東海大橋樁基沖刷防護工程斜向溜筒拋石船關鍵技術

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必不可少的配套工程，是連接洋山深水港區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，在水動力變化不大的情況下，泥沙來源缺乏導致海床沖刷成為必然。在長江流域來沙不再補充的情況下，按正常的沖淤變化規律，杭州灣北口的泥沙不斷向南邊灘輸移淤積，導致東海大橋部分橋墩周圍發生較大的局部沖刷。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、北兩側沖刷坑寬度為50～80m，基本上均處在觀測水域寬度400m范圍內。橋墩沖刷坑深度在4～7m，最深達11m，沖刷最嚴重的橋墩最深處泥面達到-29.2m。按目前狀況，有部分橋墩樁基應力的安全系數已接近其安全警戒范圍，還有部分樁基礎軸向已超過設計承載力，需采取必要的工程維護措施確保大橋結構安全，阻止橋墩樁基進一步沖刷。

由于國內外類似跨海大橋橋墩防沖刷保護的案例及經驗較少、工程實踐也較缺乏，大范圍防護工程正式實施前需進行防護試驗，以總結經驗、優化設計、指導施工。

防護試驗工程防護范圍：墩號為PM135～137，PM434，PM435，PM437，PM438號，共7個橋墩。東海大橋下部基礎一般采用高樁承臺結構和圓形鋼管樁，本次試驗工程各橋墩樁基數量、墩臺直徑及相鄰橋墩間的跨度如表1所示。

表1 橋墩承臺、樁基結構形式

設計方案為：沖刷坑核心區防護設計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。本工程設計防護結構形式如圖1所示。

圖1 東海大橋橋墩樁基防護結構形式

2 主要技術難點

外海跨海大橋樁群內大范圍進行回填防沖刷保護在國內尚屬首例，無類似工程經驗可借鑒，樁群內袋裝碎石及混凝土干混料拋填施工技術難度大、安全風險高，主要有以下幾個方面。

1)惡劣的自然環境 東海大橋海域天氣變化復雜，受臺風、冷空氣影響頻繁，全年可作業有效作業時間短。同時，該區域潮差變化大，平均潮差達3.2m，最大潮差達5.14m，漲落潮時流速較快，回填料拋填時必須避開急漲急落流，造成每天實際作業時間也較短，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)現有樁基及墩臺的影響 東海大橋墩臺下部鋼管樁平面扭角、斜率各有不同，在樁群內部進行防沖刷保護在國內尚屬首次，技術難度大。受承臺和樁群的影響，傳統的直溜筒或網兜拋石無法拋入沖刷坑核心區域。

3)橋面以下凈空高度的限制 由于施工船舶需進入橋面以下施工，對橋面以下凈空高度進行了實地勘察并統計，統計情況如表2所示。

由表2可知，橋面至承臺頂凈空高度最小高度為8.88m。受此限制，沿海一帶運輸船無法進入橋下駐船，船用吊機不能在橋面以下自由變幅、安全施工。在風浪影響下，易發生船用吊機臂碰撞船面上部結構安全事故，需對現有船舶進行限高改造，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”歌曲流行現狀及其在對外漢語教學中的應用[J].四川:四川理工學院學報社會科學版第26卷第5期,2011.

表2 橋下凈空高度 m

圖2 現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要求高 鋼管樁表面環氧樹脂涂料層及犧牲陽極塊在樁基防腐中起到決定性作用，拋填過程中不能對現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 關鍵技術研發

由于目前國內無專業的施工設備能斜向伸入復雜樁群內沖刷坑核心區域進行精確拋填施工，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鍵技術研發目標及研發內容。

3.1 研發目標

斜向溜筒拋石船能適應橋面以下施工要求，錨纜系統適應本工程施工區域內風浪條件。斜向溜筒能根據不同的水深情況及樁基間距伸入樁群內部進行精確拋填，拋填過程中受水流影響小、流失量<15%。喂料系統滿足橋面以下凈高要求，施工效率滿足施工進度要求。定位監控軟件能三維實時顯示斜向溜筒與任意鋼管樁的相對位置關系，通過三維顯示指導插樁作業，避免對樁基防腐涂層及陽極塊造成損傷。拋填過程中能實時顯示當前位置的拋填標高，拋填精度及質量滿足設計要求。整個拋石機構控制系統高度集成化、電氣化、自動化，操作簡便、可靠。

3.2 研發內容

斜向溜筒拋石船的研發內容涵蓋了船舶改造、機械設計、操控軟件開發、監控軟件研發、喂料系統選型等，涉及的專業多，投入大，研發難度大。為了降低研發風險，研究小組根據研發目標細分了5個子課題，逐一進行技術攻關，具體為：①施工船舶船型選擇、限高改造 對施工船舶船型進行比選，同時對現有船舶進行限高改造，使其能進入橋面以下施工。同時，根據東海大橋海域風大、流急的施工環境，對船舶的錨纜系統進行加強，以提高其穩定性。②斜向溜筒拋石機械結構設計 通過對斜向溜筒、旋轉平臺、行走臺車機械結構設計使其具備臺車橫移、旋轉，溜筒具備伸縮及上下、左右變幅等功能。斜向溜筒可根據不同水位及樁基間距大小，通過臺車行走，溜筒旋轉及上下、左右變幅等動作調節溜筒位置及深入樁群內的長度及角度，能伸入樁群內部進行精確拋填。③操作控制系統研發 通過斜向溜筒拋石機構操作控制系統研究，對整個系統的液壓控制部分進行設計，完成整個系統的電氣化操作系統設計。溜筒臺車行走、平臺旋轉、溜筒伸縮、變幅等所有機械動作均整合至操作控制室的操作計算機，實現電氣化遠程精確控制。④三維姿態精確定位系統研發 通過對斜向溜筒水下三維姿態精確定位系統研究，開發斜向溜筒三維水下姿態監控軟件，通過設置最小安全距離進行碰撞危險預警，確保拋石溜筒能安全伸入樁基內部，實現精確拋填的預期目標；能實時監測拋填標高并記錄，確保拋填質量。⑤喂料系統設計 喂料系統的輸送效率將直接影響拋填效率，通過對喂料系統工藝研究，喂料系統能滿足橋面以下連續送料的要求，施工效率>400m3/d。

3.3 主要技術成果

在研發過程中研究小組組織相關技術專家，通過頭腦風暴法、專家意見法、PDCA循環等方法和手段，開展了模型演示、1∶1模型試驗、船廠設備安裝、空載試驗調試、典型施工總結、過程中喂料系統改進等研究。斜向溜筒拋石船于2018年7月初完成研發改造，于2018年7月8日正式進點，進行典型施工及設備試運行；整個動力系統正常、運行良好、操控系統完善，能按既定的操作完成拋填作業；軟件界面能導插樁操作，碰樁報警信息欄顯示精確，能警告操作人員避免碰樁操作；斜向溜筒能深入樁基群內部，完成袋裝碎石拋填，溜筒頭部測深儀能獲得拋填標高，檢測拋填效果；整個系統達到預期目標。主要技術成果如下。

3.3.1動力系統及操作控制技術

斜向溜筒動力部分由船用柴油發電機、4臺液壓油泵、各類液壓油缸、液壓機箱、液壓油管和閥組等組成。柴油發電機為液壓油泵提供電力，液壓油泵為各類液壓執行元件提供動力，實現斜向溜筒完成各指定動作。

圖3 PLC遠程操控系統界面

使用PLC控制器，可實時檢測各部件工作狀態并實時反饋，通過信息集成匯聚到專業操控軟件，操控人員對溜筒設備能直觀了解各部件工作狀態。

3.3.2定位監控技術

定位監控系統硬件設備主要為2臺RTK GPS(全球定位系統)、2臺雙軸傾斜儀、1臺單波束測深儀、2臺拉線儀及1臺激光測距儀。通過測量各動作部件的三維相對關系，建立船體三維坐標系，建立計算模型，通過軟件解算確定溜筒頭部的三維坐標。通過導入整個施工區域內所有橋墩數據建立三維模型，用于實時計算拋石筒和橋墩的最短距離，進行碰撞預警。溜筒頭部設置測深儀，用于實時測量當前拋填位置的泥面標高(見圖4)。

圖4 斜向溜筒三維定位安裝系統軟件界面

在施工前導入沖刷坑拋填區域底圖，并將拋填范圍設置成2m×2m的網格。施工過程中操作人員根據窗口所反映當前泥面實時數據，調整溜筒及行走臺車的位置，進行逐個網格拋填。

3.3.3袋裝碎石及干混料喂料技術

2018年12月以前，斜向溜筒拋石船采用電動葫蘆門式起重機進行上料作業，工效為200m3/d。為提高施工效率，最后采用皮帶機連續供料。整個皮帶機喂料系統由3段皮帶機構成，可將回填料輸送至斜向溜筒的進料斗處。對皮帶機托輥角度優化改進，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；該工藝能實現連續供料，施工效率遠大于門式起重機的供料方式，目前平均工效達到500m3/d，創造了可觀的經濟效益(見圖5)。

圖5 優化后的斜向溜筒拋石船

4 實施效果

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。加強后的錨纜系統滿足7級以下風浪在東海大橋水域施工安全。

2)通過對斜向溜筒、旋轉平臺、行走臺車機械結構設計使其實現了溜筒伸縮、臺車橫移、旋轉上下變幅等功能，溜筒能伸入樁群內部進行精確拋填。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)操作控制系統高度整合，溜筒臺車行走、平臺旋轉、溜筒伸縮、變幅等所有機械動作均整合至操作控制室的操作計算機，實現了電氣化遠程精確控制。

4)斜向溜筒三維水下姿態監控軟件實時顯示溜筒與樁群之間的相對位置，超過安全距離可實時報警提示。施工過程中做到不碰撞東海大橋現有樁基、確保拋石溜筒能安全伸入樁基內部，實現精確拋填的預期目標。溜筒頭部設有單波速測深儀，能實時監測拋填標高并記錄，確保了拋填質量。

5)通過對喂料系統工藝研究，經比選，最后采用皮帶機連續供料，該工藝能實現連續供料，施工效率遠大于門式起重機的供料方式，目前平均工效由原來的200m3/d提高到500m3/d，創造了可觀的經濟效益。

4.2 主要創新點

通過技術研究，本科技研發項目主要創新點為：①研發了行走臺車、斜向溜筒拋石機構，可根據不同水位及樁基間距大小，通過臺車橫移、溜筒上下左右變幅、伸縮等動作，調節溜筒位置及深入樁群內精確拋填；②開發了專用的斜向溜筒拋石船操作軟件，液壓、電控等所有機械動作由計算機控制，實現了自動化施工；③開發了專用的三維實時監控軟件，可實時顯示斜向溜筒與鋼管樁的相對位置和實時報警，溜筒頭部設置測深儀，可實時監測拋填質量，實現了可視化施工；④該成果已獲得實用新型專利7項、計算機軟件著作權1項。

5 結語

本研究依托東海大橋橋墩樁基過度沖刷區域防護試驗工程，成功研制了斜向溜筒拋石船，是目前國內唯一適用于樁群內沖刷坑回填材料拋填的專用設備。該成果在東海大橋橋墩樁基過度沖刷區域防護試驗工程、東海大橋橋墩樁基過度沖刷區域防護應急搶險防護工程施工項目中得到成功應用，解決了東海大橋橋墩樁基內部回填料精確拋填的難題，保證了東海大橋試驗工程的順利完工，也為類似橋梁工程、海上風電基礎的防護問題提供工程經驗與設備保障。