淺談超長直腹式鋼板樁起吊運(yùn)輸及快速對位技術(shù)

(中國水利水電第七工程局有限公司國際工程公司，成都，610213)

1 工程概況

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，本次擴(kuò)建主要是將原用于灌溉的4號隧洞改建為引水發(fā)電隧洞，并在原4號洞出口區(qū)域新建廠房，新增3臺單機(jī)容量為470MW的機(jī)組，改善電力供應(yīng)狀況。受現(xiàn)場布局的限制，廠房施工圍堰主要采用直腹式鋼板樁形式。

鋼板樁圍堰主要由5個主格和4個副格組成，主格與副格交替布置。主格為直徑23.7m的平面圓形封閉格體，每個副格布置于兩相鄰主格之間，利用兩相鄰主格的部分鋼板樁及分別位于上、下游的兩個半徑為5.73m的連接弧形成封閉的格體，主格與副格的鋼板樁之間采用Y型連接角樁相連。

具體布置情況見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰布置

鋼板樁圍堰的主格由148根直腹鋼板樁及4根連接樁組成，副格連接弧由35根直腹鋼板樁組成。鋼板樁型號為AS500-12.7，寬50cm，厚12.7mm，最大長度36m，主要參數(shù)見圖2。

型號寬度腹板厚度鎖扣厚度允許偏角單樁每延米重量鎖扣強(qiáng)度鋼材級別符號btha單位mmmmmm°kg/mkN/mAS 500-12.750012.7925.077.15500S 355 GP

圖2直腹式鋼板樁主要參數(shù)

2 鋼板樁起吊運(yùn)輸和翻立技術(shù)

針對長直腹式鋼板樁的長度方向剛度較低，易受彎失穩(wěn)等問題，本工程實(shí)施過程中研制了梁式水平吊具和翻立器等施工機(jī)具，并研究了與其相關(guān)的施工工藝，解決了單片超長直腹式鋼板樁水平起吊和翻立的難題。

2.1 梁式水平吊具的研制

由于已普遍應(yīng)用的桁架吊具為多塊樁板整體吊裝作業(yè)使用，因此，其強(qiáng)度富余量大，在調(diào)運(yùn)作業(yè)中顯得過于高大笨重。因此針對機(jī)動性需求，根據(jù)現(xiàn)場可以獲取的型鋼材料研制了樁板水平起吊的輕型梁式吊具。

梁式吊具設(shè)計(jì)：主梁結(jié)構(gòu)主體為三組Q235熱軋I30工字鋼，組合形式為兩工字鋼通過頂焊焊接于另一工字鋼的下翼緣，并輔以若干角鋼作為筋板加固，防止吊具側(cè)向失穩(wěn)，保證吊具整體的剛度及穩(wěn)定性，焊接均采用E43型手工焊焊條。主梁頂部設(shè)2吊耳，間距為12m，則吊車通過鋼絲繩施加的斜向上的拉力，分別作用于吊具吊耳上；主梁下部設(shè)5個下吊耳，為吊具吊取鋼板樁時的承力點(diǎn)，下吊耳間距為6m，可完全覆蓋24m長的樁板，利用懸臂部分可起吊36m的樁板。在吊具三維模型的基礎(chǔ)上，采用ANSYS對結(jié)構(gòu)單元劃分網(wǎng)格并進(jìn)行校核。

吊具整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主梁截面如圖4所示。

圖3 梁式吊具結(jié)構(gòu)立面

圖4 梁式吊具A-A& B-B截面

2.2 長直腹式鋼板樁翻立器的研制

針對長直腹式鋼板樁，國外規(guī)范EN 12063規(guī)定采用多點(diǎn)吊，多吊點(diǎn)吊立在一般起吊單元的基礎(chǔ)上，增加動態(tài)承力單元，利用滑輪吊點(diǎn)通過兩點(diǎn)固定的吊繩分擔(dān)樁板自重。但是多吊點(diǎn)吊立工藝需要兩組起吊設(shè)備協(xié)調(diào)起吊，占用兩臺吊車并對起吊協(xié)調(diào)性要求較高。本工程鋼板樁施工過程中，根據(jù)樁板設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算分析和試驗(yàn)試制，設(shè)計(jì)了專用翻立機(jī)器，并對吊立工藝進(jìn)行了研究。

2.2.1 翻立器的設(shè)計(jì)

翻立器主要由四部分組成，分別為管樁、型鋼、鉸鏈、張緊裝置，翻立器整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中1為鋼板樁圍堰施工所用的鋼管樁；2為兩工字鋼，分別焊接于管樁的兩側(cè)，并通過若干間隔布置的小工字鋼3聯(lián)系在一起以支撐穩(wěn)固。在管樁1的1/3長度處設(shè)有鉸鏈4，因此，管樁1可以在自重作用下圍繞鉸鏈4旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從水平狀態(tài)向豎直狀態(tài)的翻立過程。螺旋式張緊裝置5可以收放鋼絲繩6，平衡管樁1自重產(chǎn)生的力矩，從而控制翻立器緩慢旋轉(zhuǎn)翻立，起到安全、可控的效果。

1-鋼管樁；2-長工字鋼；3-小型工字鋼；4-鉸鏈；

2.2.2 吊裝翻立過程

翻立器初始處于水平狀態(tài)，通過鉸鏈固定在浮箱邊緣，管身約2/3長度懸空，并承受鋼絲繩的拉力而處于平衡，利用平吊吊具吊運(yùn)樁板置于翻立器上；通過吊裝帶臨時固定，并用吊車吊取鋼板樁一端；然后開始緩慢旋轉(zhuǎn)收放裝置的螺旋桿從而改變鋼絲繩長度，翻立器在自重作用下旋轉(zhuǎn)，帶動其上的鋼板樁一同旋轉(zhuǎn)；翻立器旋轉(zhuǎn)近90°時，用吊車提出處于豎直狀態(tài)的樁板，即可進(jìn)行插樁作業(yè)。整個翻立過程安全可控，易于操作。翻立器作業(yè)流程見圖6。

圖6 翻立器吊立樁板作業(yè)流程

翻立吊具利用了鉸鏈結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)的偏心自重，簡便輕松地實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)翻立操作；并利用螺旋收放裝置控制翻立過程。既避免了單點(diǎn)吊立的樁板中上部受彎失穩(wěn)的危險(xiǎn)，也避免了多點(diǎn)起吊的復(fù)雜協(xié)調(diào)作業(yè)，使長樁板的吊立操作僅一臺吊車即可完成，并簡化了吊立操作所需的指揮復(fù)雜性。

3 鋼板樁快速對位技術(shù)

由于堰址處拼裝的鋼板樁格體是由單片鋼板樁拼接圍成的封閉格體。一般格體包含了數(shù)十甚至上百的待插打樁板，其拼裝數(shù)量大，且要求反復(fù)插打以利于樁格均衡下沉，拼插操作頻繁復(fù)雜。插打操作中，振動錘需要不斷地在樁板頂部切換，更換驅(qū)動對象，振動錘對位耗時，是重要的輔助作業(yè)時間，為了保證施工進(jìn)度，達(dá)到快速施工的目的，研制了引導(dǎo)器縮短振動錘和樁板之間的對位操作歷時。

3.1 基于引導(dǎo)器的鋼板樁快速插打原理

研制鋼板樁拼裝引導(dǎo)器的目的是用于加快樁板插打的操作速度。直腹式鋼板樁插打過程中，第一步操作是需要將待插打樁板與已經(jīng)拼接好的樁板的鎖扣對準(zhǔn)。由于鎖扣入口較小，即使在加工廠已經(jīng)對鎖扣進(jìn)行了倒角處理，但是對于長達(dá)36m重達(dá)2t的長直腹式鋼板樁而言，在水上施工平臺上用履帶吊對準(zhǔn)±1cm的鎖扣，即對位的線性相對差達(dá)0.028%；如圖7，對位操作必須在三維自由度水平下控制待對位樁板，對準(zhǔn)鎖扣保持并放下鋼板樁。施工實(shí)踐也證明吊裝對位操作費(fèi)時費(fèi)力。

圖7 鋼板樁拼裝鎖扣對位

為加快施工效率、縮短鎖扣對位耗時，考慮限制待拼接鋼板樁自由度的措施，即在已拼接好的樁板頂端安裝引導(dǎo)器，如圖8所示。由于引導(dǎo)器的鎖扣僅有一半，因此，可將高精度的對位操作轉(zhuǎn)換為靠向和滑入等一系列低精度操作?！皩ξ弧钡淖杂啥葴p半的同時，精度要求大減。

圖8 基于引導(dǎo)器的鋼板樁鎖扣快速對位

鋼板樁引導(dǎo)器的技術(shù)方案如下：

(1)該引導(dǎo)器主要由直腹式鋼板樁、鎖扣、鉗夾、扶手等組成，其三維結(jié)構(gòu)如圖9所示；

圖9 鋼板樁拼裝引導(dǎo)器三維圖

(2)在拼裝施工過程中，把引導(dǎo)器夾在已拼好的樁板頂部，通過引導(dǎo)器將待對位樁板快速地對準(zhǔn)已拼裝樁板的鎖扣，并進(jìn)行沉樁施工，從而加快拼裝速度。

3.2 引導(dǎo)器的制造過程

(1)在直腹式鋼板樁上畫出切割線，切割長度為200mm；

(2)采用手動割炬沿著切割線切割樁板；

(3)待樁板冷卻后，按圖10所示，在鎖扣兩側(cè)上畫出切割線；

圖10拼裝引導(dǎo)器俯視圖

(4)用手動割炬沿著切割線切割兩側(cè)鎖扣；

(5)等待冷卻后，按圖11所示，在鋼板表面畫出挖孔切割線；

圖11 拼裝引導(dǎo)器側(cè)視圖

(6)手動割炬沿著切割線對鋼板表面進(jìn)行切割；

(7)使用角向磨光機(jī)對所有切口進(jìn)行打磨、清理；

(8)在直腹式鋼板樁上畫出4塊尺寸為100mm×30mm的切割線；

(9)沿著切割線切割出4塊小鋼板；

(10)按圖12所示，焊接4塊小鋼板，焊角高度不小于8mm，形成鉗夾；

圖12 拼裝引導(dǎo)器的鉗夾焊接位置

(11)使用角向磨光機(jī)對鎖扣內(nèi)側(cè)邊緣進(jìn)行打磨、倒角(倒角高度為2mm)；

(12)在拼接施工中，把引導(dǎo)器夾在已拼裝完成的直腹式鋼板樁端頭的頂部；

(13)起吊待拼裝鋼板樁至引導(dǎo)器旁，手動扶著待拼裝鋼板樁通過引導(dǎo)器快速對準(zhǔn)已拼裝完成鋼板樁的鎖扣，示意吊車駕駛員，下沉鋼板樁，完成單片拼裝，如此反復(fù)操作。

4 結(jié)語

超長直腹式鋼板樁水平起吊運(yùn)輸和快速對位技術(shù)工藝所涉及的工器具，均由常規(guī)易獲取的材料加工組裝而成，使用起來機(jī)動靈活，安全可靠。兩項(xiàng)技術(shù)工藝的應(yīng)用不僅節(jié)約施工成本，更提高了施工效率，從而大大縮短了鋼板樁圍堰整體施工工期，也為類似材料的起吊運(yùn)輸和快速對位等問題的解決提供了一定的思路。