摘 要：“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船打撈項(xiàng)目中需要精準(zhǔn)定位整體打撈框架，才能將整個(gè)古船及其周圍土壤封閉在沉船打撈框架系統(tǒng)內(nèi)，為此需要在古船四周安裝4根定位樁用于輔助打撈框架的就位。首先對(duì)定位樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行承載力和打樁分析；其次現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)施工方案完成定位樁安裝；最后經(jīng)過(guò)測(cè)量確認(rèn)定位樁安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求。本項(xiàng)目首次在沉船打撈作業(yè)中使用定位樁輔助精準(zhǔn)定位，定位樁的順利安裝為后續(xù)“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船的整體打撈框架的安裝奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)江口二號(hào)；沉船打撈；定位樁；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；安裝分析

中圖分類號(hào)：U655.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

2022年11月20日，我國(guó)水下考古發(fā)現(xiàn)的體量最大、保存最為完整、船載文物數(shù)量巨大的木制帆船“長(zhǎng)江口二號(hào)”整體打撈出水，標(biāo)志著我國(guó)在水下考古技術(shù)領(lǐng)域的新突破和創(chuàng)新。[1]本次“長(zhǎng)江口二號(hào)”整體打撈借鑒了隧道及地下工程領(lǐng)域管幕法的思想，量身定做了沉船打撈框架系統(tǒng)、導(dǎo)向架推進(jìn)裝置及其配套的行星三刀盤頂管機(jī)來(lái)配合完成22根弧形管節(jié)的安裝，將沉船與周圍的地層隔離并整體起吊。[2]打撈框架由端板和縱梁系統(tǒng)組成，需要精確安裝至沉船位置，將沉船限制在框架范圍內(nèi)，保證后續(xù)管節(jié)安裝時(shí)能將古船完整包裹在其內(nèi)部，如圖1所示。

為了精準(zhǔn)安裝沉船打撈框架系統(tǒng)，需要在沉船四周安裝四根定位樁，打撈框架則依靠端板上的導(dǎo)向筒沿定位樁下沉至目標(biāo)位置，當(dāng)弧形管節(jié)安裝完成后需要對(duì)其進(jìn)行移除。鋼管樁在海洋工程中使用最廣，其具有自重輕，規(guī)格多樣，抗拉和抗彎承載力高，沉樁性能好，運(yùn)輸方便，對(duì)打樁船起吊能力要求低等優(yōu)點(diǎn)，[3]且具有使用后可便于回收的特點(diǎn)，其十分合適用于打撈框架系統(tǒng)的定位樁。

本文將詳細(xì)介紹“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船打撈框架定位樁的設(shè)計(jì)及其安裝方法，為其他類似工程提供參考。

1 定位樁及安裝設(shè)計(jì)

1.1 定位樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船所在海域水深約10 m，海底地質(zhì)為黏土，考慮到打撈框架的尺寸限制，定位樁的直徑也不能太大。通過(guò)研究討論確定定位樁直徑為1.5 m、上段和入泥段壁厚30 mm、過(guò)渡段壁厚50 mm、樁長(zhǎng)40 m、入泥段26 m、樁重約47 t。過(guò)渡段為打撈框架導(dǎo)向樁筒與海床面交接處，壁厚增加至50 mm可保證定位樁的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在定位樁頂部?jī)?nèi)側(cè)裝有十字吊樁，可用于定位樁的起吊和翻身，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2 定位樁承載力計(jì)算

《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94—2008）[4]中給出了沒(méi)有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)的單樁承載力計(jì)算公式，如式（1）所示。

Quk=u∑qsik li+α·psk Ap（1）

式中：u為樁身周長(zhǎng)，m；為由比貫入阻力值估算得到的樁周第i層土的極限側(cè)摩擦阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kpa；為第i層土的厚度，m；α為樁端阻力修正系數(shù)；為樁端附近的比貫入阻力平均值，kpa；為樁端面積，m2。

由式（1）可以看出，樁承載力包括兩部分，側(cè)摩阻力和端阻力，式（1）可寫成

Quk=Qs+Qb=u∑pssi—Ci li+α?psk Ap（2）

式中：為總的極限側(cè)摩擦阻力，kN；為總的極限端阻力，kN；為第i層土的比貫入阻力，kPa；為第i層土的側(cè)摩擦阻力換算系數(shù)。

由式（2）可知樁端阻力與樁端附近的比貫入阻力有關(guān)，本研究假設(shè)樁端平面上下范圍內(nèi)土壤均為粉質(zhì)黏土，修正系數(shù)α取0.8，psk=2.2 Mpa，可知知Qb=24 t。[5]

由式（2）可知，樁側(cè)摩擦阻力的計(jì)算公式為

Qs=u∑pssi—Ci li（3）

實(shí)際工程中，土層的性質(zhì)較為復(fù)雜，因此，計(jì)算時(shí)可根據(jù)土層的實(shí)際情況，采用調(diào)節(jié)系數(shù)β對(duì)按比貫入阻力估算的單位樁側(cè)摩擦阻力進(jìn)行修正，則樁側(cè)摩阻力計(jì)算公式為

Qs=βu∑ fi li （4）

式中，為樁單位側(cè)摩擦阻力，主要與樁周土的類型有關(guān)，粉砂、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土和粉土可按公式（5）估算。

fi =u∑pssi—5D（5）

定位樁入泥26 m附近海底地質(zhì)情況及側(cè)摩擦阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3 定位樁打樁分析

通過(guò)對(duì)樁進(jìn)行強(qiáng)制振動(dòng)，樁將振動(dòng)傳遞給與樁接觸的土壤顆粒使其發(fā)生土體液化，造成摩阻力急劇下降[6-7]。根據(jù)日本經(jīng)驗(yàn)公式，Qsv為振動(dòng)后的動(dòng)摩阻力，μ為靜摩擦力Qs 變?yōu)镼sv 時(shí)的降低系數(shù)，F(xiàn)max為振動(dòng)錘最大激振力，則振動(dòng)沉樁所需滿足的條件如下：

Fmax≥Qsv=μQs（6）

μ=μmin+（1-μmin ） e-δη（7）

式中：為摩阻力降低系數(shù)最小值，該值與土的性質(zhì)有關(guān)，日本經(jīng)驗(yàn)推薦：沙質(zhì)土：μmin=0.15，淤泥質(zhì)黏土：μmin=0.06，黏土：μmin=0.13；δ為與材料有關(guān)的比例系數(shù)，日本經(jīng)驗(yàn)取鋼材的δ值為0.52。η表示最大振動(dòng)加速度與重力加速度的比值[8]。

本次定位樁安裝采用ICE艾西伊公司ICE1412C振動(dòng)錘自重10.75 t、長(zhǎng)度僅為2.7 m、高度3.6 m、最大振幅（無(wú)320 TU夾具）可達(dá)34.4 mm、激振力F0為2 300 kN、偏心力矩為110 kg·m、320 TU夾具重量2.5 t、振動(dòng)頻率23 Hz、最大液壓動(dòng)力為525 kW。

根據(jù)公式（6）-（7）可知定位樁動(dòng)端阻力為6 t，定位樁動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由上述計(jì)算結(jié)果可知總動(dòng)阻力位48 t，本次使用的振動(dòng)錘Fmax大于總動(dòng)阻力，滿足打樁要求。

2 定位樁安裝要求

1）和設(shè)計(jì)位置相比， 四根鋼管樁沉位置 ，容許誤差半徑為 0.5 m；

2）和設(shè)計(jì)高程相比，樁頂允許偏差＜ ±0.1 m；

3）任意兩樁頂高程允許相對(duì)偏差＜ 0.1 m；

4）沉樁完成后的 鋼管樁垂直度 （樁軸線傾斜度）偏差 ≤5‰；

5）任意兩根鋼管樁樁間距離，容許測(cè)量精度誤差半徑為0.03 m。

3 定位樁安裝過(guò)程

3.1 船舶就位

打樁船采用DGPS定位定向儀器等設(shè)備，開(kāi)始就位于古船北側(cè)定位樁設(shè)計(jì)位置附近拋錨布場(chǎng)如圖3所示，定位樁固定架中心對(duì)準(zhǔn)定位樁設(shè)計(jì)位置。在打樁船就位前，事先在打樁船固定架附近安裝2套DGPS，對(duì)安裝位置和固定架的位置進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定，數(shù)據(jù)輸入軟件，可用于打樁施工時(shí)鋼樁的實(shí)時(shí)初步定位，船舶絞錨將樁移至設(shè)計(jì)位置。當(dāng)北側(cè)2個(gè)定位樁沉樁作業(yè)完成后，打樁船移船至古船南側(cè)拋錨布場(chǎng)如圖4所示，定位樁固定架中心對(duì)準(zhǔn)定位樁設(shè)計(jì)位置，繼續(xù)完成南側(cè)2個(gè)定位樁的沉樁工作。

3.2 定位樁翻樁起吊

運(yùn)樁船靠打樁船舷側(cè)就位帶纜。人員上運(yùn)樁船在定位樁上連接索具，將定位樁靠至簡(jiǎn)易翻樁架邊上，見(jiàn)圖5。

打樁船從運(yùn)樁船上起吊定位樁利用翻樁架完成翻樁，將定位樁移至舷邊，放入臨時(shí)固定架，見(jiàn)圖6。

3.3 定位樁打樁

依據(jù)船上DGPS對(duì)定位樁固定器進(jìn)行定位，吊機(jī)將定位樁插入固定器，通過(guò)調(diào)整船位完成定位樁精準(zhǔn)定位后定位樁插入泥中、自沉到吊機(jī)沒(méi)有吊力，用履帶吊將人員送至樁頂解除吊索。吊機(jī)起吊振動(dòng)錘，用振動(dòng)錘夾具固定定位樁頂部。在DGPS實(shí)時(shí)定位監(jiān)控系統(tǒng)輔助下將定位樁吊起插入設(shè)計(jì)位置。在定位輔助框架頂部平臺(tái)上架設(shè)全站儀，對(duì)鋼樁進(jìn)行正交掃邊，監(jiān)測(cè)定位樁垂直度，垂直度出現(xiàn)偏差時(shí)旋轉(zhuǎn)吊機(jī)大臂進(jìn)行調(diào)整，見(jiàn)圖7。

定位樁依靠自重入泥約5 m（吊機(jī)始終保持約10 t的吊力），待定位樁穩(wěn)定后，測(cè)量人員對(duì)其位置進(jìn)行定位，并對(duì)定位樁的垂直度進(jìn)行測(cè)量確認(rèn)，若出現(xiàn)偏差利用振動(dòng)錘和固定架頂推進(jìn)行微調(diào)糾偏。

開(kāi)錘沉樁，保持吊鉤沒(méi)有噸位，沉樁過(guò)程中注意控制能量，沉樁時(shí)定位人員對(duì)樁頂高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)鋼管樁沉樁入泥深度約為15 m時(shí)暫停沉樁，對(duì)鋼樁垂直度和位置進(jìn)行測(cè)量，若超過(guò)精度要求時(shí)，則拔出部分樁體用固定架頂推進(jìn)行微調(diào)糾偏或拔樁后重新打樁。

如打樁精度滿足要求則打開(kāi)固定架并移開(kāi)，然后繼續(xù)沉樁，過(guò)程中注意控制能量，沉樁時(shí)定位人員對(duì)樁頂高程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，鋼管樁標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)鋼樁垂直度、位置進(jìn)行復(fù)測(cè)。

依照以上步驟完成古北側(cè)2個(gè)定位樁的安裝后，打樁船移至古船南側(cè)將其余2根定位樁安裝到位，見(jiàn)圖8。

4 定位樁測(cè)量

每根定位樁沉樁期間，都需要通過(guò)定位輔助框架上的儀器對(duì)其高程和平面坐標(biāo)位置進(jìn)行控制，4根定位樁安裝完成后，測(cè)量?jī)x器轉(zhuǎn)移至樁頂平臺(tái)（定位樁頂部平臺(tái)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，風(fēng)、浪、流對(duì)其影響較小，確保測(cè)量精度），對(duì)4根定位樁的位置進(jìn)行復(fù)測(cè)確認(rèn)。

4.1eXs88oXJTObrvj9XLn2RtSSMsCJLZWxj1aEmLqZAt1Q= 控制系統(tǒng)

1） 平面控制系統(tǒng)

本次測(cè)量作業(yè)采用WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，UTM投影，相關(guān)大地參數(shù)如下：

參考橢球：WGS-84：

a=6 378 137.0 m；b=6 356 752.314 m；

1/f=298.257223563；

投影：UTM；中央子午線（0）：123E；緯度原點(diǎn)（0）：0（赤道）；

假東（F.E.）：500 000 m；假北（F.N.）：0 m；

比例因子（kB0B）：0.9996。

2） 高程控制系統(tǒng)

本項(xiàng)目高程控制系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，如圖9所示。

4.2 定位輔助框架安放定位測(cè)量

定位輔助框架吊裝前，需在定位輔助架上安裝定位定向GPS、姿態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)仍O(shè)備，主要包括高精度星站差分信號(hào)定位定向DGPS（Trimble992）、傾斜儀（BW2000）、無(wú)線網(wǎng)橋（全向網(wǎng)橋）等儀器，然后對(duì)定位輔助框架上的設(shè)備進(jìn)行通電調(diào)試，保證設(shè)備正常運(yùn)行及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸通訊正常，見(jiàn)圖10。

通過(guò)定位輔助框架上的DGPS設(shè)備，指導(dǎo)框架吊裝安放至目標(biāo)設(shè)計(jì)位置。

4.3 鋼管樁傾斜度測(cè)量

鋼管樁吊裝就位后，通過(guò)振動(dòng)錘進(jìn)行鋼管樁沉樁作業(yè)，在此過(guò)程中需要采用“圓心擬合測(cè)量法”來(lái)通過(guò)觀測(cè)上、下兩個(gè)截面上若干個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，擬合出鋼管樁中心坐標(biāo)，進(jìn)而求出鋼管樁傾斜度和傾斜方位。

“圓心擬合測(cè)量法”的具體作業(yè)方法如下：在定位輔助框架上架設(shè)全站儀，首先對(duì)鋼管樁的截面上左側(cè)任意一點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，采用無(wú)棱鏡模式，然后對(duì)同一個(gè)截面由左向右進(jìn)行觀測(cè)，進(jìn)行8～10組數(shù)據(jù)的記錄。按照此方法，依次完成上截面、下截面的觀測(cè)。利用最小二乘原理，擬合出各截面圓心坐標(biāo)，通過(guò)軟件能夠?qū)崟r(shí)解算出鋼管樁傾斜度和傾斜方位，并顯示在導(dǎo)航定位軟件中，供打樁指揮人員參考，如圖11所示。

4.4 鋼管樁樁頂高程測(cè)量

本次定位樁打樁方式為振動(dòng)錘沉樁，最后階段鋼管樁仍然高出水面，均為水上打樁，因此打樁過(guò)程中需要觀測(cè)鋼管樁上的同一刻度線或樁頂，通過(guò)全站儀測(cè)量鋼管樁的刻度值來(lái)計(jì)算鋼管樁貫入的高度（深度），按照要求實(shí)時(shí)報(bào)送給打樁指揮人員。

采用全站儀觀測(cè)時(shí)，由于觀測(cè)距離較短，高程測(cè)量的精度優(yōu)于20 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。打樁作業(yè)結(jié)束后，記錄推算每根鋼管樁的樁頂標(biāo)高，并與其余鋼管樁樁頂標(biāo)高進(jìn)行比較，得出各鋼管樁樁頂高程的相對(duì)偏差，最終測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

4.5 鋼管樁位置復(fù)測(cè)

每根鋼管樁沉樁完成以后，在鋼管樁頂部均安置一個(gè)小平臺(tái)，用于復(fù)測(cè)鋼管樁的絕對(duì)位置。本次測(cè)量結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取S-03、S-04兩根鋼管樁，在鋼管樁頂部小平臺(tái)上選取合適位置，分別安裝定位設(shè)備Trimble855 DGPS，進(jìn)行DGPS原始數(shù)據(jù)采集，采集時(shí)間約2 h，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算后，獲得S-03、S-04兩處GPS天線桿的位置四根定位樁沉到位后，對(duì)其平面位置、傾斜情況頂高程偏差進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

注：傾斜方向以北方向?yàn)槠鹗伎潭?，以順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颉?/p>

5 結(jié) 論

本文針對(duì)“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船打撈框架安裝要求，設(shè)計(jì)了專用定位樁，并進(jìn)行了計(jì)算分析校核，而后在打撈現(xiàn)場(chǎng)完成定位樁安裝作業(yè)，有力支撐“長(zhǎng)江口二號(hào)”古船的打撈工程。定位樁安裝位置和樁頂偏差小、垂直度高，這為后續(xù)定位框架水下成功布放奠定基礎(chǔ)。這也是首次在打撈項(xiàng)目中使用定位樁輔助打撈框架的定位工作，在水下掃測(cè)和定位系統(tǒng)的輔助下可以滿足在渾水環(huán)境下進(jìn)行高精度的安裝工作，對(duì)于本次水下古船保護(hù)起到積極的作用。

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