楊 磊，毛娟龍

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

1 工程概況

東海大橋是洋山深水港區(qū)必不可少的配套工程，是連接洋山深水港區(qū)與上海市唯一的陸路通道，其重要性不言而喻。近年來由于長江口入海沙量逐年減少，在水動(dòng)力變化不大的情況下，泥沙來源缺乏導(dǎo)致海床沖刷成為必然。在長江流域來沙不再補(bǔ)充的情況下，按正常的沖淤變化規(guī)律，杭州灣北口的泥沙不斷向南邊灘輸移淤積，導(dǎo)致東海大橋部分橋墩周圍發(fā)生較大的局部沖刷。沖刷坑長軸方向基本與大橋軸線上下游方向(即漲落潮流方向)一致，沖刷坑長200～300m，橋墩南、北兩側(cè)沖刷坑寬度為50～80m，基本上均處在觀測水域?qū)挾?00m范圍內(nèi)。橋墩沖刷坑深度在4～7m，最深達(dá)11m，沖刷最嚴(yán)重的橋墩最深處泥面達(dá)到-29.2m。按目前狀況，有部分橋墩樁基應(yīng)力的安全系數(shù)已接近其安全警戒范圍，還有部分樁基礎(chǔ)軸向已超過設(shè)計(jì)承載力，需采取必要的工程維護(hù)措施確保大橋結(jié)構(gòu)安全，阻止橋墩樁基進(jìn)一步?jīng)_刷。

由于國內(nèi)外類似跨海大橋橋墩防沖刷保護(hù)的案例及經(jīng)驗(yàn)較少、工程實(shí)踐也較缺乏，大范圍防護(hù)工程正式實(shí)施前需進(jìn)行防護(hù)試驗(yàn)，以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。

防護(hù)試驗(yàn)工程防護(hù)范圍：墩號為PM135～137，PM434，PM435，PM437，PM438號，共7個(gè)橋墩。東海大橋下部基礎(chǔ)一般采用高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)和圓形鋼管樁，本次試驗(yàn)工程各橋墩樁基數(shù)量、墩臺(tái)直徑及相鄰橋墩間的跨度如表1所示。

表1 橋墩承臺(tái)、樁基結(jié)構(gòu)形式

設(shè)計(jì)方案為：沖刷坑核心區(qū)防護(hù)設(shè)計(jì)垂向布置自上而下依次為厚1.5m的袋裝混凝土干混料、厚2～3m的袋裝碎石，總厚度3～5m。其中，袋裝碎石作為反濾層，防止原沖刷坑底的淤泥及粉土底質(zhì)受紊流作用而被淘刷，袋裝混凝土干混料防止表面沖刷。本工程設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 東海大橋橋墩樁基防護(hù)結(jié)構(gòu)形式

2 主要技術(shù)難點(diǎn)

外?？绾４髽驑度簝?nèi)大范圍進(jìn)行回填防沖刷保護(hù)在國內(nèi)尚屬首例，無類似工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒，樁群內(nèi)袋裝碎石及混凝土干混料拋填施工技術(shù)難度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，主要有以下幾個(gè)方面。

1)惡劣的自然環(huán)境 東海大橋海域天氣變化復(fù)雜，受臺(tái)風(fēng)、冷空氣影響頻繁，全年可作業(yè)有效作業(yè)時(shí)間短。同時(shí)，該區(qū)域潮差變化大，平均潮差達(dá)3.2m，最大潮差達(dá)5.14m，漲落潮時(shí)流速較快，回填料拋填時(shí)必須避開急漲急落流，造成每天實(shí)際作業(yè)時(shí)間也較短，因此對拋填工藝的施工效率要求較高。另外，該海域水深較深，沖刷坑最低標(biāo)高普遍低于-25.000m，回填料拋填過程中受水流影響的偏移量及流失量較大。

2)現(xiàn)有樁基及墩臺(tái)的影響 東海大橋墩臺(tái)下部鋼管樁平面扭角、斜率各有不同，在樁群內(nèi)部進(jìn)行防沖刷保護(hù)在國內(nèi)尚屬首次，技術(shù)難度大。受承臺(tái)和樁群的影響，傳統(tǒng)的直溜筒或網(wǎng)兜拋石無法拋入沖刷坑核心區(qū)域。

3)橋面以下凈空高度的限制 由于施工船舶需進(jìn)入橋面以下施工，對橋面以下凈空高度進(jìn)行了實(shí)地勘察并統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

由表2可知，橋面至承臺(tái)頂凈空高度最小高度為8.88m。受此限制，沿海一帶運(yùn)輸船無法進(jìn)入橋下駐船，船用吊機(jī)不能在橋面以下自由變幅、安全施工。在風(fēng)浪影響下，易發(fā)生船用吊機(jī)臂碰撞船面上部結(jié)構(gòu)安全事故，需對現(xiàn)有船舶進(jìn)行限高改造，使其能滿足橋面以下安全施工的需要(見圖2)。

③ 王燕晶.“中國風(fēng)”歌曲流行現(xiàn)狀及其在對外漢語教學(xué)中的應(yīng)用[J].四川:四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)社會(huì)科學(xué)版第26卷第5期,2011.

表2 橋下凈空高度 m

圖2 現(xiàn)有橋梁跨度及橋面以下凈高限制

4)鋼管樁表面防腐涂料及犧牲陽極塊保護(hù)要求高 鋼管樁表面環(huán)氧樹脂涂料層及犧牲陽極塊在樁基防腐中起到?jīng)Q定性作用，拋填過程中不能對現(xiàn)有防腐涂層及犧牲陽極塊造成損傷，影響鋼管樁使用壽命。

3 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

由于目前國內(nèi)無專業(yè)的施工設(shè)備能斜向伸入復(fù)雜樁群內(nèi)沖刷坑核心區(qū)域進(jìn)行精確拋填施工，為此成立了課題研究小組，充分分析上述各種限制因素，確立了斜向溜筒拋石關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)目標(biāo)及研發(fā)內(nèi)容。

3.1 研發(fā)目標(biāo)

斜向溜筒拋石船能適應(yīng)橋面以下施工要求，錨纜系統(tǒng)適應(yīng)本工程施工區(qū)域內(nèi)風(fēng)浪條件。斜向溜筒能根據(jù)不同的水深情況及樁基間距伸入樁群內(nèi)部進(jìn)行精確拋填，拋填過程中受水流影響小、流失量<15%。喂料系統(tǒng)滿足橋面以下凈高要求，施工效率滿足施工進(jìn)度要求。定位監(jiān)控軟件能三維實(shí)時(shí)顯示斜向溜筒與任意鋼管樁的相對位置關(guān)系，通過三維顯示指導(dǎo)插樁作業(yè)，避免對樁基防腐涂層及陽極塊造成損傷。拋填過程中能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前位置的拋填標(biāo)高，拋填精度及質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。整個(gè)拋石機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)高度集成化、電氣化、自動(dòng)化，操作簡便、可靠。

3.2 研發(fā)內(nèi)容

斜向溜筒拋石船的研發(fā)內(nèi)容涵蓋了船舶改造、機(jī)械設(shè)計(jì)、操控軟件開發(fā)、監(jiān)控軟件研發(fā)、喂料系統(tǒng)選型等，涉及的專業(yè)多，投入大，研發(fā)難度大。為了降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，研究小組根據(jù)研發(fā)目標(biāo)細(xì)分了5個(gè)子課題，逐一進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，具體為：①施工船舶船型選擇、限高改造 對施工船舶船型進(jìn)行比選，同時(shí)對現(xiàn)有船舶進(jìn)行限高改造，使其能進(jìn)入橋面以下施工。同時(shí)，根據(jù)東海大橋海域風(fēng)大、流急的施工環(huán)境，對船舶的錨纜系統(tǒng)進(jìn)行加強(qiáng)，以提高其穩(wěn)定性。②斜向溜筒拋石機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過對斜向溜筒、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、行走臺(tái)車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具備臺(tái)車橫移、旋轉(zhuǎn)，溜筒具備伸縮及上下、左右變幅等功能。斜向溜筒可根據(jù)不同水位及樁基間距大小，通過臺(tái)車行走，溜筒旋轉(zhuǎn)及上下、左右變幅等動(dòng)作調(diào)節(jié)溜筒位置及深入樁群內(nèi)的長度及角度，能伸入樁群內(nèi)部進(jìn)行精確拋填。③操作控制系統(tǒng)研發(fā) 通過斜向溜筒拋石機(jī)構(gòu)操作控制系統(tǒng)研究，對整個(gè)系統(tǒng)的液壓控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成整個(gè)系統(tǒng)的電氣化操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。溜筒臺(tái)車行走、平臺(tái)旋轉(zhuǎn)、溜筒伸縮、變幅等所有機(jī)械動(dòng)作均整合至操作控制室的操作計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)電氣化遠(yuǎn)程精確控制。④三維姿態(tài)精確定位系統(tǒng)研發(fā) 通過對斜向溜筒水下三維姿態(tài)精確定位系統(tǒng)研究，開發(fā)斜向溜筒三維水下姿態(tài)監(jiān)控軟件，通過設(shè)置最小安全距離進(jìn)行碰撞危險(xiǎn)預(yù)警，確保拋石溜筒能安全伸入樁基內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)精確拋填的預(yù)期目標(biāo)；能實(shí)時(shí)監(jiān)測拋填標(biāo)高并記錄，確保拋填質(zhì)量。⑤喂料系統(tǒng)設(shè)計(jì) 喂料系統(tǒng)的輸送效率將直接影響拋填效率，通過對喂料系統(tǒng)工藝研究，喂料系統(tǒng)能滿足橋面以下連續(xù)送料的要求，施工效率>400m3/d。

3.3 主要技術(shù)成果

在研發(fā)過程中研究小組組織相關(guān)技術(shù)專家，通過頭腦風(fēng)暴法、專家意見法、PDCA循環(huán)等方法和手段，開展了模型演示、1∶1模型試驗(yàn)、船廠設(shè)備安裝、空載試驗(yàn)調(diào)試、典型施工總結(jié)、過程中喂料系統(tǒng)改進(jìn)等研究。斜向溜筒拋石船于2018年7月初完成研發(fā)改造，于2018年7月8日正式進(jìn)點(diǎn)，進(jìn)行典型施工及設(shè)備試運(yùn)行；整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)正常、運(yùn)行良好、操控系統(tǒng)完善，能按既定的操作完成拋填作業(yè)；軟件界面能導(dǎo)插樁操作，碰樁報(bào)警信息欄顯示精確，能警告操作人員避免碰樁操作；斜向溜筒能深入樁基群內(nèi)部，完成袋裝碎石拋填，溜筒頭部測深儀能獲得拋填標(biāo)高，檢測拋填效果；整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。主要技術(shù)成果如下。

3.3.1動(dòng)力系統(tǒng)及操作控制技術(shù)

斜向溜筒動(dòng)力部分由船用柴油發(fā)電機(jī)、4臺(tái)液壓油泵、各類液壓油缸、液壓機(jī)箱、液壓油管和閥組等組成。柴油發(fā)電機(jī)為液壓油泵提供電力，液壓油泵為各類液壓執(zhí)行元件提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)斜向溜筒完成各指定動(dòng)作。

圖3 PLC遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)界面

使用PLC控制器，可實(shí)時(shí)檢測各部件工作狀態(tài)并實(shí)時(shí)反饋，通過信息集成匯聚到專業(yè)操控軟件，操控人員對溜筒設(shè)備能直觀了解各部件工作狀態(tài)。

3.3.2定位監(jiān)控技術(shù)

定位監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備主要為2臺(tái)RTK GPS(全球定位系統(tǒng))、2臺(tái)雙軸傾斜儀、1臺(tái)單波束測深儀、2臺(tái)拉線儀及1臺(tái)激光測距儀。通過測量各動(dòng)作部件的三維相對關(guān)系，建立船體三維坐標(biāo)系，建立計(jì)算模型，通過軟件解算確定溜筒頭部的三維坐標(biāo)。通過導(dǎo)入整個(gè)施工區(qū)域內(nèi)所有橋墩數(shù)據(jù)建立三維模型，用于實(shí)時(shí)計(jì)算拋石筒和橋墩的最短距離，進(jìn)行碰撞預(yù)警。溜筒頭部設(shè)置測深儀，用于實(shí)時(shí)測量當(dāng)前拋填位置的泥面標(biāo)高(見圖4)。

圖4 斜向溜筒三維定位安裝系統(tǒng)軟件界面

在施工前導(dǎo)入沖刷坑拋填區(qū)域底圖，并將拋填范圍設(shè)置成2m×2m的網(wǎng)格。施工過程中操作人員根據(jù)窗口所反映當(dāng)前泥面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)整溜筒及行走臺(tái)車的位置，進(jìn)行逐個(gè)網(wǎng)格拋填。

3.3.3袋裝碎石及干混料喂料技術(shù)

2018年12月以前，斜向溜筒拋石船采用電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)進(jìn)行上料作業(yè)，工效為200m3/d。為提高施工效率，最后采用皮帶機(jī)連續(xù)供料。整個(gè)皮帶機(jī)喂料系統(tǒng)由3段皮帶機(jī)構(gòu)成，可將回填料輸送至斜向溜筒的進(jìn)料斗處。對皮帶機(jī)托輥角度優(yōu)化改進(jìn)，使得皮帶受力更均衡；利用張緊鼓輪外加配重靈活控制輸送皮帶的松緊度；該工藝能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料，施工效率遠(yuǎn)大于門式起重機(jī)的供料方式，目前平均工效達(dá)到500m3/d，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益(見圖5)。

圖5 優(yōu)化后的斜向溜筒拋石船

4 實(shí)施效果

4.1 效果分析

1)改造后整船高度5.5m，小于東海大橋橋下最小凈空高度8.8m，滿足東海大橋凈空高度要求。加強(qiáng)后的錨纜系統(tǒng)滿足7級以下風(fēng)浪在東海大橋水域施工安全。

2)通過對斜向溜筒、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、行走臺(tái)車機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其實(shí)現(xiàn)了溜筒伸縮、臺(tái)車橫移、旋轉(zhuǎn)上下變幅等功能，溜筒能伸入樁群內(nèi)部進(jìn)行精確拋填。溜筒由圓形截面改為上方下圓的截面形式后工作性更好。

3)操作控制系統(tǒng)高度整合，溜筒臺(tái)車行走、平臺(tái)旋轉(zhuǎn)、溜筒伸縮、變幅等所有機(jī)械動(dòng)作均整合至操作控制室的操作計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電氣化遠(yuǎn)程精確控制。

4)斜向溜筒三維水下姿態(tài)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)顯示溜筒與樁群之間的相對位置，超過安全距離可實(shí)時(shí)報(bào)警提示。施工過程中做到不碰撞東海大橋現(xiàn)有樁基、確保拋石溜筒能安全伸入樁基內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)精確拋填的預(yù)期目標(biāo)。溜筒頭部設(shè)有單波速測深儀，能實(shí)時(shí)監(jiān)測拋填標(biāo)高并記錄，確保了拋填質(zhì)量。

5)通過對喂料系統(tǒng)工藝研究，經(jīng)比選，最后采用皮帶機(jī)連續(xù)供料，該工藝能實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料，施工效率遠(yuǎn)大于門式起重機(jī)的供料方式，目前平均工效由原來的200m3/d提高到500m3/d，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

通過技術(shù)研究，本科技研發(fā)項(xiàng)目主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：①研發(fā)了行走臺(tái)車、斜向溜筒拋石機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同水位及樁基間距大小，通過臺(tái)車橫移、溜筒上下左右變幅、伸縮等動(dòng)作，調(diào)節(jié)溜筒位置及深入樁群內(nèi)精確拋填；②開發(fā)了專用的斜向溜筒拋石船操作軟件，液壓、電控等所有機(jī)械動(dòng)作由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化施工；③開發(fā)了專用的三維實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件，可實(shí)時(shí)顯示斜向溜筒與鋼管樁的相對位置和實(shí)時(shí)報(bào)警，溜筒頭部設(shè)置測深儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測拋填質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了可視化施工；④該成果已獲得實(shí)用新型專利7項(xiàng)、計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng)。

5 結(jié)語

本研究依托東海大橋橋墩樁基過度沖刷區(qū)域防護(hù)試驗(yàn)工程，成功研制了斜向溜筒拋石船，是目前國內(nèi)唯一適用于樁群內(nèi)沖刷坑回填材料拋填的專用設(shè)備。該成果在東海大橋橋墩樁基過度沖刷區(qū)域防護(hù)試驗(yàn)工程、東海大橋橋墩樁基過度沖刷區(qū)域防護(hù)應(yīng)急搶險(xiǎn)防護(hù)工程施工項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，解決了東海大橋橋墩樁基內(nèi)部回填料精確拋填的難題，保證了東海大橋試驗(yàn)工程的順利完工，也為類似橋梁工程、海上風(fēng)電基礎(chǔ)的防護(hù)問題提供工程經(jīng)驗(yàn)與設(shè)備保障。