主要完成人：  卢永昌 李伟仪 王汝凯 马小田陈振民

主要完成单位：中交第四航务勘察设计院有限公司

成果简介：

广东番禺蒲州护岸工程钢质大圆筒下沉施工

一、项目简介

插入式大直径圆筒是一种新型的水工结构，在岸壁工程中可以直接插入软土地基，避免了地基土体的大开挖或采用特殊的地基加固处理，而且能充分发挥地基土对结构的稳定作用，在圆筒沉设完毕后结构自身即可满足稳定的要求，从而可作为后方陆域形成的围堰而不需专门修建临时围堰或接岸结构。因此，在某些特定的地质条件下，该结构在工期及造价上比其它传统结构型式具有较大的优势。国外主要是日本和原苏联对这种结构作了多个工程的实践，而我国自上世纪80年代初引进该技术以来，推行及应用的情况并不太理想。中交第四航务工程勘察设计院着眼于该结构的特殊优势在2002年联合中港第一航务工程局在广东番禺蒲州护岸工程中采用四台美国APE400型液压振动锤组成的联合振动系统将40个直径13.5m，高13~34m，壁厚12~14mm的钢圆筒振沉到设计标高，单筒最大重量200t，最大入土深度达约30m，并在后方回填形成了完整的护岸结构。

广东番禺蒲州护岸工程是一次难得的深埋式大圆筒岸壁结构原型试验，为了深埋式圆筒结构设计及其振动下沉工艺的顺利推广应用，原中国港湾建设（集团）总公司决定以番禺南沙蒲洲海堤护岸工程为依托，进行钢质大圆筒结构施工期及使用期的原型观测，并对其结构的稳定性及振动下沉工艺进行研究、验证和总结。项目组通过两年多的努力，对插入式大直径圆筒岸壁结构的主要设计理论和方法和振动下沉工艺进行了全面的攻关和研究，其中主要内容包括大圆筒筒周土体力学指标的分析和选用、岸壁结构的稳定性计算模式、结构内力分析及加固措施、筒下基础加固措施以及成套大圆筒下沉工艺等方面的研究。

二、技术特点及创新点

（一）技术特点：

1、圆筒稳定性计算和分析

关于插入式大圆筒结构的稳定性计算方法问题，到目前为止，国内外均还处于研究与摸索阶段，理论原理与具体方法上也处于一种百家争鸣的状态。针对本工程的设计情况，研究认为在筒下有或无持力层两种情况下，插入式大圆筒岸壁结构的失稳机理和破坏形式是有所区别的。筒下有良好持力层时，岸壁结构的稳定模式更接近重立式；筒下无良好持力层时，其稳定的机理相对要复杂的多，筒体的失稳主要表现为绕某非固定点的转动。对本工程中有明显持力层的钢质大圆筒结构，采用“传统重力式”和“格型板桩”两种方法对有持力层的插入式钢质大圆筒结构的稳定性进行分析计算。无良好持力层工况的计算方法采用天津大学编制的“大直径薄壳圆筒结构计算软件系统（DYTJS V1.0）”进行计算，并采用数值分析法计算筒体的位移。筒体的稳定性和位移通过施工期和使用期的沉降和位移观测验证。

2、振动下沉过程筒体结构的稳定性计算和内力分析

圆筒壳在振动施工下沉过程中，圆筒壳主要受到轴向压缩作用，在强大的周期性振动荷载作用下筒壁有可能产生弹性失稳。本项目通过筒体的圆柱壳压曲稳定计算和动力有限元综合分析稳定振动下沉过程中筒体的稳定性、内力分布及变形。又根据屈曲计算和结构的动力有限元分析结果，采用相应的筒体加固措施增强筒体的刚度，以保证圆筒结构振动施工过程中安全可靠。筒体结构的稳定性在施工过程中得到证实，实测的筒体内力和变形结果和理论计算结果相近。

3、大圆筒的振动下沉施工工艺

大圆筒的下沉目前有静力压沉法、沉井法和振动法等，静力压沉法和沉井法下沉施工速度慢，特别是难于实现圆筒施工过程中的纠偏。本项目在世界上第一次采用四台大型液压振动锤联动实施钢质大圆筒的下沉。通过项目实践掌握了振动法下沉施工的全套施工工艺，特别是对下沉过程中如何控制筒体的垂直度形成了一套行之有效的办法。实践证明振动法下沉钢圆筒施工工艺是一种安全快捷的工艺，是一种对筒体下沉垂直度实现可控的工艺。

（二）创新点：

1、研究对不同持力层条件下的圆筒岸壁结构提出采用不同的稳定计算模式。对于筒体刃脚进入足够深度持力层的情况，采用日本规范的方法，格型钢板桩的方法及天津大学的方法均可满足设计的需要，而对于筒体刃脚没有良好的持力层，筒体稳定主要依靠土体的侧压力及摩阻力的情况，初步提出稳定性的判定标准，稳定计算方法。

2、在国内利用液压振动锤振动下沉大直径钢圆筒，首次成功实施了依托工程，形成一套成熟的振动下沉工艺。达到国内领先水平。采用静力压曲稳定分析和动力有限元分析相结合计算大圆筒施工期振动下沉时的结构内力的方法得到的应力计算结果和实测结果比较接近。施工图设计对圆筒所采取的加固措施是有效的，确保了圆筒的顺利下沉。         

3、取得了圆筒后方软基处理以及筒底地基加固技术成功的经验。实践证明适当放缓回填速率可有效减小筒体的水位位移，采用真空予压进行软基加固在筒后可形成负压，也是一种减小施工期筒体位移的有效方法。

4、采用圆筒下沉后施喷地基加固法基本取得成功，达到了人工构造筒底“硬”基础的目的，但对于旋喷加固的范围及具体的实施工艺则还可以在以后的工程中进一步加以改进。

三、推广应用情况

广州番禺南沙蒲洲护岸工程的建成和使用证明了插入式大圆筒岸壁结构是一种有生命力的新型水工结构。以后在具有类似地质条件下，采用该技术方案将在降低工程造价以及缩短施工工期方面具有相当的竞争力。该技术推广应用的对象主要在软土覆盖层较厚条件下的陆域形成围堰、护岸、小型码头以及深水码头的接岸结构方面。在有更多的工程实践的条件下，也可以向直接用于深水码头结构推广。

四、效益分析

钢质大圆筒虽然在材料价格上比混凝土圆筒高出16%，但钢圆筒的加工制造比钢筋混凝土圆筒简便、快速，而且无需大规模预制场地，所以在施工工艺及施工速度上均有较大优势。与同类钢筋混凝土圆筒相比工期可由18个月提前在10～12个月内完成。钢质大直径薄壁圆筒还具有污染少、环保质量达到高标准等优点，综合优势较为明显。