歐陽(yáng)小森 蘭金平 中交四航局第三工程有限公司

1.引言

尼日利亞某近海項(xiàng)目是建造一座棧橋，作為海底輸油管道的登陸通道，該棧橋?yàn)楦邩读喊迨浇Y(jié)構(gòu)。采用直徑為Φ1000mm的鋼管樁作為基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)為40～42m，設(shè)計(jì)樁尖標(biāo)高為-32～-30m，沉樁區(qū)域的泥面標(biāo)高為-6.0～+2.0m。

我國(guó)目前的沉樁定位主要依賴定位導(dǎo)向架以及打樁船來(lái)實(shí)現(xiàn)。陸上沉樁的工藝流程一般是先施打錨樁，其次是將定位導(dǎo)向架安裝在錨樁上，最后加以固定。水上沉樁的工藝通常有兩種，一是通過(guò)筑島或搭設(shè)臨時(shí)棧橋等方式形成施工平臺(tái)，在平臺(tái)上安裝定位導(dǎo)向架；二是利用打樁船進(jìn)行拋錨定位沉樁。然而在淺水區(qū)域沉樁時(shí)，如果通過(guò)筑島或搭設(shè)臨時(shí)棧橋形成陸上施工條件，再使用定位導(dǎo)向架進(jìn)行沉樁，則樁尖容易受長(zhǎng)周期波影響，不利于樁基的精確定位。如果采用打樁船進(jìn)行沉樁施工，在水深小于船舶吃水深度的區(qū)域不具備打樁船進(jìn)入施工的條件。因此，研制一套既適用于淺水區(qū)域施工，又能保證沉樁精度的定位裝置，至關(guān)重要。

2.項(xiàng)目背景

尼日利亞某近海項(xiàng)目屬于某煉油廠的配套工程，主要功能是作為煉油廠海上輸油管道的登陸通道。該項(xiàng)目鋼管樁數(shù)量共計(jì)78根，全部是直樁，鋼管樁的直徑為Φ1000mm，采用S355JOH型鋼（Q345B），其中42m樁長(zhǎng)的鋼管樁20根，40m樁長(zhǎng)的鋼管樁58根。該項(xiàng)目的鋼管樁，其中有70根位于水深為0-6m的淺水區(qū)域，8根位于岸灘上，常規(guī)打樁船無(wú)法滿足施工需求。為滿足沉樁需求，本項(xiàng)目充分利用現(xiàn)有的型鋼和貝雷片，建設(shè)了一座臨時(shí)鋼棧橋作為施工作業(yè)平臺(tái)，采用150T履帶吊輔以振動(dòng)錘和沖擊錘進(jìn)行鋼管樁定位和沉樁施工。

然而傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架適用于陸上施工，在海上施工存在定位困難，精度低等缺點(diǎn)，樁位和垂直度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目鋼管樁最大樁長(zhǎng)為42m，為滿足穩(wěn)定性要求，則定位導(dǎo)向架高度需≥L/3=14m（L為樁長(zhǎng)），存在高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，傳統(tǒng)定位導(dǎo)向架的工藝特點(diǎn)如表1。

表1 定位導(dǎo)向架的工藝特點(diǎn)分析

3.研制內(nèi)容

“鋼管樁沉樁定位裝置”共有三種研制思路，分別是：鋼護(hù)筒+固定式滾輪裝置，鋼護(hù)筒+階梯調(diào)整式滾輪裝置，鋼護(hù)筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置。通過(guò)從有效性、經(jīng)濟(jì)性、操作性、工序等四方面進(jìn)行綜合分析，決定采用鋼護(hù)筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置。該定位裝置主要由1個(gè)鋼護(hù)筒和4個(gè)相互垂直分布的導(dǎo)向筒組成。每個(gè)導(dǎo)向筒內(nèi)有金屬滑塊，滑塊外側(cè)與螺桿相連接，滑塊內(nèi)側(cè)與鋼滾輪連接。該裝置的工作原理是通過(guò)螺桿的旋進(jìn)和旋出，帶動(dòng)滑塊內(nèi)外移動(dòng)，以此來(lái)調(diào)整鋼護(hù)筒內(nèi)鋼管樁的位置。該裝置如圖1所示。

圖1 鋼護(hù)筒+連續(xù)調(diào)整式滾輪裝置平立面圖

為保證鋼護(hù)筒在臨時(shí)鋼棧橋上具有充分的穩(wěn)定性，需在鋼護(hù)筒外側(cè)用工字鋼焊接井字架作為支撐。井字架與鋼棧橋以及鋼護(hù)筒分別焊接牢固，井字架能夠?qū)ψo(hù)筒進(jìn)行定位和固定，使定位裝置更好的發(fā)揮定位作用。

4.裝置的應(yīng)用和結(jié)果分析

4.1 裝置的應(yīng)用

在沉樁施工前通過(guò)測(cè)量放樣在臨時(shí)鋼棧橋上標(biāo)記出鋼管樁的樁芯坐標(biāo)位置，以樁芯為圓心，以鋼管樁的半徑略微大100mm為半徑在橋面上畫(huà)出一個(gè)圓。將圓內(nèi)部分割除后，用履帶吊將鋼護(hù)筒吊起放置到圓孔內(nèi)，慢慢下放至泥沙里不再下沉?xí)r停止。由2名測(cè)量員從互呈90度夾角的2臺(tái)全站儀上分別同時(shí)觀測(cè)鋼護(hù)筒的垂直度和樁位，通過(guò)履帶吊以及操作人員互相配合的方式調(diào)整鋼護(hù)筒，當(dāng)鋼護(hù)筒垂直度不超過(guò)1/50、中心位置偏差不超過(guò)100mm時(shí)，采用履帶吊吊起振動(dòng)錘，將鋼護(hù)筒施打至合適的標(biāo)高。為保證鋼護(hù)筒的穩(wěn)定性，將由工字鋼拼接而成的井字架與橋面及鋼護(hù)筒焊接牢固。

鋼管樁沉樁時(shí)，采用履帶吊將鋼管樁吊入鋼護(hù)筒內(nèi)，自由下放至泥沙里不再下沉?xí)r停止。同樣由2名測(cè)量員從互呈90度夾角的2臺(tái)全站儀上觀測(cè)鋼管樁的垂直度和樁位，通過(guò)旋進(jìn)或旋出螺桿，調(diào)整鋼管樁的垂直度和樁位，當(dāng)鋼管樁滿足精度要求后，用履帶吊和振動(dòng)錘（或沖擊錘）將其施打到位。在施打過(guò)程中，測(cè)量員需實(shí)時(shí)監(jiān)控鋼管樁的垂直度和樁位偏差，當(dāng)偏差超過(guò)一定范圍時(shí)，可以在不停錘的狀態(tài)下通過(guò)調(diào)整螺桿的方式調(diào)整鋼管樁的垂直度和樁位偏差。

4.2 應(yīng)用結(jié)果分析

研制的鋼管樁沉樁定位裝置在完成78根鋼管樁沉樁施工中，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，垂直度偏差最大值為1/192，最小值為1/829，平均值為1/463；樁位偏差最大值45mm，最小值20mm，平均值29mm。沉樁精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求的樁位偏差100mm，垂直度偏差1/50。垂直度和樁位偏差分布情況如圖2、圖3所示。

圖2 鋼管樁的樁位偏差統(tǒng)計(jì)圖

圖3 鋼管樁的垂直度偏差統(tǒng)計(jì)圖

5.經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和社會(huì)效益

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

鋼管樁沉樁施工完成后，將傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架方案與研制的鋼管樁沉樁定位裝置方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，分析結(jié)果如下所示。對(duì)比分析的施工內(nèi)容僅限為沉樁定位裝置的制作和鋼管樁沉樁施工前準(zhǔn)備過(guò)程，而鋼管樁沉樁施工過(guò)程不受沉樁定位方案的影響，因此不納入分析范圍。材料和人工價(jià)格為2019年尼日利亞拉各斯地區(qū)的單價(jià)折合成人民幣的單價(jià)。

（1）節(jié)約制作成本。傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架的制作，需12根15m長(zhǎng)36a#工字鋼立柱，12根10m長(zhǎng)36a#橫梁，工作平臺(tái)需4根10m長(zhǎng)的36a#縱橫梁，以及1塊100m的壁厚20mm鋼板，考慮岸灘上施工時(shí)需施打4根長(zhǎng)10m φ600輔助樁。制作過(guò)程需要至少6個(gè)焊工花費(fèi)4個(gè)工時(shí)，經(jīng)計(jì)算，材料和人工費(fèi)為435434+9600=445034元。

而該沉樁定位裝置的制作，需1個(gè)φ1200mm，壁厚14mm長(zhǎng)12.8m的鋼護(hù)筒，1個(gè)井字支撐結(jié)構(gòu)，4個(gè)定位滾輪裝置，考慮岸灘上施工時(shí)需搭設(shè)6m×4m平臺(tái)，需36a#工字鋼16m，28#槽鋼65m。制作過(guò)程4個(gè)焊工花費(fèi)2個(gè)工時(shí)，經(jīng)計(jì)算，材料和人工費(fèi)為92995+3200=96195元。

經(jīng)對(duì)比可知，在裝置的制作方面，該沉樁定位裝置比傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架節(jié)約成本為445034-96195=348839元。

（2）節(jié)約沉樁成本。利用傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架進(jìn)行沉樁，一根鋼管樁大約需要4個(gè)小時(shí)，需要6名普工，2名焊工，1名司索工，1名吊機(jī)手，以及1臺(tái)150T履帶吊。經(jīng)計(jì)算，完成78根鋼管樁沉樁成本為（392+4500）×78=381576元。

而利用新研制的沉樁定位裝置僅需1個(gè)小時(shí)，4名普工，2名焊工，1名司索工，1名吊機(jī)手，以及1臺(tái)150T履帶吊。經(jīng)計(jì)算，完成78根鋼管樁沉樁成本為（192+1125）×78=102726元。

經(jīng)對(duì)比可知，在沉樁施工方面，該沉樁定位裝置比傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架節(jié)約成本為381576-102726=278850元。

綜上，通過(guò)使用新研制的鋼管樁沉樁定位裝置，完成78 根鋼管樁沉樁施工共節(jié)約成本為348839+278850=627689元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

5.2 技術(shù)效益

傳統(tǒng)的鋼管樁沉樁所用的定位架一般具有尺寸大、重量大、工效較低等缺點(diǎn)，在淺水區(qū)施工時(shí)樁尖容易受涌浪影響，造成定位困難。然而新研制的鋼管樁沉樁定位裝置，不僅尺寸小、重量輕、工效得到提高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了鋼管樁樁尖受涌浪影響，有效地提高施工效率和質(zhì)量。該裝置已于2019年獲得國(guó)家實(shí)用新型專利。

5.3 社會(huì)效益

該鋼管樁鋼管樁沉樁定位裝置制作簡(jiǎn)單，成本低，安全風(fēng)險(xiǎn)小，顯著地提高了鋼管樁沉樁施工的正位率和垂直度，解決了在淺水區(qū)域采用傳統(tǒng)的定位導(dǎo)向架進(jìn)行鋼管樁沉樁施工的效率低、成本高、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。尼日利亞某近海項(xiàng)目應(yīng)用該沉樁定位裝置，不僅節(jié)約了項(xiàng)目成本，而且也提前40天完成了業(yè)主要求的帶纜樁施工節(jié)點(diǎn)任務(wù)，獲得了業(yè)主的感謝信，為公司創(chuàng)造了良好的社會(huì)信譽(yù)。

6.結(jié)論

與傳統(tǒng)的沉樁定位技術(shù)相比，新研制的鋼管樁沉樁定位裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠快速地對(duì)鋼管樁進(jìn)行定位，工序簡(jiǎn)單，效率高，更加安全且節(jié)約成本。不僅解決了淺水區(qū)域鋼管樁沉樁定位的工藝難題，而且沉樁精度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。本文通過(guò)介紹尼日利亞某近海項(xiàng)目中沉樁定位裝置的研制和應(yīng)用，為類似淺水區(qū)域鋼管樁沉樁施工提供了可供借鑒的思路和方法。