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摘要：起重船放置导管架入水后采用四根辅助导管进行粗定位，再用调平油缸水平调平；之后，上滑块的滑移油缸结合GPS信号进行精确定位后锁死；最后通过上下滑块的夹桩器进行微调及垂直度修正，以达到工程设计所需要的安装精度要求。
关键词：定位桩；导向架；GPS；滑移油缸；桥梁建设 文献标识码：A
中图分类号：U655 文章编号：1009-2374（2017）04-0109-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.056
1 概述
基于已完成的港珠澳大桥桥梁试桩工程情况以及杭州湾大桥的定位桩安装，采用传统打桩船打设钢管桩，其垂直度只能做到1/200L，平面误差在10cm左右，而现在越来越多新的跨海工程设计的要求垂直度已达到1/400L，平面误差在5cm以内。传统大型打桩船依靠锚泊系统来实线船舶在海上的定位和移船，而锚泊系统一般采用钢丝绳或锚链作为锚缆，锚缆在锚抛出去数百米后，即使由锚机将钢丝绳拉紧，但由于受到钢丝自身重量影响，会形成一个弧度。锚缆自身具有一定的弹性，造成了船体在波浪或风、水流的影响下，产生一定程度的位移或倾斜，位移量一般都远超过10cm，且产生极频繁的晃动，从而造成上述两项指标都难以达到。
同时，由于某些海域（如江河入海口、洋流经过处）水流流速大，风浪影响频繁，这些环境因素都会对传统定位桩的安装施工造成极大的不确定性。
所以，采用常规錨泊定位的打桩船及导向架已经难以达到目前的工程工艺要求的，为此我们专门研究了能适应各种复杂海况的GPS打桩导向定位架系统。
2 工作原理
该导向定位架参考港珠澳大桥的一个桩点四根桩的安装模式设计，主要是采用起重船将该架在指定位置进行安装并粗定位（粗定位精度为±200mm范围内），将该架放置在泥面上，该架底部设有防沉板以防止下沉。然后采用四根钢管桩作为导向架辅助桩腿穿过该架位于四角的四个导管插入泥面至并沉桩至泥面以下50m，通过调平油缸将导向架调平并固定在桩上，利用该架上下两层夹桩器通过液压油缸及平面滑移系统在一定范围内（±300mm）产生四个夹桩器整体平面滑移。因调整层的四个夹桩器均形成一个整体，所以桩的相对位置不会发生变化，而通过上下调整层的相对平面滑移，可精确调整桩的平面位置及垂直度，先用振动锤施打，在施打过程中严密监控桩的垂直度变化，垂直度一出现变化马上采用振动锤进行纠偏，一直将桩振动至-50.0m标高处。此时桩已基本稳定，并进入较硬的土质（N=10以上），再更换液压打桩锤在定位架的导向下打至设计标高
-70.0m处，即满足设计要求。
3 打桩定位导向架基本构造
打桩定位导向架主要材质为船用钢，主体由四根钢管作为导管，导管间距为13m×10.9m。采用Φ800mm×δ12mm钢管作为主横撑杆焊接成一个四方立体导管式定位导向架。定位导向架设置上、下两个精确调节导向层，两层导向装置间距为12m。导向定位架底部设置防沉板，防止导向架在安放到泥面后下沉。见图1所示：
4 导向架主要系统装置
4.1 上层调节装置
上调整层由下滑板、上滑板、四个夹桩器、八个滑移油缸、导向板以及支撑系统组成。
下滑板焊接在导向定位架主体上，可支撑上滑板及四个夹桩器并使其可在上面滑动。
夹桩器的主要功能是让桩通过，并对桩进行位移限制，仅允许桩进行轴向的移动及夹紧桩。四个夹桩器按桩位的间距，焊接布置在上滑板上形成一个整体。
上调整层的主要功能是使四个夹桩器形成一个整体，使四根桩分别通过导向板进入夹桩器后的相对位置固定不变。在夹桩器将桩夹紧后，可将四根桩在保持相对位置不变的情况下，整体在±300mm的范围内进行任意方向的平面精确移动，当四个桩位的平面误差均达到设计要求后，可通过机械方式对上滑板以及其上的四个夹桩器进行锁定。
上滑板与下滑板之间可通过八个滑移油缸（每侧两个）调节，进行平面任意方向滑动，使焊接在上滑板上的四个夹桩器产生平面移动，从而达到调整桩位平面位移的目的。
下滑板焊接固定在导向定位架本体上，起支撑上滑板及焊接在上滑板上四个夹桩器的作用，同时提供给上述构件在上面滑动的平面。面层采用磨平加工，以减少滑动摩擦力。
上滑板按桩位尺寸开孔，将四个夹桩器焊接在开孔的相应位置，可让桩通过并将桩夹紧。上滑板下表面须进行磨平加工，以减少与下滑板之间的滑动摩擦力。
夹桩器由以下主要部件组成：圆形箱体、导向板、夹桩油缸、夹桩滚轮、滚轮滑道，夹桩器焊接固定在上滑板上，夹桩导轮由液压油缸推动，也可用机械形式锁定。
下层导向装置：下层导向调节装置同上层调节装置结构及工作原理相同。在上层导向装置调整四根桩的平面位置达到设计要求并采用机械锁定后，当桩进入下层导向调整装置后，通过对下层位置的精确调整，可精确调整桩的垂直度。
4.2 液压系统
每个导向架调整层有24个液压油缸（其中16个夹桩器夹桩油缸、8个滑移油缸），上、下两个层导向装置，有48个液压油缸（其中32个夹桩器油缸、16个滑移油缸）。四个导管下部用于固定导管与桩的油缸2个×4=8个，共有56个油缸。此外，导管架调平系统在每根导管顶部设置一台液压千斤顶，共四台。液压系统将上、下两层分成两个系统，在导向架顶部设置两台型号相同可相互替代的液压动力站及油缸控制台。
4.3 GPS定位系统
GPS定位天线设置在上层导向装置的轴线上（此轴线与大桥纵向轴线重合），数量为两个，固定处为上滑块两端。当滑移油缸推动上滑块微调时，天线达到预定位置，且大桥设计轴线与天线两点连线垂直并经过其中点时，则精确定位成功。
5 导向定位架详细工作过程 进行必要的施工准备：导向定位架的承台基坑开挖整平，导向定位架运输到位，起重船牵引工程船定泊就位。
在导管架安装前，首先要调整校核下层导向装置的四个夹桩器的中心位置及夹桩滚轮的相对位置至设计要求值，再用机械式锁死四个下夹桩滚轮的位置，下夹桩滚轮在导管架下水安装后不再进行调整，以保证下层四个夹桩器中心位置不变。
起重船吊装导向定位架时，用起重船艏的两台卷扬机通过钢丝绳水平拉紧导向定位架。在起重船艏对面方面由配合工程船的上卷扬机用两根钢丝绳水平拉紧导向定位，使导向定位架在下水至安装到泥面的过程平面位置得到有效的控制，在GPS定位装置的监控下通过钢丝绳来调节初步到达预定位置，确保导向定位架的粗定位精度控制在±200mm以内（如下图）：
5.1 导管架辅助桩腿打桩
导向架的粗定位完成以后，由起重船吊起导管架辅助桩插入到导向定位架导管内，再吊起电动振动锤对钢管桩进行振动沉桩，将桩沉至底标高-50m处。然后对其余三根导向定位架固定桩用相同方法沉桩。导管架辅助桩腿沉桩后，采用机械锁死。此时，固定桩桩尖已经穿过淤泥层到达较硬土层，能够固定整个导向定位架。
5.2 导向定位架调整水平度
导管架辅助樁钢管沉桩完成后，需对该架进行调平。
通过在四个导管顶部及相应导管架辅助桩钢管顶部焊接牛腿，设立四个导管调平油缸（见图1），在水平仪的监控下对导向架进行调平，导向定位架不平整度不超过5mm。
5.3 上层导向装置桩体定位
利用上层导向装置的上滑板中心线两侧的GPS接收天线，根据GPS定位系统的数据，通过调节上滑板上四个方向共八个滑移油缸对其进行微调，使上层四个夹桩器桩位的平面位置达到设计要求，重新校核夹桩器四个夹桩滚轮的相对尺寸及中心线位置，再次确定四个桩位及中心线位置达到设计要求后，采用机械形式对上滑板位置以及四个夹桩器的导向轮位置进行锁死，确保上层夹桩器的四个桩位及中心线位置不产生移动，使上滑板四个夹桩器的桩位及中心线成为该墩台桩位基准点。
5.4 工程桩插桩
用起重船将目标钢桩吊起至导向架上部，桩通过夹桩器的导向板向夹桩滚轮中心进入，逐步下放桩至下层夹桩器处。
5.5 调节钢管桩的垂直度
通过全站仪观察钢管桩的垂直度情况，然后调节下层导向装置的滑移油缸，通过其水平方向的滑移来调节桩的垂直度，下层导向装置的八个滑移油缸通过伸缩器可调整相应的上滑板，使下层导向装置的四个夹桩器整体做水平移动，使桩的垂直度产生变化，从而达到调整垂直度的目的。因为滑移油缸的调整平稳，速度可控制快慢，通过下层导向装置八个滑移油缸的位置调整，可使桩的垂直度达到设计要求。当桩的垂直度达到要求之后，锁紧下层导向装置滑移油缸，使桩位不再变化。在整个调节过程中要不断微调，并实时监测，严格控制精度，以达到精确调整的目的。
5.6 振动锤稳桩并纠偏
水平精度和垂直度调节达标之后，将上下两层导向装置的所有滑移油缸锁定。然后用电动振动锤进行振动沉桩作业，在沉桩过程中要对钢管桩的垂直度进行实时的监测，发现垂直度超过设计要求时，利用振动锤可纠偏的特性，及时纠偏，振动锤沉桩施工至约-50m的深度。
5.7 液压打桩锤沉桩
振动锤沉桩施工至约-50m标高时，钢管桩的平面位置及垂直度已经基本稳定，再采用液压锤进行吊打，在导向架的导向下将桩施打至-70m处。上述的沉桩技术和工艺，沉桩的平面误差及垂直度要求应该能满足设计要求。
5.8 导向架吊离
四根桩全部施打结束后，上、下两层的所有夹桩导向轮全部打开，使钢管桩与夹桩器产生200mm的间隙，然后用起重船吊运导向架离开施工现场。
6 结语
本文旨在通过增加辅助系统，以实现在各类不利海况下，保证定位桩施工精度跟上现代越来越高的施工要求。截至论文完成时，本方法已在港珠澳大桥圆满完成多个桩基任务，接下来将会在我国沿海各桩基工程中得到大力推广。
参考文献
[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社，1999.
[2] 徐灏，邱宣怀，等.机械设计手册[M].北京：高等教育出版社，1992.
[3] 陈启松，等.液压传动与控制手册[M].上海：上海科学技术出版社，2006.
[4] 日本工程船舶设计标准编订委员会.工程船舶设计基准[M].北京：国防工业出版社，1977.
作者简介：殷婷婷（1985-），女，江苏人，上海振华重工（集团）股份有限公司工程师，中级工程师，研究方向：船舶与海洋工程；严辉煌（1986-），男，湖北人，戈朗（上海）海事技术咨询有限公司工程师，中级工程师，研究方向：船舶与海洋工程。
（责任编辑：小 燕）
关键词：定位桩；导向架；GPS；滑移油缸；桥梁建设 文献标识码：A
中图分类号：U655 文章编号：1009-2374（2017）04-0109-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.056
1 概述
基于已完成的港珠澳大桥桥梁试桩工程情况以及杭州湾大桥的定位桩安装，采用传统打桩船打设钢管桩，其垂直度只能做到1/200L，平面误差在10cm左右，而现在越来越多新的跨海工程设计的要求垂直度已达到1/400L，平面误差在5cm以内。传统大型打桩船依靠锚泊系统来实线船舶在海上的定位和移船，而锚泊系统一般采用钢丝绳或锚链作为锚缆，锚缆在锚抛出去数百米后，即使由锚机将钢丝绳拉紧，但由于受到钢丝自身重量影响，会形成一个弧度。锚缆自身具有一定的弹性，造成了船体在波浪或风、水流的影响下，产生一定程度的位移或倾斜，位移量一般都远超过10cm，且产生极频繁的晃动，从而造成上述两项指标都难以达到。
同时，由于某些海域（如江河入海口、洋流经过处）水流流速大，风浪影响频繁，这些环境因素都会对传统定位桩的安装施工造成极大的不确定性。
所以，采用常规錨泊定位的打桩船及导向架已经难以达到目前的工程工艺要求的，为此我们专门研究了能适应各种复杂海况的GPS打桩导向定位架系统。
2 工作原理
该导向定位架参考港珠澳大桥的一个桩点四根桩的安装模式设计，主要是采用起重船将该架在指定位置进行安装并粗定位（粗定位精度为±200mm范围内），将该架放置在泥面上，该架底部设有防沉板以防止下沉。然后采用四根钢管桩作为导向架辅助桩腿穿过该架位于四角的四个导管插入泥面至并沉桩至泥面以下50m，通过调平油缸将导向架调平并固定在桩上，利用该架上下两层夹桩器通过液压油缸及平面滑移系统在一定范围内（±300mm）产生四个夹桩器整体平面滑移。因调整层的四个夹桩器均形成一个整体，所以桩的相对位置不会发生变化，而通过上下调整层的相对平面滑移，可精确调整桩的平面位置及垂直度，先用振动锤施打，在施打过程中严密监控桩的垂直度变化，垂直度一出现变化马上采用振动锤进行纠偏，一直将桩振动至-50.0m标高处。此时桩已基本稳定，并进入较硬的土质（N=10以上），再更换液压打桩锤在定位架的导向下打至设计标高
-70.0m处，即满足设计要求。
3 打桩定位导向架基本构造
打桩定位导向架主要材质为船用钢，主体由四根钢管作为导管，导管间距为13m×10.9m。采用Φ800mm×δ12mm钢管作为主横撑杆焊接成一个四方立体导管式定位导向架。定位导向架设置上、下两个精确调节导向层，两层导向装置间距为12m。导向定位架底部设置防沉板，防止导向架在安放到泥面后下沉。见图1所示：
4 导向架主要系统装置
4.1 上层调节装置
上调整层由下滑板、上滑板、四个夹桩器、八个滑移油缸、导向板以及支撑系统组成。
下滑板焊接在导向定位架主体上，可支撑上滑板及四个夹桩器并使其可在上面滑动。
夹桩器的主要功能是让桩通过，并对桩进行位移限制，仅允许桩进行轴向的移动及夹紧桩。四个夹桩器按桩位的间距，焊接布置在上滑板上形成一个整体。
上调整层的主要功能是使四个夹桩器形成一个整体，使四根桩分别通过导向板进入夹桩器后的相对位置固定不变。在夹桩器将桩夹紧后，可将四根桩在保持相对位置不变的情况下，整体在±300mm的范围内进行任意方向的平面精确移动，当四个桩位的平面误差均达到设计要求后，可通过机械方式对上滑板以及其上的四个夹桩器进行锁定。
上滑板与下滑板之间可通过八个滑移油缸（每侧两个）调节，进行平面任意方向滑动，使焊接在上滑板上的四个夹桩器产生平面移动，从而达到调整桩位平面位移的目的。
下滑板焊接固定在导向定位架本体上，起支撑上滑板及焊接在上滑板上四个夹桩器的作用，同时提供给上述构件在上面滑动的平面。面层采用磨平加工，以减少滑动摩擦力。
上滑板按桩位尺寸开孔，将四个夹桩器焊接在开孔的相应位置，可让桩通过并将桩夹紧。上滑板下表面须进行磨平加工，以减少与下滑板之间的滑动摩擦力。
夹桩器由以下主要部件组成：圆形箱体、导向板、夹桩油缸、夹桩滚轮、滚轮滑道，夹桩器焊接固定在上滑板上，夹桩导轮由液压油缸推动，也可用机械形式锁定。
下层导向装置：下层导向调节装置同上层调节装置结构及工作原理相同。在上层导向装置调整四根桩的平面位置达到设计要求并采用机械锁定后，当桩进入下层导向调整装置后，通过对下层位置的精确调整，可精确调整桩的垂直度。
4.2 液压系统
每个导向架调整层有24个液压油缸（其中16个夹桩器夹桩油缸、8个滑移油缸），上、下两个层导向装置，有48个液压油缸（其中32个夹桩器油缸、16个滑移油缸）。四个导管下部用于固定导管与桩的油缸2个×4=8个，共有56个油缸。此外，导管架调平系统在每根导管顶部设置一台液压千斤顶，共四台。液压系统将上、下两层分成两个系统，在导向架顶部设置两台型号相同可相互替代的液压动力站及油缸控制台。
4.3 GPS定位系统
GPS定位天线设置在上层导向装置的轴线上（此轴线与大桥纵向轴线重合），数量为两个，固定处为上滑块两端。当滑移油缸推动上滑块微调时，天线达到预定位置，且大桥设计轴线与天线两点连线垂直并经过其中点时，则精确定位成功。
5 导向定位架详细工作过程 进行必要的施工准备：导向定位架的承台基坑开挖整平，导向定位架运输到位，起重船牵引工程船定泊就位。
在导管架安装前，首先要调整校核下层导向装置的四个夹桩器的中心位置及夹桩滚轮的相对位置至设计要求值，再用机械式锁死四个下夹桩滚轮的位置，下夹桩滚轮在导管架下水安装后不再进行调整，以保证下层四个夹桩器中心位置不变。
起重船吊装导向定位架时，用起重船艏的两台卷扬机通过钢丝绳水平拉紧导向定位架。在起重船艏对面方面由配合工程船的上卷扬机用两根钢丝绳水平拉紧导向定位，使导向定位架在下水至安装到泥面的过程平面位置得到有效的控制，在GPS定位装置的监控下通过钢丝绳来调节初步到达预定位置，确保导向定位架的粗定位精度控制在±200mm以内（如下图）：
5.1 导管架辅助桩腿打桩
导向架的粗定位完成以后，由起重船吊起导管架辅助桩插入到导向定位架导管内，再吊起电动振动锤对钢管桩进行振动沉桩，将桩沉至底标高-50m处。然后对其余三根导向定位架固定桩用相同方法沉桩。导管架辅助桩腿沉桩后，采用机械锁死。此时，固定桩桩尖已经穿过淤泥层到达较硬土层，能够固定整个导向定位架。
5.2 导向定位架调整水平度
导管架辅助樁钢管沉桩完成后，需对该架进行调平。
通过在四个导管顶部及相应导管架辅助桩钢管顶部焊接牛腿，设立四个导管调平油缸（见图1），在水平仪的监控下对导向架进行调平，导向定位架不平整度不超过5mm。
5.3 上层导向装置桩体定位
利用上层导向装置的上滑板中心线两侧的GPS接收天线，根据GPS定位系统的数据，通过调节上滑板上四个方向共八个滑移油缸对其进行微调，使上层四个夹桩器桩位的平面位置达到设计要求，重新校核夹桩器四个夹桩滚轮的相对尺寸及中心线位置，再次确定四个桩位及中心线位置达到设计要求后，采用机械形式对上滑板位置以及四个夹桩器的导向轮位置进行锁死，确保上层夹桩器的四个桩位及中心线位置不产生移动，使上滑板四个夹桩器的桩位及中心线成为该墩台桩位基准点。
5.4 工程桩插桩
用起重船将目标钢桩吊起至导向架上部，桩通过夹桩器的导向板向夹桩滚轮中心进入，逐步下放桩至下层夹桩器处。
5.5 调节钢管桩的垂直度
通过全站仪观察钢管桩的垂直度情况，然后调节下层导向装置的滑移油缸，通过其水平方向的滑移来调节桩的垂直度，下层导向装置的八个滑移油缸通过伸缩器可调整相应的上滑板，使下层导向装置的四个夹桩器整体做水平移动，使桩的垂直度产生变化，从而达到调整垂直度的目的。因为滑移油缸的调整平稳，速度可控制快慢，通过下层导向装置八个滑移油缸的位置调整，可使桩的垂直度达到设计要求。当桩的垂直度达到要求之后，锁紧下层导向装置滑移油缸，使桩位不再变化。在整个调节过程中要不断微调，并实时监测，严格控制精度，以达到精确调整的目的。
5.6 振动锤稳桩并纠偏
水平精度和垂直度调节达标之后，将上下两层导向装置的所有滑移油缸锁定。然后用电动振动锤进行振动沉桩作业，在沉桩过程中要对钢管桩的垂直度进行实时的监测，发现垂直度超过设计要求时，利用振动锤可纠偏的特性，及时纠偏，振动锤沉桩施工至约-50m的深度。
5.7 液压打桩锤沉桩
振动锤沉桩施工至约-50m标高时，钢管桩的平面位置及垂直度已经基本稳定，再采用液压锤进行吊打，在导向架的导向下将桩施打至-70m处。上述的沉桩技术和工艺，沉桩的平面误差及垂直度要求应该能满足设计要求。
5.8 导向架吊离
四根桩全部施打结束后，上、下两层的所有夹桩导向轮全部打开，使钢管桩与夹桩器产生200mm的间隙，然后用起重船吊运导向架离开施工现场。
6 结语
本文旨在通过增加辅助系统，以实现在各类不利海况下，保证定位桩施工精度跟上现代越来越高的施工要求。截至论文完成时，本方法已在港珠澳大桥圆满完成多个桩基任务，接下来将会在我国沿海各桩基工程中得到大力推广。
参考文献
[1] 中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册[M].北京：国防工业出版社，1999.
[2] 徐灏，邱宣怀，等.机械设计手册[M].北京：高等教育出版社，1992.
[3] 陈启松，等.液压传动与控制手册[M].上海：上海科学技术出版社，2006.
[4] 日本工程船舶设计标准编订委员会.工程船舶设计基准[M].北京：国防工业出版社，1977.
作者简介：殷婷婷（1985-），女，江苏人，上海振华重工（集团）股份有限公司工程师，中级工程师，研究方向：船舶与海洋工程；严辉煌（1986-），男，湖北人，戈朗（上海）海事技术咨询有限公司工程师，中级工程师，研究方向：船舶与海洋工程。
（责任编辑：小 燕）