江苏省泰州市 上海市基础工程集团有限公司 200433
摘要：在水上竖向沉管施工中通常采用振动锤下沉方式，但这种施工方式存在一定的局限性。高频免共振动锤沉桩设备有着扰动小适合于复杂周边环境施工等优点，能与振动沉管形成一个良好的互补。
关键词：长江航道、超深沉管、微扰动
三、引言
本文以镇江市大港水厂一期取水工程取水头施工为参考依据，对长江航道内超深竖向沉管施工时的周边环境扰动控制等关键施工技术问题进行了详细的分析，并针对可能出现的具体问题提出了切实可行的解决办法，具有实际工程意义。
四、工程背景介绍
镇江市大港水厂一期取水工程地处镇江新区采用顶管及水上沉管施工工艺，顶管施工完成后采取长江航道中心水面钢管竖向施工取水管道及安装取水头的形式从江心取水至场内泵房井，处理后经后续管道输送供水。
取水头部施工期间江面水位在+3.00m左右，取水顶管中心标高为-45.5m，水面与江底取水管高差接近50m，施工区域距离岸边1.5km，施工机械设备和船只均需穿越长江航道方可抵达取水头部区域，整体施工环境较为复杂。
取水头部采用8根56.7mDN900钢管桩沉入江底构筑水上施工平台桩基，搭设水上施工作业平台然后沉入50.09m长DN3000钢套管固定竖向沉管巷道阻绝长江水流影响，最后在DN3000套管内沉入DN1600竖向取水管并安装取水头。
取水竖向沉管主要穿越③-1层淤泥质粉质粘土、④-1层粉砂、④-2-2层粉质粘土、④-3层粉砂层及⑥-1层强风化花岗岩。该区域历年最高洪水位：6.7米（黄海高程），历年最低枯水位：-0.6米；最大流速：2m/s（洪水期），最小流速：0.5m/s（枯水期），平均流速：1m/s（水位中等）；取水头部最大冲刷深度10m。
五、长江航道内敏感环境超深沉管施工特点
取水顶管施工完成后，取水头中心距离附近丹阳市自来水厂西线取水埋管中心为9.6m，取水头桩架与丹阳取水埋管哈呋最近距离为8.05m，取水头作业时需施打平台定位钢管桩、DN4000套管、DN3000套管等竖向管道，采用沉桩施工工艺，将对管道周边土体形成挤压效应。丹阳取水管线目前已处于运营阶段，负责供应丹阳市人民供水，因此本工程取水头施工时，必须减少对丹阳取水管的影响确保丹阳取水管线的绝对安全。
由于取水头施工区域距离丹阳取水埋管较近，原丹阳埋管采用水下抛石覆盖压顶，在不足10m的范围内，本次取水头施工区域内存在一定量的丹阳管线抛石，对后续管桩的沉桩施工带来困难影响。
六、超深竖向沉管微扰动施工工艺的应用
1、采用高频免共振锤进行竖向沉管施工
由于取水头DN900管架桩及DN3000套管距离周边丹阳管线距离过近，为有效减少沉桩施工时对周边环境的影响，选用高频免共振振动锤进行沉桩施工。桩基础施工当中的振动锤设备本身就是利用了振动的原理来完成施工的，但在施工的过程当中却很难避免共振的发生，一般来讲普通的振动锤的频率一般在0~1krpm，土壤的共振频率正好在此区间，所以常规型号振动锤是没办法克服共振的。振动锤的工作原理是偏心块高速旋转产生激振力，通过夹具将激振力传递到桩身上，通过带动桩身做高速振动实现土壤液化，最终克服土壤摩擦力实现桩身下沉。但因为在设备启动和关闭的时候一定会经过土壤的共振频率范围，也就是在开启和关闭的时候有两次共振，这两次共振会沿着土壤的方向传递到更深更远的基础，从而造成施工邻近设施地基及管线的破坏。
（1）高频免共振振动锤与传统振动锤最大区别在于偏心力矩的调整，传统的振动锤具有恒定的偏心力矩。在启动和停止时，当超过周边建筑和管线的临界频率范围时，恒定振幅会导致土壤中产生较大的负面振动。振动不只出现在工作区，可延伸到周边相当长的距离。
（2）高频免共振振动锤偏心力矩可从0到50之间调节，在启动和停止时，它不会产生任何振动。在启动时振动锤的偏心力矩被关闭，通过临界频率区域后，达到其操作频率时就会立刻重新开启偏心力矩。
因此任何由土壤自身频率造成的共振都可避免，其振幅可以在0到100%之间自由调整，这样可以保证最大振动值和峰值振速永远不会超标。
DN3000钢套管施工的成功与否直接影响后续取水工程的质量和安全性，故其沉管施工保证平面位置准确及垂直度尤为关键。具体措施为：
（1）DN3000钢套管插入河床开始沉管前必须测量准确，测量内容为平面位置及垂直度。平面误差控制在10cm以内，垂直度控制在0.5%以内。
（2）DN3000钢套管沉管至顶管管顶以上4m时放慢沉入速度。
（3）DN3000钢套管沉管至顶管管顶以上1m时进一步放缓沉入速度，直至到位。
（4）当钢护筒底部距顶管约500时停止松放主钩，振动锤继续振动使钢护筒侧面的泥土充分液化后再缓慢松放，使钢护筒底部以顶管为导向将钢护筒沉入到设定的高程。
2、采用预施工DN4000套管河底清障措施
采用预先在DN3000套管外施工一根DN4000套管的方式，插入河床泥面以下10m，外露水面至施工平台，即顶标高+5.3m，底标高-28.2m，管长33.5m。
通过DN4000套管利用空气吸泥预先清除套管内10m土体至-28.2m标高，即丹阳取水埋管顶标高，若套管内存在石块，即派遣潜水员下潜，配合浮吊清理管内石块，该DN4000套管采用高频免共振锤进行施工。采用该工艺既能保证DN3000套管施工过程中不会遭遇石块影响，又能确保DN4000套管施工过程中不会对丹阳埋管带来影响，并且还能阻绝长江水流，为后续DN3000套管沉桩减少不利影响。
3、增加水下监测及应对措施
由于旁侧丹阳管道位于河床面以下十余米，难以进行水下直接连接观测设备，故采取间接观测的方式，具体措施为：
（1）在丹阳保护管线上方位置布置3根间接监测钢桩，一根放在丹阳管线中心，一根放在丹阳埋管桩架位置，一根放在丹阳管哈呋位置，钢桩规格300mm，桩底距离丹阳埋管管顶至少3m，桩顶露出泥面至少3m；在距离丹阳管线12米处布置两根定位桩，桩顶能露出泥面至少3m。
（3）利用三维图形声呐扫描设备，对水下2根定位桩和3根监测桩进行扫描定位，测量5根桩体之间的相对位置关系，用以判断沉桩施工中是否对周边环境扰动影响的程度。
根据设计院提出报警值为管道变形量的3%，即丹阳DN1800管道的3%为54mm，施工过程中控制按30mm作为报警监测值。通过采取三维图像声呐系统的方式，获取水下管线的变化数值情况，辅助监测。根据每日监测数据，结合30mm变形报警值限额，现场监测保护分为以下两个阶段：
（1）当位移及变形值接近报警值时，根据当前施工阶段降低振动力，减缓沉桩速度，并提高监测频率，观察在接下来一段施工期间内位移及变形监测值变化情况，若减小则恢复正常作业，若继续增大则进入第二阶段；
（2）当位移及变形值达到甚至超过报警值时，现场应立即停止施工，参建各方应组织讨论，并查找变形增大原因，寻找解决方案，在不利因素消除前不得继续后一步施工，直至不利因素消除。
七、工程实施效果
施工完成后，根据三维声呐监测数据，两个定位桩间距7.241m，两个监测桩净间距21.871m，左上角监测桩JC-02和左下角定位桩DW-02间距为，右上角监测桩JC-01和右下角定位桩DW-01间距为12.288m。将实际监测数据与原始数据对比可知，两根定位桩和两根监测桩原始数据与四米沉管打桩完成的监测数据的理论净间距值近似相等，因此定位桩和监测桩未发生位移。同时通过对比，被测点高程值变化满足预警值以内。
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对比图
八、结语
免共振沉管法在水上施工工艺已日趋成熟，并在工程实践中已得到广泛的应用，但面对长江航道内超深竖向沉管微扰动施工仍存在不少问题，掌握下沉速度控制、控制周边环境扰动是保证在长江大深度水深条件下能够微扰动施工的必备条件。本文针对此项关键技术进行了较为详细地分析，通过更新沉桩设备，改变沉桩工艺办法，加强环境监测手段，顺利的完成了镇江市大港水厂一期取水工程取水头施工任务，为今后同类型河流航道内超深的竖向微扰动沉管施工提供了较好的指导经验。
参考文献
[1]交通部颁发的《港口工程技术规范》
[2]交通部颁发的《港口工程质量检验评定标准》