“長江口二號”古船打撈中定位樁設計與安裝

摘 要：“長江口二號”古船打撈項目中需要精準定位整體打撈框架，才能將整個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。首先對定位樁結(jié)構(gòu)進行設計，并進行承載力和打樁分析；其次現(xiàn)場根據(jù)施工方案完成定位樁安裝；最后經(jīng)過測量確認定位樁安裝精度滿足設計要求。本項目首次在沉船打撈作業(yè)中使用定位樁輔助精準定位，定位樁的順利安裝為后續(xù)“長江口二號”古船的整體打撈框架的安裝奠定了基礎。

關(guān)鍵詞：長江口二號；沉船打撈；定位樁；結(jié)構(gòu)設計；安裝分析

中圖分類號：U655.55

文獻標志碼：A

0 引 言

2022年11月20日，我國水下考古發(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“長江口二號”整體打撈出水，標志著我國在水下考古技術(shù)領域的新突破和創(chuàng)新。[1]本次“長江口二號”整體打撈借鑒了隧道及地下工程領域管幕法的思想，量身定做了沉船打撈框架系統(tǒng)、導向架推進裝置及其配套的行星三刀盤頂管機來配合完成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)安裝時能將古船完整包裹在其內(nèi)部，如圖1所示。

為了精準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向筒沿定位樁下沉至目標位置，當弧形管節(jié)安裝完成后需要對其進行移除。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，運輸方便，對打樁船起吊能力要求低等優(yōu)點，[3]且具有使用后可便于回收的特點，其十分合適用于打撈框架系統(tǒng)的定位樁。

本文將詳細介紹“長江口二號”古船打撈框架定位樁的設計及其安裝方法，為其他類似工程提供參考。

1 定位樁及安裝設計

1.1 定位樁結(jié)構(gòu)設計

“長江口二號”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、過渡段壁厚50 mm、樁長40 m、入泥段26 m、樁重約47 t。過渡段為打撈框架導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)強度，在定位樁頂部內(nèi)側(cè)裝有十字吊樁，可用于定位樁的起吊和翻身，具體設計如圖2所示。

1.2 定位樁承載力計算

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

Quk=u∑qsik li+α·psk Ap（1）

式中：u為樁身周長，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)摩擦阻力標準值，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)摩擦阻力的計算公式為

Qs=u∑pssi—Ci li（3）

實際工程中，土層的性質(zhì)較為復雜，因此，計算時可根據(jù)土層的實際情況，采用調(diào)節(jié)系數(shù)β對按比貫入阻力估算的單位樁側(cè)摩擦阻力進行修正，則樁側(cè)摩阻力計算公式為

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)摩擦阻力計算結(jié)果見表1。

1.3 定位樁打樁分析

通過對樁進行強制振動，樁將振動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)驗公式，Qsv為振動后的動摩阻力，μ為靜摩擦力Qs 變?yōu)镼sv 時的降低系數(shù)，F(xiàn)max為振動錘最大激振力，則振動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)驗取鋼材的δ值為0.52。η表示最大振動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振動錘自重10.75 t、長度僅為2.7 m、高度3.6 m、最大振幅（無320 TU夾具）可達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、振動頻率23 Hz、最大液壓動力為525 kW。

根據(jù)公式（6）-（7）可知定位樁動端阻力為6 t，定位樁動阻力計算結(jié)果見表2。

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

2 定位樁安裝要求

1）和設計位置相比， 四根鋼管樁沉位置 ，容許誤差半徑為 0.5 m；

2）和設計高程相比，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，容許測量精度誤差半徑為0.03 m。

3 定位樁安裝過程

3.1 船舶就位

打樁船采用DGPS定位定向儀器等設備，開始就位于古船北側(cè)定位樁設計位置附近拋錨布場如圖3所示，定位樁固定架中心對準定位樁設計位置。在打樁船就位前，事先在打樁船固定架附近安裝2套DGPS，對安裝位置和固定架的位置進行測量標定，數(shù)據(jù)輸入軟件，可用于打樁施工時鋼樁的實時初步定位，船舶絞錨將樁移至設計位置。當北側(cè)2個定位樁沉樁作業(yè)完成后，打樁船移船至古船南側(cè)拋錨布場如圖4所示，定位樁固定架中心對準定位樁設計位置，繼續(xù)完成南側(cè)2個定位樁的沉樁工作。

3.2 定位樁翻樁起吊

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

打樁船從運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，放入臨時固定架，見圖6。

3.3 定位樁打樁

依據(jù)船上DGPS對定位樁固定器進行定位，吊機將定位樁插入固定器，通過調(diào)整船位完成定位樁精準定位后定位樁插入泥中、自沉到吊機沒有吊力，用履帶吊將人員送至樁頂解除吊索。吊機起吊振動錘，用振動錘夾具固定定位樁頂部。在DGPS實時定位監(jiān)控系統(tǒng)輔助下將定位樁吊起插入設計位置。在定位輔助框架頂部平臺上架設全站儀，對鋼樁進行正交掃邊，監(jiān)測定位樁垂直度，垂直度出現(xiàn)偏差時旋轉(zhuǎn)吊機大臂進行調(diào)整，見圖7。

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

開錘沉樁，保持吊鉤沒有噸位，沉樁過程中注意控制能量，沉樁時定位人員對樁頂高程進行監(jiān)測，當鋼管樁沉樁入泥深度約為15 m時暫停沉樁，對鋼樁垂直度和位置進行測量，若超過精度要求時，則拔出部分樁體用固定架頂推進行微調(diào)糾偏或拔樁后重新打樁。

如打樁精度滿足要求則打開固定架并移開，然后繼續(xù)沉樁，過程中注意控制能量，沉樁時定位人員對樁頂高程進行實時監(jiān)測，鋼管樁標高達到設計要求。對鋼樁垂直度、位置進行復測。

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

4 定位樁測量

每根定位樁沉樁期間，都需要通過定位輔助框架上的儀器對其高程和平面坐標位置進行控制，4根定位樁安裝完成后，測量儀器轉(zhuǎn)移至樁頂平臺（定位樁頂部平臺處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，風、浪、流對其影響較小，確保測量精度），對4根定位樁的位置進行復測確認。

4.1eXs88oXJTObrvj9XLn2RtSSMsCJLZWxj1aEmLqZAt1Q= 控制系統(tǒng)

1） 平面控制系統(tǒng)

本次測量作業(yè)采用WGS-84坐標系統(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（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)

本項目高程控制系統(tǒng)采用當?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、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)仍O備，主要包括高精度星站差分信號定位定向DGPS（Trimble992）、傾斜儀（BW2000）、無線網(wǎng)橋（全向網(wǎng)橋）等儀器，然后對定位輔助框架上的設備進行通電調(diào)試，保證設備正常運行及數(shù)據(jù)遠程傳輸通訊正常，見圖10。

通過定位輔助框架上的DGPS設備，指導框架吊裝安放至目標設計位置。

4.3 鋼管樁傾斜度測量

鋼管樁吊裝就位后，通過振動錘進行鋼管樁沉樁作業(yè)，在此過程中需要采用“圓心擬合測量法”來通過觀測上、下兩個截面上若干個坐標點，擬合出鋼管樁中心坐標，進而求出鋼管樁傾斜度和傾斜方位。

“圓心擬合測量法”的具體作業(yè)方法如下：在定位輔助框架上架設全站儀，首先對鋼管樁的截面上左側(cè)任意一點進行觀測，采用無棱鏡模式，然后對同一個截面由左向右進行觀測，進行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。利用最小二乘原理，擬合出各截面圓心坐標，通過軟件能夠?qū)崟r解算出鋼管樁傾斜度和傾斜方位，并顯示在導航定位軟件中，供打樁指揮人員參考，如圖11所示。

4.4 鋼管樁樁頂高程測量

本次定位樁打樁方式為振動錘沉樁，最后階段鋼管樁仍然高出水面，均為水上打樁，因此打樁過程中需要觀測鋼管樁上的同一刻度線或樁頂，通過全站儀測量鋼管樁的刻度值來計算鋼管樁貫入的高度（深度），按照要求實時報送給打樁指揮人員。

采用全站儀觀測時，由于觀測距離較短，高程測量的精度優(yōu)于20 mm，滿足設計要求。打樁作業(yè)結(jié)束后，記錄推算每根鋼管樁的樁頂標高，并與其余鋼管樁樁頂標高進行比較，得出各鋼管樁樁頂高程的相對偏差，最終測量結(jié)果見表3。

4.5 鋼管樁位置復測

每根鋼管樁沉樁完成以后，在鋼管樁頂部均安置一個小平臺，用于復測鋼管樁的絕對位置。本次測量結(jié)合實際情況，根據(jù)現(xiàn)場情況選取S-03、S-04兩根鋼管樁，在鋼管樁頂部小平臺上選取合適位置，分別安裝定位設備Trimble855 DGPS，進行DGPS原始數(shù)據(jù)采集，采集時間約2 h，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析計算后，獲得S-03、S-04兩處GPS天線桿的位置四根定位樁沉到位后，對其平面位置、傾斜情況頂高程偏差進行測量，結(jié)果統(tǒng)計見表4。

注：傾斜方向以北方向為起始刻度，以順時針方向為正方向。

5 結(jié) 論

本文針對“長江口二號”古船打撈框架安裝要求，設計了專用定位樁，并進行了計算分析校核，而后在打撈現(xiàn)場完成定位樁安裝作業(yè)，有力支撐“長江口二號”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。這也是首次在打撈項目中使用定位樁輔助打撈框架的定位工作，在水下掃測和定位系統(tǒng)的輔助下可以滿足在渾水環(huán)境下進行高精度的安裝工作，對于本次水下古船保護起到積極的作用。

參考文獻

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