港珠澳大橋預(yù)制墩臺整體安裝方案及經(jīng)濟(jì)分析

張永財(cái)

（港珠澳大橋管理局，廣東 珠海 519060）

0 引言

外海條件下橋梁建設(shè)環(huán)境和施工條件惡劣，年施工時(shí)間短，常規(guī)施工方案往往不能保證工程的安全、質(zhì)量以及工期，橋梁下部結(jié)構(gòu)尤其是水下基礎(chǔ)（承臺）以及墩身水中部分施工難度極大，常作為設(shè)計(jì)和施工階段需要重點(diǎn)研究的問題[1]。為實(shí)現(xiàn)阻水率不超過10%，保證珠江口排洪納潮及航道順暢的要求，港珠澳大橋非通航孔橋的承臺需埋設(shè)在海床面以下，同時(shí)為滿足項(xiàng)目“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”的四化建設(shè)理念，橋梁承臺和墩身采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場整體吊裝成型工藝。國外在加拿大諾森伯蘭海峽大橋、丹麥大貝爾特東橋等都有過成功的預(yù)制吊裝墩臺施工經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)僅有承臺原位預(yù)制、吊架下放安裝的施工方法[2]，港珠澳大橋在國內(nèi)首次采用了墩臺工廠預(yù)制、現(xiàn)場整體安裝施工技術(shù)并取得成功。以往對跨海橋梁預(yù)制墩臺安裝研究以施工技術(shù)分析為主，關(guān)于經(jīng)濟(jì)性討論較少，對其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)研究不夠，分析了解各方案的造價(jià)情況，有助于為后續(xù)類似項(xiàng)目提供指導(dǎo)借鑒。

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，大橋總長約55 km，包括海中橋隧主體工程、三地口岸、三地連接線。主體工程橋梁長22.9 km，包括3座通航孔橋（九洲航道橋、江海航道橋、青州航道橋）及淺、深水區(qū)非通航孔橋[2-4]，其中非通航孔橋共有185座承臺，全部采用埋置式，承臺頂面與海床面基本保持一致，承臺和墩身設(shè)計(jì)全部采用預(yù)制安裝結(jié)構(gòu)，墩臺整體吊裝分為承臺加整節(jié)墩身（圖1）、承臺加下節(jié)墩身吊裝兩種類型，墩臺重2 019~3 380 t，高18.5~26.95 m。

圖1 非通航孔橋墩臺立面示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-navigable hole bridge pier

橋梁土建工程3個(gè)標(biāo)段非通航孔橋墩臺安裝施工采用3種方案，由淺水區(qū)至深水區(qū)依次采用無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰、分離式膠囊柔性止水、大圓筒干法安裝方案。

2 3種墩臺安裝方案

2.1 無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰方案

淺水區(qū)CB05標(biāo)非通航孔橋墩臺采用無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰安裝方案。該方案將場內(nèi)加工的圍堰單元塊預(yù)拼合格后再分塊拆分，通過運(yùn)輸船運(yùn)至橋位現(xiàn)場安裝（圖2）。方案總體施工工序?yàn)椋簶痘┕ね瓿珊筮M(jìn)行基坑開挖，在樁基位置進(jìn)行鋼圍堰分塊拼裝，然后利用小天鵝號船舶將拼裝好的圍堰整體吊運(yùn)至既定墩位，沿設(shè)置在鋼管復(fù)合樁上的雙層導(dǎo)向架將圍堰進(jìn)行整體下沉；圍堰下沉到位后，澆筑水下封底混凝土；在圍堰封底混凝土的強(qiáng)度滿足要求后進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水挖泥、圍堰內(nèi)清基（割除多余鋼護(hù)筒、破除樁頭）、安放千斤頂和鋼立柱，為墩臺安裝提供干施工條件和其他準(zhǔn)備工作；利用浮吊開始進(jìn)行預(yù)制墩臺整體安裝，再通過三向千斤頂精調(diào)至設(shè)計(jì)位置；施工承臺預(yù)留孔后澆混凝土，完成承臺和樁基的連接；預(yù)留孔后澆混凝土達(dá)到齡期后，通過海中漲落潮改變產(chǎn)生的圍堰內(nèi)外水頭差破壞鋼圍堰與封底混凝土間的黏結(jié)力[5]，再利用浮吊整體拆除鋼圍堰運(yùn)至下一墩位處周轉(zhuǎn)使用。

圖2 鋼套箱圍堰拼裝施工Fig.2 Steel box cofferdam assembling construction

2.2 分離式膠囊柔性止水方案

深水區(qū)CB04標(biāo)非通航孔橋墩臺安裝采用分離式膠囊柔性止水方案。該方案技術(shù)關(guān)鍵在于控制分離式止水膠囊的止水效果。方案總體施工工序?yàn)椋轰摴軓?fù)合樁施工完成后，進(jìn)行基坑開挖施工，將“環(huán)形托盤+內(nèi)側(cè)止水膠囊+頂面GINA止水帶”下放至承臺底面以下預(yù)定標(biāo)高，此時(shí)托盤頂面距離承臺底10 cm，接著利用海升號大型浮吊將預(yù)制墩臺（承臺面止水鋼套箱圍堰已提前安裝在預(yù)制承臺上）整體吊裝（圖3），墩臺精調(diào)到位后，利用分離式止水膠囊（張拉鋼絞線，使GINA止水帶壓縮，實(shí)現(xiàn)環(huán)形托盤與承臺底之間的水平止水；向膠囊中充氣，膠囊膨脹，實(shí)現(xiàn)環(huán)形托盤與鋼管復(fù)合樁之間的豎向止水）進(jìn)行鋼管復(fù)合樁與承臺之間的止水；進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水；施工承臺預(yù)留孔后澆混凝土，預(yù)留孔后澆混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期以后，采用浮吊拆除圍堰運(yùn)至下一墩位處周轉(zhuǎn)使用。

2.3 大圓筒干法安裝方案

圖3 墩臺整體吊裝Fig.3 Overall lifting of the pier

深水區(qū)CB03標(biāo)非通航孔橋墩臺安裝采用大圓筒干法安裝方案。該方案為利用八錘聯(lián)動液壓振動錘組（與東西人工島成島圍堰工程同一設(shè)備）振沉大圓筒圍堰至海床不透水層，其中大圓筒實(shí)現(xiàn)海上擋水，海床不透水層實(shí)現(xiàn)底下止水，從而為墩臺安裝提供干施工環(huán)境。方案總體施工工序?yàn)椋簶痘┕ね瓿珊?，首先采用八錘聯(lián)動液壓振動錘組在樁基位置振沉大圓筒鋼圍堰至不透水層；振沉完畢后，加固大圓筒鋼圍堰；進(jìn)行大圓筒內(nèi)挖泥抽水，形成墩臺安裝的干施工環(huán)境；接著進(jìn)行墩臺整體安裝（圖4）和預(yù)留孔后澆混凝土施工；墩臺安裝施工完成后，整體拔出鋼圓筒圍堰運(yùn)至下一墩位處周轉(zhuǎn)使用。

圖4 墩臺整體安裝Fig.4 Overall installation of the pier

3 3種安裝方案對比分析

3.1 優(yōu)劣性對比

通過對3種方案實(shí)施情況的跟蹤研究，分析得出各方案的主要優(yōu)劣性如表1所示。

表1 3種方案優(yōu)劣性比較Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of the three schemes

3.2 工效對比

3種施工方案均應(yīng)用了新材料、新技術(shù)及最先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備，經(jīng)過對各方案進(jìn)行前期的工藝摸索、熟練操作后，各方案的工效基本穩(wěn)定。以大圓筒干法安裝方案為例，對工效進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終對3種方案的平均施工周期進(jìn)行比較。

3.2.1 安裝循環(huán)周期

統(tǒng)計(jì)的大圓筒干法安裝方案單循環(huán)周期如表2所示。

表2 墩臺安裝單循環(huán)周期表Table 2 Pier installation single cycle periodic table

3.2.2 3種方案平均施工周期比較

通過對3種實(shí)施方案的圍堰實(shí)際投入數(shù)量、施工周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對比情況如表3所示。

表3 3種施工方案平均施工周期比較Table 3 Comparison of average construction period of three construction schemes

3.3 造價(jià)對比分析

以大圓筒干法安裝方案為例，分別對主要投入人員、材料、機(jī)械設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.3.1 資源配置

1）施工人員配置

項(xiàng)目建設(shè)過程中對人員投入情況進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)情況如表4所示。

表4 主要工序施工人員配置Table 4 Main process construction personnel configuration

2）主要材料消耗

大圓筒圍堰主要材料消耗如表5所示。

表5 主要材料消耗Table 5 Main material consumption

3）主要機(jī)械設(shè)備配置

3種方案實(shí)施過程中均投入了大量的機(jī)械設(shè)備，其中大圓筒干法方案現(xiàn)場實(shí)際投入的主要設(shè)備如表6所示。

表6 主要機(jī)械設(shè)備配置Table 6 Main mechanical equipment configuration

3.3.2 造價(jià)計(jì)算方法

將收集的3種墩臺安裝方案的人工、材料、設(shè)備資源投入作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，會同其他工藝數(shù)據(jù)納入外海施工定額專題研究，依據(jù)相關(guān)定額編制原則，編制了《廣東省沿海橋梁工程預(yù)算補(bǔ)充定額（試行）》。根據(jù)設(shè)計(jì)文件中的參數(shù)和工程量，采用預(yù)算補(bǔ)充定額和船舶艘班費(fèi)用補(bǔ)充定額計(jì)算出鋼圍堰安拆、墩臺吊裝的費(fèi)用[6-8]（其中大圓筒干法方案未考慮項(xiàng)目橋梁標(biāo)與島隧標(biāo)綜合利用的攤銷費(fèi)用），匯總得出每種方案的總造價(jià)和3種墩臺安裝方案的人工、材料、機(jī)械費(fèi)用。

3.3.3 3種方案造價(jià)對比

1）建安費(fèi)指標(biāo)對比

通過上述方法計(jì)算出3種施工方案的建筑安裝工程費(fèi)指標(biāo)，匯總?cè)绫?所示。

表7 3種方案建安費(fèi)對比Table 7 Construction and installation engineering fee of three schemes

2）工料機(jī)費(fèi)用對比

3種方案的工料機(jī)費(fèi)用及各費(fèi)用所占比率情況如表8所示。

表8 3種方案工料機(jī)費(fèi)用比較Table 8 Cost comparison of the labour,materials and machines in the three schemes

3.4 對比分析結(jié)論

通過對3種方案的工效、造價(jià)進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)3種方案各自的施工周期、投入圍堰數(shù)量、工程量情況，3種施工方案均能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完成墩臺安裝施工任務(wù)，但分離式膠囊柔性止水、大圓筒干法安裝方案施工周期優(yōu)于無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰方案。

2）3種方案的機(jī)械使用費(fèi)比率分別占各方案工料機(jī)總費(fèi)用的69%、75%、73%，可見決定工程造價(jià)的主要是設(shè)備投入。

3）大圓筒干法安裝方案雖然風(fēng)險(xiǎn)性較小，工效高，但造價(jià)也相對較高，適于具有大型浮吊和大功率液壓振動錘組設(shè)備的承包人采用。

4）分離式膠囊柔性止水方案對技術(shù)要求高，但造價(jià)較低，適于技術(shù)實(shí)力強(qiáng)而又沒有大型打拔設(shè)備的承包人采用。

5）無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)雙壁鎖口鋼套箱圍堰方案風(fēng)險(xiǎn)性小，對設(shè)備和技術(shù)要求均不高，造價(jià)適中，但對工期要求緊的項(xiàng)目需要加大投入圍堰數(shù)量。

4 結(jié)語

港珠澳大橋非通航孔橋墩臺采用了工廠預(yù)制、現(xiàn)場整體安裝工藝，3個(gè)標(biāo)段根據(jù)自身實(shí)際情況分別采用了不同的墩臺安裝方案，保證了工程進(jìn)度和質(zhì)量。隨著我國建橋能力的發(fā)展和對工程質(zhì)量、環(huán)保要求的不斷提高，墩臺整體安裝技術(shù)也必將在后續(xù)跨海橋梁基礎(chǔ)施工中得到推廣應(yīng)用。選擇施工方案時(shí)應(yīng)充分考慮自有設(shè)備資源配置、技術(shù)實(shí)力、施工經(jīng)驗(yàn)等因素選擇適合的施工方案，在滿足工程質(zhì)量、進(jìn)度的前提下，最大限度地控制工程成本。