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摘 要：本文重点围绕沉桩定位过程中影响船舶运动因素进行分析，找出船舶的运动规律，并根据船舶运动规律、施工需求，提出了“分方向定位法”，该方法在满足码头施工沉桩的精度情况下，较大幅度提升了沉桩效率，经过实际运用该方法具有简单易操作经济价值高的特点，值得推广。
关键词：船型压载 波浪 风 水流 锚缆布置 分方向定位法
中图分类号：TV331 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0044-03
桩基工程是高桩码头的重要组成部分，也是决定码头施工效率与质量的最重要环节；沉桩效率是制约高桩码头施工的重要因素，沉桩效率又受沉桩精度制约，要提高效率必须从定位精度着手，快速准确的定位对提高施工效率具有重要意义，由此必须清楚的认识影响船舶定位精度的因素，利用好这些因素，找到切实可行的沉桩定位方法，才能达到事半功倍的效果。本文就是通过研究影响船舶的因素，找到了分方向定位的方法，并在实际工程中加以应用取得了较好效果。
1 概述
高桩码头沉桩定位的目的是将桩移动至设计位置，根据设计要求调整好方位角和倾角，并保证在后续施工直至沉桩结束的过程中不发生超过设计和规范允许的偏差。由于海上施工的特殊性，打桩船始终处于不停的运动之中。因此，定位的目的是使得桩在预定桩位附近的小范围以内发生运动而不发生较大的偏差，并保证下桩以后实际位置不超出设计和规范的允许范围。
在定位过程中，桩固定在打桩船的龙口中，龙口的运动即桩的运动，而龙口的运动又是打桩船运动的一部分。因此，桩定位的过程实际上是打桩船的定位过程。由运动学的相关知识可以知道，运动分为位移和转动两种，在打桩船上主要体现在位置的移动和摇动。施工过程中定位的目的就是让打桩船的移动和摇动均保持在允许的范围之内。因此，要想较好的利用船舶的运动规律就必须从影响船舶运动的因素——船型、压载、波浪、风、水流、缆绳布置等进行研究，找出切实可行的方法，才可能进一步提高施工效率。
2 船舶运动影响因素
影响打桩船定位时运动的主要因素有船型、压载、波浪、风、水流、缆绳布置几种，下面对其进行分析。
2.1 船型及压载
以一打桩船为例，该船型长69.4 m，型宽26.0 m，满载吃水1.8～2.6 m，满载排水量3128.1 t，桩架最高点距离满载水线的高度为95 m。船型的影响因素主要体现在船舶的浮游稳定性上。在沉桩工作中，船舶的晃动幅度较小，因此，可以用以下公式计算其定倾半径。
其中，为船体浮面对中性轴的惯性距，为船内各仓压载水（油）等液态物体液面面积对中性轴的惯性距，为排水体积。
此处，再引入另一参数为船舶重心与浮心的高差，正值表示重心高于浮心，负值表示浮心高于重心。那么船舶在施工过程中的定倾高度为。
由上可知，影响船舶浮游稳定的主要因素是船舶的重心高度和浮面尺寸（近似于船体外轮廓尺寸）。因此，在船舶设计时，在满足其他条件的同时应使船舶的定倾高度尽可能大。在压舱水不变的情况下，同等重量的船舶在船体尺寸相同时，具有同样的浮心高度和排水体积。这种情况下如果船舶的重心越低，那么船舶的定倾高度值也就越大，船舶在水中便越平稳。这也便解释了为何自改打桩船和桩架加高的打桩船抗风浪能力降低的问题。船舶压载分为液态压载和固态压载两种。压载量的大小对定倾半径的影响远小于对值的影响。因此，提高船舶压载量也有利于提高船舶的浮游稳定性。
2.2 波浪
式中，H为波高，T为波浪周期，k为波数，x、z为质点在以静水面上波浪前进方向为横轴垂直方向为纵轴的坐标轴坐标，为波浪运动的角频率，t为质点运动的时间。
其中，水平分速度是船体受到水平波浪力的主要原因。由于此处只需要研究波浪的作用方式，因此，不再详细计算波浪力的大小，将其用一个包含余弦函数的参数值表示为。
质点的竖直分速度的最直接标志就是水面的上下波动，这种情况下，船体所受的浮托力也因波浪作用分布不均，造成船体的摇动。此处将浮托力表示为一个含有正弦函数的参数，其中为静水浮力，由于波浪引起的浮托力不能为向下，当<0时，取=0。用图2表示船体受力如下。
当波幅、波长较小时，船体受到的浮托力趋近于；当波浪波幅较大、且波长与船体尺寸相差不大时，船体因受力不均与发生较为严重的晃动。
2.3 风
风作用在船舶的迎风面上，使得船体发生移动和摇动。风荷载大小为
式中，分别为风荷载体型系数、风压高度变化系数和当地的基本风压，A为迎风面积。
2.4 水流
水流力的大小为，其中为水流阻力系数，为水密度，为水流速度，A为迎水面投影面积。
2.5 锚缆布置
假定船上第根缆绳的拉力值为，布置角度为，在海平面上建立坐标轴，将预定桩的方位角方向为正Y方向，垂直向右为正X方向和角度零方向，角度顺时针为正。那么缆绳锚固力的分量分别为，。由于缆绳在竖直方向作用很小，此处忽略不计。
2.6 综合作用
综上可以看出，波浪可以使船发生摇动和移动。风由于作用范围较大，同样可以使船发生摇动和移动。而水流和锚缆的作用点由于距离中轴较近，主要影响船在水平方向的位移。
船舶设计之初，已经考虑到船只的稳定性，因此，一般海况条件下不会发生影响定位的横摇或纵倾。当横摇和纵倾幅度较大时，出于安全考虑不再进行沉桩作业。因此，研究船舶在水平方向的位置移动才是保证施工质量和提高施工效率的关键所在。
在前文所提的坐标系中，假定水流方向为，考虑到海上波浪主要为风成波，认为波浪前进方向和风向一致，角度为。那么船舶所受的合力分量为
3 施工方法及效果 3.1 分方向定位法
以往沉桩定位作业中，由于不清楚船舶运动规律，往往是船向什么方向运动就向另一个方向绞船，绞完以后发现效果不好便再向反方向绞船。而且过程中由于不知道船的运动规律，经常需要等船只稳定下来才能发出下一步的命令，耗费了大量时间。部分责任心不强的施工人员由于绞船时间较长而出现施工疲劳，只待船位刚刚满足要求后便选择下桩，虽能满足规范要求，往往由于下桩仓促，没有选择正确的下桩预留量，给后期沉桩工序带来不必要的麻烦，甚至造成损失，对整体施工效率都有较大程度的影响。
通过对沉桩影响因素的研究和分析，我们改变了以往传统的沉桩定位程序，施工中首次采用分方向定位法进行定位，效果良好。具体施工流程如下。
（1）根据施工海区最近的气象情况，分析出施工近日的常风向和波浪方向，合理布置锚缆位置，灵活利用船型和压载，根据风、浪、流的方向及时调整船舶驻位方向，在少绞船的情况下较快的到达预定位置，并尽可能让各缆绳在船舶稳定后所受拉力相差不大。
（2）开始定位后，在将要达到预定桩位时，提前将船舶的方位调整好，将船舶快速移至沉桩的方位角上，使船舶方位角与桩的方位角快速保持一致，此时就只需要在船舶纵向进行前后的调整，无需进行横向调整，让船直线前后运动。
（3）调节左右缆绳的张力，保证船只在前进过程中船艏不发生左右大范围的移动。
（4）船舶前进过程中，保证后锚缆绳具有一定的拉力（操作台有显示），缆车停止后船只基本不再向前运动或前进量很少。由于左右方向移动不大，船只在前后向较容易达到预定位置，到位后锁死锚机，此时前后方向已达到预定桩位。
（5）桩位到达预定位置，根据地质情况，调整下桩预留量，少量修正桩位，使船达到预定桩位后下桩即可。
（6）下桩后，打开抱桩器及索具，微调船位，使得钢管桩与打桩船龙口平行即可开锤。
3.2 施工效果
现以唐山港曹妃甸港区华能煤码头沉桩进行说明，华能码头属于外海离岸无掩护施工条件，沉桩规范精度要求为：直桩为25 cm，斜桩为30 cm。选择海况天气人员配备基本相同的情况进行说明，以便将采用分方向定位法前后的变化进行比较。
采用分方向定位前以某打桩船（配D138-32柴油锤）4月22日该码头施打的10根钢管桩的情况为例进行说明（见表1）。
由表1看出，每根直桩由吊桩至开锤的时间大约为35 min左右，斜桩40 min，为实际锤击时间的2倍。由于锤击时间是由地质条件和锤型、桩型决定的，从施工的角度想有所提高困难较大，在吊桩直至开锤的过程中提高效率和质量是主要途径。该过程主要有索桩、入龙口、戴替打、移船定位、下桩、解锁具等几道工序。其中除移船定位以外，均为固定流程的作业项目，我单位工人的熟练程度和配合默契度均已达到较高水平，在不使用新的工艺方法和器械的前提下继续提升的空间不大。
采用分方向定位法施工后以7月16日在同一工程施打的11根桩进行说明，详细情况见表2。已知7月16日与4月22日两天海况条件相差不大，沉桩的桩型也基本相同，人员配备等也无较大变化。
（1）施工精度。
现在选取表1、2中横向、纵向偏差的绝对值的平均值进行比较，经过计算表1中横向偏差绝对值的平均值为83.3 mm，纵向偏差绝对值的平均值为73.6 mm；表2中横向偏差绝对值的平均值为52 mm，纵向偏差绝对值的平均值为62.6 mm；经过比较采用分方向定位法后纵横向偏差优于改进前，误差小于改进前，沉桩正位率好于采用该方法前，且精度有明显提高。
（2）施工效率。
施工效率我们选择吊桩时间至开锤时间的时长进项比较，经过计算未采用分方向定位法前的表1每根桩平均时间为38分钟，采用分方向定位法表2中吊桩至开锤的平均时间为28 min，由此可以看出，采用分方向定位法平均时长比未采用分方向定位法缩短了10 min。根据我们多年的施工经验，外海施工以前平均施工效率为每天沉桩4根，月平均沉桩不超过120根，经过改进采用分方向定位法后我们每天平均沉桩可达5.5根。按每根桩沉桩费用为1万元计算，我们每天多创造产值1.5万元，每个月可增加产值45万元。这仅仅是施工的直接成本，未计算打桩船、拖轮、运桩驳等每天3.5万元的台班费用、燃油费、人员工资等成本。以300根桩的码头为例，未采用分方向定位法前平均需要75天，采用后需要55天，可提前工期20天，仅台班费一项就可为企业节省费用70多万元，加上燃油及人工费用至少可节省百万元以上，由此看来该方法的经济效益十分明显。
4 结论
通过对沉桩定位过程相关影响因素的分析，找到了定位过程中船舶的运动规律，针对该运动规律提出分方向定位法。经过实际运用，该方法能够在保证施工精度的前提下提高了施工效率，且该方法较容易掌握，因此具有较高的应用前景和推广价值，在多桩的码头及相关设施的沉桩工程中，该方法的时间价值和经济价值将会更加突出。
参考文献
[1] JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范[S].2010.
[2] JTS 167-1-2010，高桩码头设计与施工规范[S].2010.
[3] JTS 167-4-2012，港口工程桩基规范[S].2012.
[4] 邱驹.港工建筑物[M].天津大学出版社，2002.
[5] 白玉川.水力学[M].天津大学出版社，2007.
关键词：船型压载 波浪 风 水流 锚缆布置 分方向定位法
中图分类号：TV331 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0044-03
桩基工程是高桩码头的重要组成部分，也是决定码头施工效率与质量的最重要环节；沉桩效率是制约高桩码头施工的重要因素，沉桩效率又受沉桩精度制约，要提高效率必须从定位精度着手，快速准确的定位对提高施工效率具有重要意义，由此必须清楚的认识影响船舶定位精度的因素，利用好这些因素，找到切实可行的沉桩定位方法，才能达到事半功倍的效果。本文就是通过研究影响船舶的因素，找到了分方向定位的方法，并在实际工程中加以应用取得了较好效果。
1 概述
高桩码头沉桩定位的目的是将桩移动至设计位置，根据设计要求调整好方位角和倾角，并保证在后续施工直至沉桩结束的过程中不发生超过设计和规范允许的偏差。由于海上施工的特殊性，打桩船始终处于不停的运动之中。因此，定位的目的是使得桩在预定桩位附近的小范围以内发生运动而不发生较大的偏差，并保证下桩以后实际位置不超出设计和规范的允许范围。
在定位过程中，桩固定在打桩船的龙口中，龙口的运动即桩的运动，而龙口的运动又是打桩船运动的一部分。因此，桩定位的过程实际上是打桩船的定位过程。由运动学的相关知识可以知道，运动分为位移和转动两种，在打桩船上主要体现在位置的移动和摇动。施工过程中定位的目的就是让打桩船的移动和摇动均保持在允许的范围之内。因此，要想较好的利用船舶的运动规律就必须从影响船舶运动的因素——船型、压载、波浪、风、水流、缆绳布置等进行研究，找出切实可行的方法，才可能进一步提高施工效率。
2 船舶运动影响因素
影响打桩船定位时运动的主要因素有船型、压载、波浪、风、水流、缆绳布置几种，下面对其进行分析。
2.1 船型及压载
以一打桩船为例，该船型长69.4 m，型宽26.0 m，满载吃水1.8～2.6 m，满载排水量3128.1 t，桩架最高点距离满载水线的高度为95 m。船型的影响因素主要体现在船舶的浮游稳定性上。在沉桩工作中，船舶的晃动幅度较小，因此，可以用以下公式计算其定倾半径。
其中，为船体浮面对中性轴的惯性距，为船内各仓压载水（油）等液态物体液面面积对中性轴的惯性距，为排水体积。
此处，再引入另一参数为船舶重心与浮心的高差，正值表示重心高于浮心，负值表示浮心高于重心。那么船舶在施工过程中的定倾高度为。
由上可知，影响船舶浮游稳定的主要因素是船舶的重心高度和浮面尺寸（近似于船体外轮廓尺寸）。因此，在船舶设计时，在满足其他条件的同时应使船舶的定倾高度尽可能大。在压舱水不变的情况下，同等重量的船舶在船体尺寸相同时，具有同样的浮心高度和排水体积。这种情况下如果船舶的重心越低，那么船舶的定倾高度值也就越大，船舶在水中便越平稳。这也便解释了为何自改打桩船和桩架加高的打桩船抗风浪能力降低的问题。船舶压载分为液态压载和固态压载两种。压载量的大小对定倾半径的影响远小于对值的影响。因此，提高船舶压载量也有利于提高船舶的浮游稳定性。
2.2 波浪
式中，H为波高，T为波浪周期，k为波数，x、z为质点在以静水面上波浪前进方向为横轴垂直方向为纵轴的坐标轴坐标，为波浪运动的角频率，t为质点运动的时间。
其中，水平分速度是船体受到水平波浪力的主要原因。由于此处只需要研究波浪的作用方式，因此，不再详细计算波浪力的大小，将其用一个包含余弦函数的参数值表示为。
质点的竖直分速度的最直接标志就是水面的上下波动，这种情况下，船体所受的浮托力也因波浪作用分布不均，造成船体的摇动。此处将浮托力表示为一个含有正弦函数的参数，其中为静水浮力，由于波浪引起的浮托力不能为向下，当<0时，取=0。用图2表示船体受力如下。
当波幅、波长较小时，船体受到的浮托力趋近于；当波浪波幅较大、且波长与船体尺寸相差不大时，船体因受力不均与发生较为严重的晃动。
2.3 风
风作用在船舶的迎风面上，使得船体发生移动和摇动。风荷载大小为
式中，分别为风荷载体型系数、风压高度变化系数和当地的基本风压，A为迎风面积。
2.4 水流
水流力的大小为，其中为水流阻力系数，为水密度，为水流速度，A为迎水面投影面积。
2.5 锚缆布置
假定船上第根缆绳的拉力值为，布置角度为，在海平面上建立坐标轴，将预定桩的方位角方向为正Y方向，垂直向右为正X方向和角度零方向，角度顺时针为正。那么缆绳锚固力的分量分别为，。由于缆绳在竖直方向作用很小，此处忽略不计。
2.6 综合作用
综上可以看出，波浪可以使船发生摇动和移动。风由于作用范围较大，同样可以使船发生摇动和移动。而水流和锚缆的作用点由于距离中轴较近，主要影响船在水平方向的位移。
船舶设计之初，已经考虑到船只的稳定性，因此，一般海况条件下不会发生影响定位的横摇或纵倾。当横摇和纵倾幅度较大时，出于安全考虑不再进行沉桩作业。因此，研究船舶在水平方向的位置移动才是保证施工质量和提高施工效率的关键所在。
在前文所提的坐标系中，假定水流方向为，考虑到海上波浪主要为风成波，认为波浪前进方向和风向一致，角度为。那么船舶所受的合力分量为
3 施工方法及效果 3.1 分方向定位法
以往沉桩定位作业中，由于不清楚船舶运动规律，往往是船向什么方向运动就向另一个方向绞船，绞完以后发现效果不好便再向反方向绞船。而且过程中由于不知道船的运动规律，经常需要等船只稳定下来才能发出下一步的命令，耗费了大量时间。部分责任心不强的施工人员由于绞船时间较长而出现施工疲劳，只待船位刚刚满足要求后便选择下桩，虽能满足规范要求，往往由于下桩仓促，没有选择正确的下桩预留量，给后期沉桩工序带来不必要的麻烦，甚至造成损失，对整体施工效率都有较大程度的影响。
通过对沉桩影响因素的研究和分析，我们改变了以往传统的沉桩定位程序，施工中首次采用分方向定位法进行定位，效果良好。具体施工流程如下。
（1）根据施工海区最近的气象情况，分析出施工近日的常风向和波浪方向，合理布置锚缆位置，灵活利用船型和压载，根据风、浪、流的方向及时调整船舶驻位方向，在少绞船的情况下较快的到达预定位置，并尽可能让各缆绳在船舶稳定后所受拉力相差不大。
（2）开始定位后，在将要达到预定桩位时，提前将船舶的方位调整好，将船舶快速移至沉桩的方位角上，使船舶方位角与桩的方位角快速保持一致，此时就只需要在船舶纵向进行前后的调整，无需进行横向调整，让船直线前后运动。
（3）调节左右缆绳的张力，保证船只在前进过程中船艏不发生左右大范围的移动。
（4）船舶前进过程中，保证后锚缆绳具有一定的拉力（操作台有显示），缆车停止后船只基本不再向前运动或前进量很少。由于左右方向移动不大，船只在前后向较容易达到预定位置，到位后锁死锚机，此时前后方向已达到预定桩位。
（5）桩位到达预定位置，根据地质情况，调整下桩预留量，少量修正桩位，使船达到预定桩位后下桩即可。
（6）下桩后，打开抱桩器及索具，微调船位，使得钢管桩与打桩船龙口平行即可开锤。
3.2 施工效果
现以唐山港曹妃甸港区华能煤码头沉桩进行说明，华能码头属于外海离岸无掩护施工条件，沉桩规范精度要求为：直桩为25 cm，斜桩为30 cm。选择海况天气人员配备基本相同的情况进行说明，以便将采用分方向定位法前后的变化进行比较。
采用分方向定位前以某打桩船（配D138-32柴油锤）4月22日该码头施打的10根钢管桩的情况为例进行说明（见表1）。
由表1看出，每根直桩由吊桩至开锤的时间大约为35 min左右，斜桩40 min，为实际锤击时间的2倍。由于锤击时间是由地质条件和锤型、桩型决定的，从施工的角度想有所提高困难较大，在吊桩直至开锤的过程中提高效率和质量是主要途径。该过程主要有索桩、入龙口、戴替打、移船定位、下桩、解锁具等几道工序。其中除移船定位以外，均为固定流程的作业项目，我单位工人的熟练程度和配合默契度均已达到较高水平，在不使用新的工艺方法和器械的前提下继续提升的空间不大。
采用分方向定位法施工后以7月16日在同一工程施打的11根桩进行说明，详细情况见表2。已知7月16日与4月22日两天海况条件相差不大，沉桩的桩型也基本相同，人员配备等也无较大变化。
（1）施工精度。
现在选取表1、2中横向、纵向偏差的绝对值的平均值进行比较，经过计算表1中横向偏差绝对值的平均值为83.3 mm，纵向偏差绝对值的平均值为73.6 mm；表2中横向偏差绝对值的平均值为52 mm，纵向偏差绝对值的平均值为62.6 mm；经过比较采用分方向定位法后纵横向偏差优于改进前，误差小于改进前，沉桩正位率好于采用该方法前，且精度有明显提高。
（2）施工效率。
施工效率我们选择吊桩时间至开锤时间的时长进项比较，经过计算未采用分方向定位法前的表1每根桩平均时间为38分钟，采用分方向定位法表2中吊桩至开锤的平均时间为28 min，由此可以看出，采用分方向定位法平均时长比未采用分方向定位法缩短了10 min。根据我们多年的施工经验，外海施工以前平均施工效率为每天沉桩4根，月平均沉桩不超过120根，经过改进采用分方向定位法后我们每天平均沉桩可达5.5根。按每根桩沉桩费用为1万元计算，我们每天多创造产值1.5万元，每个月可增加产值45万元。这仅仅是施工的直接成本，未计算打桩船、拖轮、运桩驳等每天3.5万元的台班费用、燃油费、人员工资等成本。以300根桩的码头为例，未采用分方向定位法前平均需要75天，采用后需要55天，可提前工期20天，仅台班费一项就可为企业节省费用70多万元，加上燃油及人工费用至少可节省百万元以上，由此看来该方法的经济效益十分明显。
4 结论
通过对沉桩定位过程相关影响因素的分析，找到了定位过程中船舶的运动规律，针对该运动规律提出分方向定位法。经过实际运用，该方法能够在保证施工精度的前提下提高了施工效率，且该方法较容易掌握，因此具有较高的应用前景和推广价值，在多桩的码头及相关设施的沉桩工程中，该方法的时间价值和经济价值将会更加突出。
参考文献
[1] JTS 144-1-2010，港口工程荷载规范[S].2010.
[2] JTS 167-1-2010，高桩码头设计与施工规范[S].2010.
[3] JTS 167-4-2012，港口工程桩基规范[S].2012.
[4] 邱驹.港工建筑物[M].天津大学出版社，2002.
[5] 白玉川.水力学[M].天津大学出版社，2007.