CN105155539A - 一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置以及施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置以及施工工艺，该水下导向装置包括钢圈梁、导向单元、钢浮箱、限位装置以及提升装置，其中钢圈梁的外径与格形板桩大圆筒内径相对应；导向单元设置在钢圈梁上，并与格形板桩大圆筒内侧接触进行导向；钢浮箱设置在钢圈梁上，通过浮力控制钢圈梁在水中的位置；限位装置设置在钢圈梁上，限制钢圈梁在水下定位后的平动、转动；提升装置布置在钢圈梁上，用于将钢圈梁吊出水面。基于本发明提供的水下导向装置，可使得振沉的钢板桩偏位、垂直度、变形等指标大为改善，施工效率明显提升、施工质量大为改善。

Description

一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置以及施工工艺

技术领域

本发明涉及格形钢板桩，具体涉及格形钢板桩的施工辅助装置及工艺。

背景技术

参见图1，格形钢板桩是指在工厂进行热轧等处理后加工成两端有锁口形状的构件，作为支护结构的一种类型，它具有高强、轻质、隔水性好、使用寿命长、安全性高、对空间要求低、环保效果显著等优点。格形板桩大圆筒是海上人工岛、码头、防波堤、护岸的一种常用的结构形式，主体是由数十片或数百片直线型钢板桩打成封闭的筒状窗格，内部填充砂石料构成，形成直立案壁，同时格形板桩又同内部填料一起通过抗剪切的方式抵抗建筑物所受的水平荷载。同时建筑物的自重以及竖向荷载通过格形板桩及填料传递到下层地基，并且主要靠自重来抵抗建筑物的整体滑动与倾覆。

格形板桩属于薄壁结构，特点是平面外的刚度非常小，在大吨位振动锤的冲击下容易发生屈曲变形，变形后一方面导致格形板桩锁口拉紧或顶死，造成沉桩困难或振沉不到设计标高；另一方面可能造成钢板桩结构的损坏，不利于工程安全。

参见图2，格形板桩大圆筒振沉施工的第一个步骤是板桩自重下沉，自重下沉时，由于风、浪、流、潮水等影响，下桩时不可避免会发生倾斜或变形，倾斜下桩会造成以下问题：①格形板桩锁口之间部分拉紧，部分顶紧，大大增加了锁口之间的摩擦力，造成沉桩困难；②格形板桩倾斜时，在振动锤的作用下产生水平方向的分力，易使钢板桩发生变形和破坏，进一步增加了锁口之间摩擦力，在进入硬土层之后，沉桩阻力大大增大，造成无法将钢板桩振沉至设计标高；③钢板桩倾斜时，还可能导致横振，导致振动锤能量得不到充分发挥，施工效率大大降低。

此外，由于格形板桩是一种薄壁结构，屈曲失稳是最为常见的破坏模式，格形板桩的稳定性与振动锤的激振力成反比，与格形板桩自由长度的平方成反比，一般情况下板桩的自由长度和水深有直接关系，因此，格形板桩振沉施工时应采取一定措施降低自由长度。

按照现有的沉桩技术和工艺水平，水面以下板桩的垂直度和自由长度难以控制。因此，采取一定的工艺措施和方法，控制板桩下桩时的垂直度，有效降低振沉时板桩的自由长度，就显得尤为重要。

发明内容

针对上述现有格形板桩大圆筒振沉施工过程中所存在的问题，本发明的目的在于以下两点：

目的1：提供一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置；

目的2：提供一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置的施工工艺。

由此控制格形板桩下桩时的垂直度和自由长度，有效降低格形板桩发生倾斜和变形，提高振沉施工的效率，提高施工质量。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

目的1：一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，所述水下导向装置包括：

一钢圈梁，所述钢圈梁的外径与格形板桩大圆筒内径相对应；

若干导向单元，所述若干导向单元设置在钢圈梁上，并与格形板桩大圆筒内侧接触进行导向；

若干钢浮箱，所述若干钢浮箱设置在钢圈梁上，通过浮力控制钢圈梁在水中的位置；

若干限位装置，所述若干限位装置设置在钢圈梁上，限制钢圈梁在水下定位后的平动、转动；

若干提升装置，所述若干提升装置布置在钢圈梁上，用于将钢圈梁吊出水面。

优选的，所述钢圈梁由若干段圈梁段拼接而成，每段圈梁段的横截面为矩形。

优选的，所述导向单元为半圆形钢管，对称设置在钢圈梁的外侧。

优选的，所述钢浮箱的最大浮力保证圈梁约1/3高度浮出水面，每个钢浮箱的底部设置有阀门，顶部设置有操纵阀门启闭的手柄。

优选的，所述若干钢浮箱中，两个为一组，相互对称的设置在钢圈梁上。

优选的，所述限位装置为一限位杆，设置在一组钢浮箱之间，与钢浮箱配合形成限位槽。进一步的，所述限位杆上设置有导向滚轮。

优选的，所述提升装置由卸扣、链条、钢丝绳、手拉葫芦配合组成。

目的2：一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置的施工工艺，该工艺包括如下步骤：

(1)拼装钢圈梁，将处于自浮状态的若干段圈梁段依次吊装到拼装位置，并依次进行拼接合拢成完整的钢圈梁；

(2)解除固定，并调节钢圈梁的沉浮状态，使得钢圈梁整体下沉到预定深度；

(3)利用水下的钢圈梁的导向进行安装、振沉格形板桩；

(4)钢板桩沉设完成后，通过提升装置提升钢圈梁出水面；

(5)调整钢圈梁的沉浮状态，使其处于自浮状态，并解除提升装置；

(6)解除各段圈梁段之间的连接，拆除钢圈梁。

优选的，所述步骤(1)首先将第一段圈梁段吊到预定位置，将第一段钢圈梁段吊到预定位置，关闭其上钢浮箱上的排水阀，使得该段圈梁段处于自浮的状态，并将该段圈梁段临时固定在格形板桩大圆筒施工支撑柱的上部工装上；

接着，根据水深计算提升装置的长度，并将提升装置挂在上部工装上；

再接着，将第二段圈梁段吊到预定位置，重复上述步骤，并将两段圈梁段并接连接在一起；

最后，重复上述步骤将其它剩余圈梁段安装到位，并最终合拢成整圆。

基于本发明提供的水下导向装置，可使得振沉的钢板桩偏位、垂直度、变形等指标大为改善，施工效率明显提升、施工质量大为改善。相对于现有技术，具有如下特点：

①在导向装置应用以前，大圆筒下桩后一般无法维持整圆的状态，有些地方往外凸起，有些地方往里凹，并随波浪、水流的方向呈椭圆形；应用导向装置后，大圆筒下桩后依然维持为整圆，垂直度也大为改善。

②增加导向装置有效降低了钢板桩的局部变形，相应的钢板桩锁口阻力大大降低，沉桩效率显著提高。

③增加导向装置直接缩短了钢板桩自由长度，钢板桩的整体变形明显降低，钢板桩的倾斜测试结果也表明，大圆筒的偏位、垂直度等指标有效改善。

④导向装置结构简单，具有自浮功能，不需要占用大型船机设备，安装、拆卸速度快，并可以循环利用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为格形钢板桩

图2为格形板桩大圆筒振沉施工示意图；

图3为本发明提供的水下导向装置的平面示意图；

图4为本发明提供的水下导向装置的剖面示意图；

图5为本发明提供的水下导向装置中钢浮箱示意图；

图6为本发明提供的水下导向装置中圈梁段连接示意图；

图7为本发明提供的水下导向装置中限位装置示意图；

图8为本发明提供的水下导向装置进行安装的示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图3，其所示为本发明提供的格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置的结构示意图。由图可知，整个水下导向装置主要包括：一钢圈梁100、若干导向单元200、若干钢浮箱300、若干限位装置400以及若干提升装置500(参见图8)。

其中，钢圈梁100为整个水下导向装置的主体，以承载其它组成部件，其外径和待施工的格形板桩大圆筒的内径相对应。

该钢圈梁100具体由若干段的钢圈梁段101首尾依次拼接成，由此方便起吊、运输。

在具体实现时，整个钢圈梁100采用横截面为矩形的结构(参见图4)，这的方形结构既便于其它组成部件的安装，有能够提高整个钢圈梁的强度。另外，该钢圈梁100由四段相同的圆弧形钢圈梁段101首尾依次拼接而成，相邻钢圈梁段101之间采用快速拼接结构102实现快速的拼接和拆卸。

参见图6，该快速拼接结构102主要由固定套102a、固定头102b以及若干的固定销102c配合构成，其中固定套102a安置相邻两待拼接钢圈梁段中一钢圈梁段的顶端上，该固定套102a上开设有容固定销102c插入的若干销孔，同时开设容固定头102b插入的安插孔；固定头102b相对于固定套102a固定设置在另一钢圈梁段的顶端上，其上开设有与固定套102a相对的销孔；固定销102c，用于在固定头102b安插在固定套102a中时，同时穿设在固定头102b和固定套102a上的销孔中，将固定头102b固定在固定套102a中，从而实现相邻两钢圈梁段的拼接。

基于该快速拼接结构102完成的相邻两钢圈梁段的拼接，在需要拆卸时，只要将固定销102c拔出，即可实现固定头102b与固定套102a的脱离，完成拆卸。

由此，通过该快速拼接结构102可非常便捷的实现钢圈梁段之间的拼接，并保证拼接后钢圈梁的稳固性。

针对上述的钢圈梁100，为便于现场施工进行拼装，在每段的钢圈梁段101还设置有相应的临时定位吊耳103(参见图4)。

本方案中的导向单元200，其设置在钢圈梁100与钢板桩接触部位，用于与格形板桩大圆筒内侧接触进行导向。

参见图4，该导向单元200具体采用半圆形钢管，设置在钢圈梁100的侧面，由此实现导向装置与钢板桩为点接触，保证导向效果最好。

对于导向单元200的数量，可根据实际需求而定，若干的导向单元200采用等距的方式依次设置在钢圈梁100的侧面上，以保证导向的可靠性。

本方案中的钢浮箱300用于调节整个导向装置在水中的沉浮状态，由此控制整个导向装置的工作状态。

钢浮箱300的大小和数量应经过计算，提供的浮力能够保证圈梁约1/3高度浮出水面，这样，浮箱既稳定有方便现场作业。

同时若干钢浮箱300的采用相互对称的方式设置在钢圈梁100上，这样有效保证钢圈梁100的整体平衡性和稳定性。

参见图5，为了有效每个钢浮箱300的浮力，在每个钢浮箱300的顶部设置有调节钢浮箱300内部气体的截止阀301，该截止阀301上设置有操纵阀门启闭的调节手轮302，同时在截止阀301的外侧设置有相应的截止阀保护套303。

同时在每个钢浮箱300的底部设置有调节钢浮箱300水量的截止阀304，该截止阀304上设置有操纵阀门启闭的加长手轮305，该加长手轮305位于加长手轮305的顶部，另外在截止阀304的外侧设置有截止阀保护套306。

由此构成的钢浮箱300，其上所有的操作手轮都为箱体的顶部，方便施工人员操作；同时通过相应的手轮控制截止阀301和截止阀304，以此来调节钢浮箱300内部空气与水量的比例，实现浮力的调节。

本方案中钢浮箱300除了对钢圈梁100提供可靠性的浮力，其还与限位装置400配合，对钢圈梁100形成有效限位。

为此，本方案中将两个钢浮箱300作为一组，且若干组的钢浮箱之间相互对称的设置在钢圈梁100上。每组的两个钢浮箱，相对的设置在钢圈梁100上，且延伸端面向钢圈梁100的内部，两个钢浮箱之间的间隙与限位装置400配合，形成限位槽(参见3和图7)。

对于两个钢浮箱之间的间距一般与格形板桩大圆筒施工时的水下支撑柱601相对对应，容其安置中其中。

基于上述方案，本钢浮箱300的方案在具体实现时，采用16个钢浮箱300，两个一组，分为8组，相对于格形板桩大圆筒施工时的8根水下支撑柱601相互对称的设置在钢圈梁100上。

如此设置除了能够保证钢圈梁100具有平衡可靠的浮力外，同时能够对8根水下支撑柱601配合，能够保证钢圈梁100在水下稳固性，使其始终保持水平，对格形板桩进行非常可靠的导向。

本方案中的限位装置400设置在钢圈梁100上，分别限制圈梁在水下定位后的平动、转动。

参见图7，为有效防止导向装置下水后位置偏离设计位置，限位装置400具体设置在钢圈梁100上每个钢浮箱组中，与每组的两个钢浮箱配合构成相应的限位槽。

该限位装置400具体包括一限位杆401，该限位杆401的两端分别通过连接座402连接两侧的钢浮箱300和钢圈梁100，由此该限位杆401与两侧的钢浮箱300配合形成与支承桩601配合的限位槽。

该限位杆401具体的限位的距离根据支承桩与钢板桩之间距离、现场水流的情况综合确定。

另外，本方案还在限位杆401上相对于支承桩与的位置设置有一导向滚轮403。该导向滚轮403在钢圈梁100上下浮动时，与对应的支承桩滚动配合，实现对钢圈梁100上下移动的导向，保证钢圈梁100移动的效率和可靠性，使其始终保持水平。

本方案中的提升装置500(参见图8)，用于在施工完成后可以将整个钢圈梁100吊出水面。

该提升装置500主要包括相互配合的卸扣、链条、钢丝绳、手拉葫芦等部件，这些部件之间如何配合构成提升机构，是本领域技术人员的熟知技术。

另外为了很好的配合该提升装置，本方案在钢圈梁上设置相应的提升装置吊耳501(如图4所示)。

由此，本方案在圈梁上相互对称的布置几套提升装置，同时提升装置的设计起吊能力除了克服导向装置自身的重量，还要考虑钢板桩对导向装置的锁紧力。

以下通过一具体实例来进一步的说明本方案。

参见图8，其所示为本实例采用水下导向装置对格形板桩大圆筒振沉施工进行导向的施工示意图。该实例中，整个格形板桩大圆筒振沉施工在相应的振沉施工工装600上进行。该振沉施工工装600主要由下部的支承桩601以及上部结构602组成，其中支承桩601顶部通过桩顶法兰603与上部结构602连接(参见图7)。而整个格形板桩大圆筒700将基于该工装进行振沉施工。

为了对格形板桩大圆筒振沉施工，本实例进一步现场拼装水下导向装置，在水下对格形板桩大圆筒进振沉导向。该水下导向装置整个施工过程如下：

步骤一：将第一段钢圈梁吊到预定位置，关闭其上的排水阀，圈梁处于自浮的状态，并将圈梁临时固定在上部工装上。根据水深计算提升装置的长度，并将提升装置挂在上部结构上。

步骤二：将第二段钢圈梁吊到预定位置，重复步骤一，将两段钢圈梁的首尾拼接在一起，并用销子将两段圈梁固定连接在一起。

步骤三：重复步骤二，将其他剩余圈梁安装到位，并最终合拢成整圆。此时整个钢圈梁上的钢浮箱与限位装置形成的限位槽分别与支承桩601对应配合(如图3所示)。

步骤四：安装水平限位装置，水平限位装置安装在迎潮水方向的3个支承桩上。

步骤五：解除每段钢圈梁临时固定装置，打开全部排水阀，放水使钢圈梁整体下沉。

在钢圈梁在整体下沉时，限位装置上的导向滚轮与对应的支承桩滚动配合，对钢圈梁下沉进行导向，避免水流或波浪对钢圈梁的影响，保证钢圈梁整体可靠的水平下沉。

步骤六：在钢圈梁下沉到位后，安装、振沉格形板桩。在整个振沉过程中，钢圈梁上的导向单元与钢板桩为点接触，进行高效导向。

步骤七：钢板桩沉设完成后，各提升装置用手拉葫芦同步交替、逐步提升钢圈梁出水面。

步骤八：待浮箱内水完全排出后，关闭水阀和气阀，解除提升装置。

步骤九：解除各段内支撑圈梁之间的连接，并吊至下一个施工现场。

由上可知，利用本方案提供的格形板桩大圆筒振沉水下导向装置，能够有效控制格形板桩下桩时的垂直度和自由长度，有效降低格形板桩发生倾斜和变形，提高振沉施工的效率，提高施工质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述水下导向装置包括：

一钢圈梁，所述钢圈梁的外径与格形板桩大圆筒内径相对应；

若干导向单元，所述若干导向单元设置在钢圈梁上，并与格形板桩大圆筒内侧接触进行导向；

若干钢浮箱，所述若干钢浮箱设置在钢圈梁上，通过浮力控制钢圈梁在水中的位置；

若干限位装置，所述若干限位装置设置在钢圈梁上，限制钢圈梁在水下定位后的平动、转动；

若干提升装置，所述若干提升装置布置在钢圈梁上，用于将钢圈梁吊出水面。

2.根据权利要求1所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述钢圈梁由若干段圈梁段拼接而成，每段圈梁段的横截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述导向单元为半圆形钢管，对称设置在钢圈梁的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述钢浮箱的最大浮力保证圈梁约1/3高度浮出水面，每个钢浮箱的底部设置有阀门，顶部设置有操纵阀门启闭的手柄。

5.根据权利要求1所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述若干钢浮箱中，两个为一组，相互对称的设置在钢圈梁上。

6.根据权利要求5所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述限位装置为一限位杆，设置在一组钢浮箱之间，与钢浮箱配合形成限位槽。

7.根据权利要求6所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述限位杆上设置有导向滚轮。

8.根据权利要求1所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置，其特征在于，所述提升装置由卸扣、链条、钢丝绳、手拉葫芦配合组成。

9.一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置的施工工艺，其特征在于，所述该工艺包括如下步骤：

(1)拼装钢圈梁，将处于自浮状态的若干段圈梁段依次吊装到拼装位置，并依次进行拼接合拢成完整的钢圈梁；

(2)解除固定，并调节钢圈梁的沉浮状态，使得钢圈梁整体下沉到预定深度；

(3)利用水下的钢圈梁的导向进行安装、振沉格形板桩；

(4)钢板桩沉设完成后，通过提升装置提升钢圈梁出水面；

(5)调整钢圈梁的沉浮状态，使其处于自浮状态，并解除提升装置；

(6)解除各段圈梁段之间的连接，拆除钢圈梁。

10.根据权利要求9所述的一种格形板桩大圆筒振沉施工水下导向装置的施工工艺，其特征在于，所述步骤(1)首先将第一段圈梁段吊到预定位置，将第一段钢圈梁段吊到预定位置，关闭其上钢浮箱上的排水阀，使得该段圈梁段处于自浮的状态，并将该段圈梁段临时固定在格形板桩大圆筒施工支撑柱的上部工装上；

接着，根据水深计算提升装置的长度，并将提升装置挂在上部工装上；

再接着，将第二段圈梁段吊到预定位置，重复上述步骤，并将两段圈梁段并接连接在一起；

最后，重复上述步骤将其它剩余圈梁段安装到位，并最终合拢成整圆。