與樁的方位角快速保持一致，此時(shí)就只需要在船舶縱向進(jìn)行前后的調(diào)整，無(wú)需進(jìn)行橫向調(diào)整，讓船直線前后運(yùn)動(dòng)。

（3）調(diào)節(jié)左右纜繩的張力，保證船只在前進(jìn)過(guò)程中船艏不發(fā)生左右大范圍的移動(dòng)。

（4）船舶前進(jìn)過(guò)程中，保證后錨纜繩具有一定的拉力（操作臺(tái)有顯示），纜車停止后船只基本不再向前運(yùn)動(dòng)或前進(jìn)量很少。由于左右方向移動(dòng)不大，船只在前后向較容易達(dá)到預(yù)定位置，到位后鎖死錨機(jī)，此時(shí)前后方向已達(dá)到預(yù)定樁位。

（5）樁位到達(dá)預(yù)定位置，根據(jù)地質(zhì)情況，調(diào)整下樁預(yù)留量，少量修正樁位，使船達(dá)到預(yù)定樁位后下樁即可。

（6）下樁后，打開(kāi)抱樁器及索具，微調(diào)船位，使得鋼管樁與打樁船龍口平行即可開(kāi)錘。

3.2 施工效果

現(xiàn)以唐山港曹妃甸港區(qū)華能煤碼頭沉樁進(jìn)行說(shuō)明，華能碼頭屬于外海離岸無(wú)掩護(hù)施工條件，沉樁規(guī)范精度要求為：直樁為25 cm，斜樁為30 cm。選擇海況天氣人員配備基本相同的情況進(jìn)行說(shuō)明，以便將采用分方向定位法前后的變化進(jìn)行比較。

采用分方向定位前以某打樁船（配D138-32柴油錘）4月22日該碼頭施打的10根鋼管樁的情況為例進(jìn)行說(shuō)明（見(jiàn)表1）。

由表1看出，每根直樁由吊樁至開(kāi)錘的時(shí)間大約為35 min左右，斜樁40 min，為實(shí)際錘擊時(shí)間的2倍。由于錘擊時(shí)間是由地質(zhì)條件和錘型、樁型決定的，從施工的角度想有所提高困難較大，在吊樁直至開(kāi)錘的過(guò)程中提高效率和質(zhì)量是主要途徑。該過(guò)程主要有索樁、入龍口、戴替打、移船定位、下樁、解鎖具等幾道工序。其中除移船定位以外，均為固定流程的作業(yè)項(xiàng)目，我單位工人的熟練程度和配合默契度均已達(dá)到較高水平，在不使用新的工藝方法和器械的前提下繼續(xù)提升的空間不大。

采用分方向定位法施工后以7月16日在同一工程施打的11根樁進(jìn)行說(shuō)明，詳細(xì)情況見(jiàn)表2。已知7月16日與4月22日兩天海況條件相差不大，沉樁的樁型也基本相同，人員配備等也無(wú)較大變化。

（1）施工精度。

現(xiàn)在選取表1、2中橫向、縱向偏差的絕對(duì)值的平均值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)計(jì)算表1中橫向偏差絕對(duì)值的平均值為83.3 mm，縱向偏差絕對(duì)值的平均值為73.6 mm；表2中橫向偏差絕對(duì)值的平均值為52 mm，縱向偏差絕對(duì)值的平均值為62.6 mm；經(jīng)過(guò)比較采用分方向定位法后縱橫向偏差優(yōu)于改進(jìn)前，誤差小于改進(jìn)前，沉樁正位率好于采用該方法前，且精度有明顯提高。

（2）施工效率。

施工效率我們選擇吊樁時(shí)間至開(kāi)錘時(shí)間的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)項(xiàng)比較，經(jīng)過(guò)計(jì)算未采用分方向定位法前的表1每根樁平均時(shí)間為38分鐘，采用分方向定位法表2中吊樁至開(kāi)錘的平均時(shí)間為28 min，由此可以看出，采用分方向定位法平均時(shí)長(zhǎng)比未采用分方向定位法縮短了10 min。根據(jù)我們多年的施工經(jīng)驗(yàn)，外海施工以前平均施工效率為每天沉樁4根，月平均沉樁不超過(guò)120根，經(jīng)過(guò)改進(jìn)采用分方向定位法后我們每天平均沉樁可達(dá)5.5根。按每根樁沉樁費(fèi)用為1萬(wàn)元計(jì)算，我們每天多創(chuàng)造產(chǎn)值1.5萬(wàn)元，每個(gè)月可增加產(chǎn)值45萬(wàn)元。這僅僅是施工的直接成本，未計(jì)算打樁船、拖輪、運(yùn)樁駁等每天3.5萬(wàn)元的臺(tái)班費(fèi)用、燃油費(fèi)、人員工資等成本。以300根樁的碼頭為例，未采用分方向定位法前平均需要75天，采用后需要55天，可提前工期20天，僅臺(tái)班費(fèi)一項(xiàng)就可為企業(yè)節(jié)省費(fèi)用70多萬(wàn)元，加上燃油及人工費(fèi)用至少可節(jié)省百萬(wàn)元以上，由此看來(lái)該方法的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)沉樁定位過(guò)程相關(guān)影響因素的分析，找到了定位過(guò)程中船舶的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，針對(duì)該運(yùn)動(dòng)規(guī)律提出分方向定位法。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)用，該方法能夠在保證施工精度的前提下提高了施工效率，且該方法較容易掌握，因此具有較高的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，在多樁的碼頭及相關(guān)設(shè)施的沉樁工程中，該方法的時(shí)間價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值將會(huì)更加突出。

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