南美地區(qū)大潮差條件下海港工程設(shè)計(jì)施工

駱 釗,林紅星，王 超

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040)

阿馬多爾(Amador)郵輪碼頭項(xiàng)目位于巴拿馬灣內(nèi)，設(shè)計(jì)船型Oasis of the Sea，船長360 m，船寬47.00 m，滿載排水量10.04萬t，滿載吃水9.32 m。該EPC海港工程項(xiàng)目涵蓋護(hù)岸防波堤、疏?；靥睢⒋a頭、地基處理等施工工程。巴拿馬國執(zhí)行美標(biāo)規(guī)范，當(dāng)?shù)刂圃鞓I(yè)不發(fā)達(dá)，施工資源主要依賴中國出口，存在采購周期較長且美標(biāo)材料難尋的問題?？紤]對(duì)道路的保護(hù)，當(dāng)?shù)卣辉试S重載施工車輛從市區(qū)開往施工現(xiàn)場(chǎng)，僅允許水上運(yùn)輸，而受潮差的影響，水上施工組織難度大，常需借潮、避潮施工，給項(xiàng)目進(jìn)度和成本控制造成較大的挑戰(zhàn)。

基于當(dāng)?shù)丨h(huán)境特點(diǎn)，總承包方著眼于施工細(xì)節(jié)，引導(dǎo)設(shè)計(jì)朝著易于施工的角度優(yōu)化。筆者論述了基于大潮差環(huán)境和美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的主要設(shè)計(jì)優(yōu)化點(diǎn)，同時(shí)總結(jié)項(xiàng)目施工過程中的借潮、避潮方法，為類似環(huán)境下的其他工程提供借鑒。

1 水文條件

1.1 潮差

項(xiàng)目所在地為半日潮，即兩高潮之間的周期為12 h25 min，根據(jù)歷年潮汐資料進(jìn)行諧波分析，得出水位值，如表1所示。文中所有高程、水位均以平均最低水位為基準(zhǔn)描述。

表1 項(xiàng)目水位標(biāo)準(zhǔn) m

1.2 風(fēng)、浪、流條件

根據(jù)美國Oceanweather公司距離項(xiàng)目最近測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(GN003757)的近35年、每3 h測(cè)一次的波浪場(chǎng)數(shù)據(jù)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)，以及當(dāng)?shù)睾Ｊ戮痔峁┑乃顖D，基于MIKE 21BW[1]進(jìn)行數(shù)值模擬，得出項(xiàng)目施工區(qū)域一年回歸期波高為1.5 m，對(duì)應(yīng)周期16 s。同時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目附近測(cè)點(diǎn)的歷年數(shù)據(jù)，得出最大風(fēng)速11.4 m/s，平均風(fēng)速4.3 m/s；通過當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)，得出施工區(qū)流速較小，平均流速僅0.3 m/s。

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 樁基防腐

樁基在海洋環(huán)境下容易被腐蝕，項(xiàng)目采用腐蝕余量和陽極保護(hù)的方法保護(hù)樁基。腐蝕余量是指項(xiàng)目采購樁基時(shí)，選取的壁厚為結(jié)構(gòu)計(jì)算的壁厚值加上設(shè)計(jì)壽命下的腐蝕值，如本文結(jié)構(gòu)計(jì)算的壁厚為12 mm，但采購樁基壁厚為計(jì)算壁厚加上腐蝕余量；陽極保護(hù)指的是通過電化學(xué)的方法來防止樁基被腐蝕，但其效率主要在于水下區(qū)域。根據(jù)國標(biāo)港口工程樁基規(guī)范中的描述，陽極塊在低水位區(qū)及以下區(qū)域，具有90%的效率；在平均潮位到設(shè)計(jì)低水位之間，則具有40%～90%的效率；對(duì)于平均潮位以上的樁基，則不考慮陽極塊的保護(hù)作用。

腐蝕余量的取值須根據(jù)每年的腐蝕速率和防腐年限計(jì)算。針對(duì)腐蝕速率，美標(biāo)未見具體描述；英標(biāo)、國標(biāo)和日標(biāo)的腐蝕速率取值見表2[2-4]。

表2 英標(biāo)、國標(biāo)和日標(biāo)中的鋼管樁腐蝕速率

從表2 可知，不同規(guī)范對(duì)腐蝕速率的取值不同。為了更好地得出當(dāng)?shù)丨h(huán)境下樁基的腐蝕速率，項(xiàng)目基于巴拿馬運(yùn)河環(huán)境，調(diào)研了巴拿馬運(yùn)河距離項(xiàng)目5 km附近的鋼管樁碼頭16 a的腐蝕數(shù)據(jù)[5]，得出水位變動(dòng)區(qū)的腐蝕速率為0.069 mm/a。該值大于英標(biāo)腐蝕速率，但小于國標(biāo)腐蝕速率。其原因主要在于巴拿馬所在地位于熱帶與亞熱帶的交界區(qū)域，而英標(biāo)推薦值位于溫帶區(qū)域。碼頭設(shè)計(jì)壽命為50 a，水位變動(dòng)區(qū)由于無法受到陽極塊的保護(hù)，須抵抗50 a的腐蝕，根據(jù)滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)境要求的國標(biāo)，則至少需要6 mm的腐蝕余量；水下區(qū)和永浸區(qū)考慮陽極塊提供25 a的保護(hù)，剩余25 a仍考慮腐蝕余量，則至少需要3 mm的腐蝕余量?？紤]國標(biāo)雖然未區(qū)分低水位區(qū)，但英標(biāo)和日標(biāo)均顯示低水位區(qū)的腐蝕速率較大，故低水位區(qū)也考慮與水位變動(dòng)區(qū)相同的腐蝕余量。最終考慮在樁基計(jì)算厚度12 mm的情況下，水位變動(dòng)區(qū)和低水位區(qū)的壁厚為19 mm，永浸區(qū)和泥下區(qū)的壁厚為16 mm。

但可惜的是，對(duì)于浪濺區(qū)的腐蝕速率仍未能找到針對(duì)巴拿馬當(dāng)?shù)丨h(huán)境的數(shù)據(jù)；若假定其符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，即取值為0.2～0.3 mm/a，則50 a設(shè)計(jì)壽命下，浪濺區(qū)的腐蝕余量至少為10～15 mm。

由于浪濺區(qū)的腐蝕速率較大，且陽極塊無法對(duì)該區(qū)域的腐蝕起到防御作用。對(duì)于該鋼管樁在浪濺區(qū)的處理，通常有加深樁帽取消浪濺區(qū)和添加涂層等方法。若添加涂層，由于樁基打入深度難以確認(rèn)，存在割樁作業(yè)，同時(shí)涂層在施工過程中可能會(huì)被破壞，在大潮差條件下的補(bǔ)漆作業(yè)難度較大。而加深樁帽取消浪濺區(qū)的方法，即將浪濺區(qū)的樁帽底高程降低，使其包裹鋼管樁，勢(shì)必會(huì)造成混凝土和鋼筋材料費(fèi)用的增加。

假設(shè)位于浪濺區(qū)的鋼管樁全部腐蝕，即浪濺區(qū)考慮用灌注樁，其他區(qū)域考慮用鋼管樁的組合樁，計(jì)算結(jié)果顯示能夠滿足要求。在該計(jì)算中，起黏結(jié)作用的樁芯混凝土深度也相應(yīng)減小(圖1)。

圖1 樁基設(shè)計(jì)

2.2 材質(zhì)替換

項(xiàng)目所在地要求使用美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，但美標(biāo)材料存在價(jià)格高、當(dāng)?shù)責(zé)o大型制造業(yè)、國內(nèi)市場(chǎng)供貨周期長的問題。之所以使用美標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，一方面，咨詢工程師在語言上能更好地審查設(shè)計(jì)問題；另一方面材料損耗后能在當(dāng)?shù)卣业教娲贰Ｈ裟茉谡Z言上提供英文譯本的規(guī)范，材料上證明與美標(biāo)可等效替代性，便能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)替換。在標(biāo)準(zhǔn)問題上，雖然美標(biāo)、歐標(biāo)、國標(biāo)均有各自的體系和表達(dá)，但在關(guān)鍵參數(shù)上常有共通之處。如在螺栓材質(zhì)方面，美標(biāo)中最常用的螺栓為ASTM 325和ASTM 490，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度就與歐標(biāo)ISO 898中8.8級(jí)螺栓和10.9級(jí)螺栓保持一致。而國標(biāo)GB/T 3098.1基本與ISO 898保持一致。對(duì)于在螺栓型號(hào)上主要追求強(qiáng)度的設(shè)計(jì)師而言，美標(biāo)、歐標(biāo)和國標(biāo)是完全可以等效替換的。除了螺栓外，美標(biāo)與國標(biāo)的鋼材也具備可替換性，見表3。其中厚度小于16 mm的Q345B鋼材，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均與美標(biāo)A572-50保持一致，延展性甚至更優(yōu)。

表3 美標(biāo)與國標(biāo)鋼材材質(zhì)替換

由于A572-50鋼材與國標(biāo)Q345B鋼材力學(xué)性能相近，盡管當(dāng)?shù)胤珊驼袠?biāo)文件中要求必須使用美標(biāo)材料，項(xiàng)目依然依托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)報(bào)告，成功地將A572-50替換為Q345B，在保證質(zhì)量和當(dāng)?shù)乜商娲缘那疤嵯?，為?xiàng)目所有鋼材節(jié)約約30%的成本。

2.3 梁板全預(yù)制

碼頭工程中常見的設(shè)計(jì)為橫梁預(yù)制縱梁現(xiàn)澆或者縱梁預(yù)制橫梁現(xiàn)澆的結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)勢(shì)在于現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，精度便于控制；特別是對(duì)于常有軌道及設(shè)備預(yù)埋件的縱梁而言，采用現(xiàn)澆的澆筑方法，可確保施工精度。但由于混凝土水上澆筑受到大潮差環(huán)境影響，僅能在低潮位澆筑，同時(shí)水上混凝土運(yùn)輸難度大，為加快項(xiàng)目工期，要求對(duì)所有梁體均采用下層1.2 m預(yù)制、上部0.45 m現(xiàn)澆的設(shè)計(jì)；所有板均采用下層0.25 m預(yù)制、上層0.2 m現(xiàn)澆的疊合板設(shè)計(jì)。項(xiàng)目底部梁板全部直接架裝，以減小水上混凝土澆筑時(shí)間(圖2)。

圖2 下層梁板全為預(yù)制構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)安裝

2.4 取消剪力鍵

鋼管樁內(nèi)存在2道剪力鍵以增加碼頭上部結(jié)構(gòu)與樁之間的黏結(jié)力，剪力鍵的最低水位為3.95 m，高潮時(shí)容易被淹沒，具有封閉空間作業(yè)和須借潮施工的難題，耗費(fèi)時(shí)間較久，對(duì)項(xiàng)目的工期造成較大影響。通過研究規(guī)范公式的回歸原理和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，提供了更切合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)參數(shù)，取消了剪力鍵設(shè)計(jì)，節(jié)約2個(gè)月的工期和約300萬元的成本。

2.5 鋼護(hù)舷擋板

護(hù)舷是碼頭靠船時(shí)減緩船舶對(duì)碼頭沖擊力的重要構(gòu)件。護(hù)舷擋板則是連接碼頭和護(hù)舷的連接件，考慮碼頭為鋼混結(jié)構(gòu)，護(hù)舷擋板也常為鋼混結(jié)構(gòu)。原設(shè)計(jì)位于碼頭舷側(cè)的護(hù)舷擋板為70 t的混凝土結(jié)構(gòu)，存在模板大、一次澆筑要求混凝土方量大、施工時(shí)混凝土易被海水淹沒等問題。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，修改成金屬結(jié)構(gòu)，將其質(zhì)量降低為18 t。從現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆轉(zhuǎn)化為工廠生產(chǎn)后現(xiàn)場(chǎng)拼接，大幅縮短了現(xiàn)場(chǎng)施工工期。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 波浪、潮汐預(yù)報(bào)

水上施工須根據(jù)海況判斷是否可行。一般流程為根據(jù)作業(yè)類型估算窗口期，根據(jù)海況后報(bào)判斷窗口期存在的頻率，以判斷水上作業(yè)的可行性；施工時(shí)，則根據(jù)波浪、潮汐預(yù)報(bào)判斷窗口期是否來臨，從而指導(dǎo)施工作業(yè)。針對(duì)窗口期的確認(rèn)，須嚴(yán)格根據(jù)船舶穩(wěn)性高度、波浪周期和波浪譜、浪向來確認(rèn)船舶的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，判斷船舶的橫搖及加速度處于施工精度可接受的范圍。但在工程施工中，一般根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)來判斷，初步判斷的各施工工藝的窗口期見表4。

表4 允許施工波高

注：400 t自升式平臺(tái)和250 t自升式平臺(tái)的允許施工波高來源于產(chǎn)品手冊(cè)。

在波浪后報(bào)上，基于Mike 21軟件地形信息和遠(yuǎn)場(chǎng)波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，可得出由于受到島嶼的掩護(hù)，項(xiàng)目水上船舶在90%的時(shí)間內(nèi)均可進(jìn)行作業(yè)。在波浪預(yù)報(bào)上，采用美國大氣與海洋研究署環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NOAA/NCEP)，每6 h更新一次的免費(fèi)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行指導(dǎo)施工，預(yù)報(bào)點(diǎn)距施工區(qū)約1n mile(1.85 km)。免費(fèi)的全球波浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，其數(shù)值模擬的網(wǎng)格往往較大，雖可模擬出相對(duì)準(zhǔn)確的趨勢(shì)，但難以考慮小島嶼、防波堤等尺寸較小結(jié)構(gòu)的掩護(hù)，對(duì)于海況惡劣、可作業(yè)周期短且對(duì)施工精度要求極高的工程，建議采用波浪監(jiān)測(cè)儀器控制現(xiàn)場(chǎng)施工。

因項(xiàng)目所在地為半日潮，受月球引力的影響，在農(nóng)歷初三、十八左右為大潮，此后最高潮位會(huì)周期性衰減；根據(jù)當(dāng)?shù)氐某蔽槐?，并輔以手機(jī)應(yīng)用軟件“全球潮汐”進(jìn)行具體時(shí)間的潮位預(yù)報(bào)，確保每日可進(jìn)行乘潮和避潮作業(yè)。

3.2 乘潮入港

為方便水上運(yùn)輸，修建了臨時(shí)直立式碼頭裝運(yùn)石料，但受水深和潮位限制，不具備全天候作業(yè)條件，須乘潮作業(yè)，因此在船舶的靠泊裝卸上，須根據(jù)靠港船舶的吃水和泊位的水深進(jìn)行組織，并控制1 m以上防擱淺的富裕潮位，根據(jù)次日的潮位預(yù)報(bào)，規(guī)劃每條船靠泊的潮位及時(shí)間、泊位、離開的潮位及時(shí)間等；例如，圖3為某日1 100 m3開體駁允許靠港裝料的時(shí)間。圖中方駁船僅可在填充的時(shí)間段進(jìn)行靠港裝船，并考慮裝船后船舶的吃水變大，故要求離港潮位比允許進(jìn)港潮位更高。

圖3 某船裝料時(shí)間

船舶乘潮入港后，1 000 t以上方駁自重力引起的系纜力較大，須格外注意松緊纜。當(dāng)潮位降低時(shí)，若未及時(shí)松纜，船舶的自重將作用在纜繩上，從而導(dǎo)致纜繩斷裂；而當(dāng)潮位升高時(shí)，若未及時(shí)緊纜，方駁則可能會(huì)遠(yuǎn)離，其松緊纜的頻率應(yīng)控制在0.5～1 h一次。同時(shí)，碼頭前沿應(yīng)采用導(dǎo)角較大的護(hù)輪坎結(jié)構(gòu)以防止繩子割斷。

3.3 跳板駁和浮碼頭

在大潮差地區(qū)，隨潮差轉(zhuǎn)動(dòng)的浮式結(jié)構(gòu)能滿足全天候施工的要求。在拋石和上構(gòu)施工中，將方駁改造為跳板駁(也稱為滾裝船[6])，可進(jìn)行全潮位下的石料裝卸和混凝土罐車輸運(yùn)；為方便現(xiàn)場(chǎng)水上施工人員上下船舶，修建可隨潮差自由轉(zhuǎn)動(dòng)的浮碼頭[7]，從而實(shí)現(xiàn)全潮位工作。

3.4 拋石施工

在拋石施工中，產(chǎn)生擱淺風(fēng)險(xiǎn)的0 m水位以下的區(qū)域，采用1 100 m3開體駁拋填；水位0 m以上部分，采用方駁上挖掘機(jī)進(jìn)行石料拋填。為加快拋石效率，對(duì)于已經(jīng)出水到5 m的位置，利用跳板駁和岸上的挖機(jī)協(xié)助拋石。

3.5 樁基打入

傳統(tǒng)的水上打樁設(shè)備多采用打樁船進(jìn)行施工。但在大潮差條件下，隨著潮差的變化，打樁船上起吊設(shè)備吊臂的角度也隨之發(fā)生變化，同時(shí)打樁船在大潮差下須頻繁松緊纜保證定位效果。近年來，原應(yīng)用于海洋鉆井工程的自升式平臺(tái)[8]被引入近海工程施工中[9]。自升式平臺(tái)通過立柱將自身頂起，從而脫離水面，不受波浪和潮差的影響，可達(dá)到陸上施工的較高精度要求。該項(xiàng)目基于自升式平臺(tái)進(jìn)行樁基施工，施工精度控制在3 cm范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的10 cm(圖4)。

圖4 自升式平臺(tái)避潮打樁

3.6 水上混凝土澆筑

由于樁基頂高程為4.65 m，高潮位下樁芯混凝土容易被海水淹沒。因此，須乘潮作業(yè)?；炷另毥?jīng)歷路運(yùn)、上船、澆筑等幾個(gè)過程，耗時(shí)較長，因此須添加緩凝劑延緩初凝時(shí)間，同時(shí)上船時(shí)間應(yīng)定為漲潮接近高潮位時(shí)，使混凝土澆筑時(shí)水位處于落潮狀態(tài)，以保證混凝土在7 h內(nèi)不被海水淹沒(圖5)。為了避免波浪濺射，考慮潮位在4.0 m以下。

3.7 借潮安裝鋼棧橋

船舶在潮差作用下會(huì)發(fā)生升降，若在高潮位時(shí)駛?cè)氪斑M(jìn)入指定位置，降潮時(shí)便可將吊放的重物著落在指定位置，從而避免起吊機(jī)在吊幅較大情況下吊重不夠的問題。重約120 t的鋼棧橋可考慮采用這種方法，具體方案見圖6。

圖6 借潮起重鋼棧橋以協(xié)助安裝(高程：m；尺寸：mm)

4 結(jié)語

1)在南美地區(qū)EPC港口項(xiàng)目中，針對(duì)大潮差、南美標(biāo)準(zhǔn)和水上施工的環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)高樁碼頭進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。包括將美標(biāo)鋼材替代為國標(biāo)鋼材以節(jié)約造價(jià)、設(shè)計(jì)為全預(yù)制梁板結(jié)構(gòu)以減少水上施工時(shí)間、將較重的混凝土護(hù)舷擋板替換成較輕質(zhì)的鋼護(hù)舷擋板以減少水上混凝土澆筑量、并通過試驗(yàn)取消剪力鍵以減少水上焊接工作量等。同時(shí)基于巴拿馬環(huán)境調(diào)研當(dāng)?shù)氐母g速率，解決鋼管樁浪濺區(qū)的防腐難題，考慮樁基為上層鉆孔灌注樁，下層鋼管樁的組合結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)減小了項(xiàng)目施工和采購成本，縮短了項(xiàng)目工期。

2)論述大潮差條件下港口工程幾種乘潮、借潮施工方法：①基于項(xiàng)目施工海況和作業(yè)窗口期，判斷水上施工的可行性，對(duì)水上作業(yè)進(jìn)行預(yù)報(bào)，并乘潮入港。②在大潮差條件下，須時(shí)常松緊纜以保證系泊的安全可靠性。③為規(guī)避潮差的影響，推薦應(yīng)用跳板駁和浮碼頭等可全天候作業(yè)的結(jié)構(gòu)形式。④在護(hù)岸防波堤等拋石施工中，應(yīng)根據(jù)潮位的不同，對(duì)最低水位以下區(qū)域進(jìn)行開體駁拋填；對(duì)以上區(qū)域采用挖機(jī)拋填；在樁基施工中，推薦采用自升式平臺(tái)規(guī)避潮差的影響。⑤根據(jù)潮位控制混凝土澆筑后有足夠的時(shí)間凝結(jié)。⑥利用方駁乘高潮就位、落潮時(shí)著落的施工方法安裝碼頭上構(gòu)鋼棧橋。