水下定点抛石设备的研制和应用.docx

摘要东海大桥建成以后，下部桩基受水流影响发生了局部冲刷，造成桩基入土长度的减少,严重影响桥墩的安全性。根据设计要求冲刷坑采用袋装碎石及干混料回填。由于每个桥墩由8根或20根中1500的钢管桩组成，其中包括直桩和斜桩，填充深度在水下Iom至22m范围，因此需要研制一套水下定点抛石装置.通过对斜向溜筒、旋转平台、行走台车机械结构设计使我具备台车横移、旋转，溜筒伸缩，上下、左右变幅等功能。斜向溜筒可根据不同水位及桩基间距大小，通过台车行走，溜筒旋转、上下左右变幅等动作调节溜筒位置及深入桩群内的长度及角度，实现能伸入机群内部进行精确抛填。通过斜向溜筒抛石机构操作控制系统研究，对整个系统的液压控制部分进行设计，完成整个系统的电气化操作系统设计。溜筒台车行走、平台旋转、溜筒伸缩、变幅等所有机械动作均整合至操作控制室的操作电脑，实现电气化远程精确控制。通过斜向溜筒抛石机构操作控制系统研究，对整个系统的液压控制部分进行设H，完成整个系统的电气化操作系统设计。溜筒台车行走、平台旋转、溜筒伸缩、变幅等所有机械动作均整合至操作控制室的操作电脑，实现电气化远程精确控制。通过对斜向溜筒水下三维姿态精确定位系统研究，开发斜向溜筒三维水下姿态监控软件，该系统主要设备由台单波束测深仪、两台双轴底斜仪、两台RTKGPS（全球定位系统）、油缸内部集成行程传感器和卷扬机行程传感器组成。设备安装完成后，通过全站仪标定，测量出各动作部件的三维相对关系，建立船体三维坐标系,建立计算模型，通过多个坐标系之间转换，通过软件解律，以确定溜筒头部的三维坐标。此外，还需定位检测系统在设计时，三维定位系统需导入了整个施工区域内所有桥墩桩基数参数，主要包括钢管桩数量、平面扭角及侬仰角度，用于实时计算抛石溜筒和任意钢管班的最短距离，通过设置最小安全距离进行碰搔危险预警，超过安全距离可实时报警提示，并在监控软件终端界面用声音和定位软件中醒目的色彩提醒操作人员，确保旅工过程中做到不碰撞东海大桥现仃桩基、确保抛石溜简能安全的伸入至桩基内部，实现精确抛填的预期目标.溜简头部设有单波速测深仪，能够实时监测抛填标高并记录，确保了抛填质量。在完工后采用多波束进行扫测，可以检测拗填效果并利用扫测图进行CiviBD处理形成水下三维地形图。本文叙述的就是该套水下定点抛石装置的研制和应用，为今后海中桥梁桩基的防冲刷JI程设备的开发和应用提供一个参考和范例。关键词桩基；防冲刷：水下定点抛石装置第1章前言1.1 工程概况东海大桥是洋山深水港区必不可少的配套工程，起始于南汇芦潮港，跨越杭州湾北部海域,直达小洋山，全长约325km。东海大桥自2003年建成以后，是连接洋山深水港区与上海市的主要陆路通道。东海大侨卜.部基础股采用高桩承台结构和圆形钢管桩形式，在设计之初考虑了相应冲刷深度的影响，设定了冲刷警戒值，超过警戒值之后应进行冲刷防护。根据东海大桥桥墩冲淤状况专项检测的历年结果显示，东海大桥已有部分桥墩的泥面标高低于原设计警戒值。为保障桥梁结构安全，需通过对桥梁墩台桩基进行防冲刷保护，以保证桥梁基础的整体安全。由于国内外类似跨海大桥桥墩防冲刷的工程桩基防护的案例及经验较少、工程实践也较为缺乏，大范囤防护工程正式实施前，需进行进行防护试验工程，以总结经验、优化设计、指导施工。防护试验工程防护范围：墩号为PMI35137#、PM434#、PM435#、PM437#、PM438#.共7个桥墩。本次试验工程设计防护方案如下：冲刷坑外围采用碎联锁块软体排护底，为了防止潮流或者台风时风暴潮将排边卷起，软体外侧排边连续布置栅栏板，平面尺寸为6mx6mx.4m.重约22t,相邻栅栏板间距IOCm。冲刷坑核心区防护设计垂向布宜自上而下依次为厚1.5m的袋装睑干混料、厚2m3m的袋装碎石，总厚度3m5m,我中袋装碎石作为反港层，防止原冲刷坑底的淤泥及粉土底质受紊流作用而被淘刷，袋装册混料防止表面冲刷。图IT东海大桥桥墩桩基防护结构形式12工程背景1.1.1 袋装碎石及干混料抛填的主要技术难度东海大桥桥墩防冲刷保护因为特殊的施工环境及恶劣的自然条件，桩群内回填料抛填技术难度大，主要由以下几个方面：(1)恶劣的自然环境东海大桥海域具有明显的海洋性气候特征，天气变化且杂，受台风、冷空气影响频繁，全年可作业有效作业时间短。同时该区域潮差变化大，平均潮差达3.2m.最大潮是达5.Mm,涨落潮时流速较快，MI填料抛填时必须避开急涨急落流，造成每天实际作业时间也较短，因此对抛填工艺的施工效率要求较高。最后是该海域水深枝深.冲刷坑最低标高普遍低于-25m,受此影响回填料抛填过程中的受水流影响的偏移量及流失量较大。(2)现有桩基及墩台的影响东海大桥下部基础一般采用高桩承台结构和圆形基桩形式，本次试验工程各桥墩桩基数量、墩台直径及相邻桥墩间的跨度如下表所示：表桥墩承台、桩基结构形式统计表序号桩位图示桃基类型姆号桃基数负(根)承台尺寸(m)相邻墩台间跨度(m)11500钢管桃PM135PM136PM137(2X7)10X4.34921500钢管桃PM434PM435PM437PWI38(2X8)11X4.359由上表可知，东海大桥墩台下部钢管桩数地多，结构更杂。钢管桩平面扭角、斜率各有不同，在桩群内部进行防冲刷保护在国内尚属首次，技术难度大。常规抛石方法不能抛填至冲刷坑核心区域。(3)桥面以下净空高度的限制由于施工船舶需进入到侨面以下施工，我项目部对桥面以下净空高度进行了统计并实地勘察，统计情况见下表：表1-2桥卜净空高度统计表承台号墩台底标窝Gn)塔台顶标高加)墩台至桥面净高()PM1350.35-1.1513,11PM1.360.354.1513,32PM1.370.354.1513.51PM1.340.715.04_8.8fiPMI350.71«,88PM1.370.745,O1.9QPM438.(1.H5JMSJS由上表可知，桥面至承台顶净空高度最小高度为8.88m。受此限制，沿海一带运输船无法进入桥下驻船，船载吊机不能在桥面以下自由变幅、安全旅工。在风浪的影响下，易发生吊机臂碰撞船面上部结构安全事故。图1-2现仃桥梁跨度及桥面以下净高眼制(4)钢管桩表面防腐涂料及牺牲阳极块保护要求高钢管班表面环制树脂涂料层及牺牲阳极块在桩基防腐中起到决定性作用，影响大桥使用寿命，抛填过程中不能对现有防腐涂层及牺牲阳极块造成损伤，影响钢管桩使用寿命；1.2 .2施工方案比选课题组充分分析了东海大桥海域施工环境的特点，对国内外现有施工工艺作了大量调研、比选，目前较为传统水下抛石方法主要有：网兜法抛石，直溜筒抛石。(1)传统网兜抛石法网兜法他石，即直接用钢丝网兜将石料吊起抛入水中，抛填时网兜打开高度应贴近水面，抛石过程中，由于受潮流、风向、水位高低的影响，要注意潮流、风力的大小、方向和块石的规格及水位的高低，确定抛点和落石点的位宜。传统网兜法抛石适合于常规开阔水域抛石堤身施工，受东海大桥既有构筑物影响，拗填的袋装碎石无法仃效地进入桩基内部的冲刷坑，11受桥下净空高度影响，运输船无法进入桥下区域，如果需要运输船进行桥下，则需对每条运输船起重形式进行改装，目前市场上没有现成的满足本工程施工高度的运输船。(2)直溜筒抛石船直溜筒抛石法是直接用网兜或者用吊机船辅助抛石船将块石吊起放入溜筒中，块石通过溜筒上布置的过渡网进行筛选后经过溜筒抛入水中,通过溜筒料口底标高来控制抛石标高。受东海大桥既有构筑物影响，抛填的袋装碎石也无法有效地进入桩基内部的冲刷坑：直溜筒在移船过程中易碰撞钢管桩，造成防腐层及牺牲阳极块的破坏；II受桥下净空高度影响，运输船无法到达桥下区域，故直接采用直溜筒地石法仅适用于抛填外围区域。传统的水下抛石方法及拗石设备并不适用于桩基内部回填料的抛填作业。为了满足东海大桥桥墩桩基过度冲刷区域防护施工要求，亟需研制新型抛石设备，目前，我们前后已研制了四套抛石装置，基本满足回填料抛填的施工要求。在装置的研制和应用过程中，我们不断进行总结和改进，使装置不断趋于完善。现对我们研制和应用的水下定点抛石装置作总结，供大家参考。第2章定点抛石装置结构各部件和各系统的设计和改进2.1定点抛石装置部件和系统的组成定点抛石装置由行走平车、旋转平台底座、旋转平台、进石料斗、抛石溜筒等部件以及平车行走、平台支撑、平台导向、平台旋转、溜筒变幅、溜筒伸缩等系统组成.，整套装置通过行走平军的四个走轮坐落在甲板驳一边般侧的两根轨道上，如图2-1所图27定点抛石装置部件和系统的组成示意图2.2行走平车的设计和改进(1)行走平车要承受抛石装置其他所有部件的自觉以及运动部件在施工作业中产生的冲击力，其主体结构(车身和轮架)须具有足够的强度、刚度和稳定性。(2)行走平车下设四个行走轮，行走轮沿敷设在驳船甲板上的两根凯道行走，使整套定点电石装置可在船长范围内进行抛石施工作业。行走轮的轮距不小于55m.轨距与驳船的舷侧板至纵舱壁(或甲板纵桁)的间距相同，且不小于4m。行走轮的走轮、走轮轴和轴承等构件均能承受整个抛石装置在施工作业时产生的载荷。(3)由于驳册甲板横向具有梁拱，因此行走平车内外两组走轮处的甲板有高低差。在敷设平车内外两根轨道时，需采取措施将两根轨道顶面调平。前期采用在外供，轨道下垫200X114X2700Omm的铁板的措施进行调平，但结构笨重，费用较高。在后来的研制和应用实践中，将平车的内外两组走轮改进为具有高低差，减少了轨道敷设的工作量、费用和难度。如图22所示。图2-2行走平车的设计示意图2.3旋转平台底座、平台支撑和导向系统的设计和改进(1)旋转平台底座是作为旋转平台安装支撑、导向系统的结构件，坐落在行走平车的上平面，底座承受旋转平台上的所有部件(包括旋转平台和抛石溜筒)的自重静载荷和施工作业时产生的动载荷，所以底座的强度和刚度应满足动静载荷的要求。(2)平台的支撑和导向系统，先期利用滚轮作为支撑和导向构件，因滚轮支撑为点接触，滚轮的受力因为旋转平台的旋转以及船舶摇摆的影响而变化很大，滚轮轴承易损。后改进为利用工程塑料合金作为接触面的平面支掾和曲面导向，该摩擦片能承受压强为400kgcm20如图2-3所示。图23旋转平台底座、平台支撑和导向系统示意图(3)旋转平台原设计尺寸是5m6m,停驳状态时凸出船舷1500mm,此侧船舷无法靠船，严重影响了码头的利用率。现将变幅机构改为油就推进，把平台重新布置，设计为5mx5m,停驳状态时凸出船舷470mm。基本不散响匏驳，大大提高了码头利用率。通过施工实践，证明改进后的平台支掾和导向系统完全满足抛石装设工作时对平台(包括旋转平台上的所有部件和抛石溜筒)的支掾和导向功能。工程塑料合金作为一种新型的工程材料，具有抗压强度高、耐磨性能好、与金属的摩擦系数小等优点，闪此，我们认为在今后的设备设计中，将它作为受压的相对滑动摩擦的接触面材料，具有广泛的推广应用价值。2.4旋转平台、平台旋转系统的设计和改进(1)旋转平台是抛石装置中较为重要的一个结构件，它不但承载着装置中的抛石溜筒部件以及溜筒的变幅、伸缩系统的所有部件的自重修载荷和施工作业时产生的动载荷，而且还承载着用于平衡溜筒变幅时产生的帧凝力矩的压载(约重40D重量。所以旋转平台的结构设计必须考虑这些因素。(2)旋转平台与我底座的配合，是有两个直径不同的圆柱筒体组成的，旋转中心处也是有两个直径不同的例柱筒体组成。抛石装置在研制和应用过程中，我们发现：两组圆柱筒体径向之间的间隙应不大于