秀山大橋深水峽道海域樁基礎(chǔ)群自升式平臺施工技術(shù)研究

徐洲，黃劍鋒，彭鵬

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120）

0 引言

橋梁深水群樁基礎(chǔ)因水文地質(zhì)條件不同，施工方法各異。橋位流速較小時，可采用浮式平臺進行樁基施工，如浙江中埠大橋19—20號墩，水深14～26 m，流速0.4～0.9 m/s，即采用浮式平臺進行樁基施工[1]。橋位處流速不大，覆蓋層較厚或裸巖強度較低時，可采用打樁船施打鉆孔平臺鋼管樁，再搭設(shè)鉆孔平臺，如廣東西江特大橋143號墩，水深約28 m，最大流速2 m/s，無覆蓋層，強風(fēng)化砂巖強度較低，采用打樁船施打鋼管樁[2]。橋位處流速較大，水深較深，裸巖強度較高時，可采用導(dǎo)管架平臺方案，如東海大橋PM445號光板巖墩，墩位處水深約20 m，最大流速3.8 m/s，基巖裸露，采用“護筒群導(dǎo)管架+底部鋼圍堰”方案[3]；金塘大橋C26號墩、C27號墩，墩位處水深分別達23 m、29 m，最大流速2 m/s，基巖裸露，也采用“護筒群導(dǎo)管架+底部鋼圍堰”方案[4]。

對于海上橋梁施工，特別是外海島嶼之間的海域，峽道效應(yīng)顯著，漲落潮流速大，海床基巖裸露，巖面傾斜，巖石強度高，大大增加了橋梁樁基施工難度。

1 工程概況

秀山大橋是連接浙江舟山官山島與秀山島的跨海大橋，其副通航孔橋為主跨153 m的六孔連跨剛構(gòu)-連續(xù)箱梁橋，秀山側(cè)引橋為跨徑40 m的連續(xù)箱梁橋，見圖1。均采用灌注樁群樁基礎(chǔ)，最大樁徑為2.6 m，采用永久鋼護筒，鋼護筒最大內(nèi)徑為2.9 m。

圖1 橋梁立面圖Fig.1 Bridge elevation

官山至秀山水道為東西走向，潮汐為不規(guī)則半日潮，平均潮差2.4 m，平潮期時間較短，最大浪高達2.93 m，漲落潮最大流速達3.8 m/s。橋位區(qū)域峽道效應(yīng)顯著，7—15號墩水下地形起伏呈“W”形，墩位處水深17～39 m不等，基巖裸露傾斜，強風(fēng)化巖強度大于30 MPa；其中，10號墩環(huán)境條件最為惡劣，墩位處水深39 m，巖面傾角達30°。樁基施工存在的問題：1）海上作業(yè)窗口期少，常規(guī)工程船舶適應(yīng)性差；2）鋼管樁（鋼護筒）施沉、穩(wěn)固難度大，樁基鉆孔易出現(xiàn)漏漿風(fēng)險；3）設(shè)計要求鋼護筒偏位不大于5 cm，傾斜度不大于1/300，施工精度要求高。這些問題導(dǎo)致樁基施工難度極大，樁基施工所需的鉆孔平臺搭設(shè)尤為困難。

2 總體施工方案選擇

針對深水裸巖樁基的施工特點，常規(guī)施工方案有：浮式鉆孔平臺方案、“導(dǎo)管架平臺+底部鋼圍堰”方案、搭設(shè)鋼管樁（鋼護筒）鉆孔平臺方案。

由于秀山大橋位于深水峽道海域，受風(fēng)、浪、流、潮影響，浮式鉆孔平臺或?qū)Ч芗芷脚_施工錨泊系統(tǒng)設(shè)置及精確定位復(fù)雜，施工過程中穩(wěn)定性控制困難，施工質(zhì)量較差，安全風(fēng)險大；搭設(shè)鋼管樁（鋼護筒）鉆孔平臺對施工船舶、設(shè)備要求高，鋼管樁（鋼護筒）定位難度大、精度差，裸巖強度高時插打困難。綜合考慮安全、質(zhì)量、成本等因素，搭設(shè)鋼管樁（鋼護筒）鉆孔平臺方案相對較優(yōu)[5]，但需克服鉆孔平臺搭設(shè)難題。

海上風(fēng)電安裝、海上油氣開采、水下基床整平多采用自升式平臺[6]，但橋梁施工領(lǐng)域采用自升式平臺施工較少見，比較成功的案例為日本瀨戶大橋運用自升式平臺進行海底鉆孔爆破和深水巖面磨削處理[7]。自升式平臺升離水面后，可有效降低風(fēng)浪流對施工的影響，具有常規(guī)施工方法無法比擬的優(yōu)勢。結(jié)合公司自有的“長旭”號自升式平臺性能狀況，秀山大橋深水峽道海域樁基施工擬采用自升式平臺進行施工。

3 自升式平臺適應(yīng)性研究

“長旭”號自升式平臺由1個平臺主體、4根樁腿、升降系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、起重設(shè)備以及錨泊系統(tǒng)等組成，其中起重設(shè)備為180 t履帶吊，平臺具體參數(shù)如表1所示。

表1 “長旭號”自升式平臺參數(shù)Table 1 Parameters of"Changxu"jack-up platform

采用自升式平臺進行樁基施工，其安全性取決于平臺的結(jié)構(gòu)強度、抗傾覆和抗滑移性能。

自存工況為：樁腿處最大水深39 m，流速3.8 m/s，風(fēng)速34.80 m/s，波高2.93 m，僅考慮平臺自存。

作業(yè)工況為：樁腿處最大水深39 m，流速3.1 m/s，風(fēng)速18.5 m/s，波高1.5 m，同時進行2根鋼護筒沉放施工（最不利工況）。

經(jīng)分析，自存工況下樁腿最大組合應(yīng)力為72.2 MPa，為臨界應(yīng)力的70.1%；平臺抗傾覆安全系數(shù)為3.45（大于規(guī)定值1.5）；平臺抗滑移安全系數(shù)為1.51（大于規(guī)定值1.2）。

作業(yè)工況下在進行2根鋼護筒施工時，鋼護筒未觸底，其荷載全部由平臺承擔(dān)，樁腿最大組合應(yīng)力為58.8 MPa，為臨界應(yīng)力的40.8%；平臺抗傾覆安全系數(shù)為4.27（大于規(guī)定值1.5）；平臺抗滑移安全系數(shù)為1.89（大于規(guī)定值1.4）。

綜上可知，“長旭”號自升式平臺可滿足秀山大橋深水樁基施工需求。為了確保平臺安全，自升式平臺在正式駐位前，須對樁腿位置海床進行整平，以保證樁腿底部樁靴與巖面接觸密實。

4 自升式平臺駐位

自升式平臺于平潮期拖航至現(xiàn)場，采用GPS定位系統(tǒng)進行定位，通過自身錨纜系統(tǒng)進行調(diào)位，將平臺精調(diào)至預(yù)定位置后，下放樁腿至海底，通過液壓升降系統(tǒng)將平臺主體頂升至底標(biāo)高+5.0 m，以保證高潮位時最大波浪不會沖擊平臺主體底部。

自升式平臺在深水斜巖面區(qū)駐位時，樁腿底部樁靴與巖面接觸不良，平臺安全性難以保證，故先在水深較淺、巖面較平緩的區(qū)域臨時駐位，通過懸臂導(dǎo)向架配合沖擊鉆機將樁腿駐位位置的斜巖面沖砸整平，再將平臺前移至該位置進行二次駐位；通過重復(fù)上述步驟，平臺逐步向前推進，最終到達指定位置完成駐位，見圖2。

圖2 自升式平臺駐位示意圖Fig.2 Location of jack-up platform

“長旭”號自升式平臺采用液壓升降系統(tǒng)，每根樁腿外套有上下2個抱箍。平臺主體頂升到位后，在下抱箍底部沿樁腿四周均布焊接4個鋼牛腿，作為防止抱箍與樁腿相對滑動的安全措施。

5 導(dǎo)向架施工

在平臺主體側(cè)面設(shè)置導(dǎo)向架，導(dǎo)向架采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)，設(shè)置2～3層導(dǎo)向限位框，限位框內(nèi)口尺寸比鋼護筒外徑大8 cm，限位框處設(shè)置供鋼護筒（鋼管樁）導(dǎo)向、沉放過程中糾偏、調(diào)整和鎖定的裝置[8]，見圖3。

圖3 導(dǎo)向架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of guide frame

導(dǎo)向架以單根鋼管樁（鋼護筒）為單元匹配加工，安裝時先將第1排導(dǎo)向架單元焊接在平臺主體側(cè)面，后續(xù)導(dǎo)向架單元根據(jù)施工需要在現(xiàn)場進行擴展拼裝。鋼護筒（鋼管樁）沉放完成后，將導(dǎo)向架通過型鋼牛腿固定至鋼護筒（鋼管樁）上，作為鉆孔平臺的承重結(jié)構(gòu)。

6 鉆孔平臺施工

結(jié)合現(xiàn)場條件，對于水深小于30 m的墩位，將自升式平臺作為輔助平臺，搭設(shè)鋼護筒鉆孔平臺后進行樁基施工或直接下放鋼護筒進行樁基施工，以7號墩為典型代表；對于水深大于30 m的墩位，將自升式平臺作為初始工作平臺，先搭設(shè)鋼管樁輔助平臺，再通過輔助平臺延伸搭設(shè)鋼護筒鉆孔平臺，然后進行樁基施工，以10號墩為典型代表。

6.1 7號墩鉆孔平臺施工

7號墩共有12根φ2.5 m樁基，順橋向3排，橫橋向4列，呈矩形布置，永久鋼護筒內(nèi)徑2.9 m，墩位處水深17 m，基巖裸露，巖面較平緩，采用自升式平臺直接搭設(shè)鋼護筒鉆孔平臺，鋼護筒需嵌巖跟進3 m并錨固。

7號墩鋼護筒鉆孔平臺施工步驟：

1）自升式平臺在7號墩旁橫橋向駐位、頂升后，安裝第1、2列鋼護筒導(dǎo)向架節(jié)段，導(dǎo)向架設(shè)置2層定位框，見圖4。

圖4 7號墩鋼護筒施工示意圖Fig.4 Construction of steel casing of No.7 pier

2）先下放第1列的2根角樁鋼護筒至海底，調(diào)整鋼護筒偏位及傾斜度，滿足要求后進行平面限位鎖定。

3）沖擊鉆機配φ2.84 m鉆頭在護筒內(nèi)預(yù)成孔，將鋼護筒跟進嵌巖3 m；再澆筑5 m高水下錨固混凝土，將鋼護筒錨固在基巖中。

4）在已完成嵌巖錨固的鋼護筒上焊接型鋼牛腿，將導(dǎo)向架與鋼護筒連接固定，以導(dǎo)向架為承重結(jié)構(gòu)，在頂部分塊布設(shè)分配梁和面板，形成臨時施工平臺。

5）擴展接長導(dǎo)向架，每次同步進行2根鋼護筒的下放、嵌巖和錨固施工，并將相鄰已施工的鋼護筒通過鋼管平聯(lián)和斜撐進行連接，直至完成全部鋼護筒施工。

6）7號墩全部鋼護筒完成嵌巖錨固后，將頂部分配梁及面板連接成整體，形成鋼護筒鉆孔平臺并進行樁基施工，此時自升式平臺可撤離至下一墩位施工。

6.2 10號墩鉆孔平臺施工

10號墩共有10根樁基，順橋向3排，呈梅花形排列，4根角樁直徑為2.6 m，其余樁基直徑為2.5 m，永久鋼護筒內(nèi)徑為2.9 m。為了確保施工安全和兼顧后續(xù)施工需要，在10號墩秀山側(cè)設(shè)置16 m寬輔助平臺，共有12根內(nèi)徑φ1.5 m鋼管樁，順橋向3排，橫橋向4列，呈矩形布置。

10號墩采用自升式平臺作為初始工作平臺，先搭設(shè)輔助平臺，鋼管樁需嵌巖跟進1 m并施做鋼筋混凝土錨樁，再通過輔助平臺擴展導(dǎo)向架，搭設(shè)鋼護筒鉆孔平臺，鋼護筒需嵌巖跟進3 m并錨固。

10號墩鋼護筒鉆孔平臺施工步驟如下：

1）自升式平臺在10號墩秀山側(cè)距離墩位16 m處駐位、頂升后，安裝第1排鋼護筒導(dǎo)向架節(jié)段，導(dǎo)向架設(shè)置3層定位框。

2）先下放2根鋼管樁至海底，定位并鎖定其平面位置，沖擊鉆機配φ1.45 m鉆頭在鋼管樁內(nèi)預(yù)成孔，將鋼管樁跟進嵌巖1 m；繼續(xù)鉆孔至入巖3 m，再下放6 m長鋼筋籠并澆筑6 m以上高度水下混凝土錨樁，將鋼管樁錨固在基巖中，見圖5。

圖5 10號墩輔助平臺施工示意圖Fig.5 Construction of auxiliary platform for No.10 pier

3）擴展接長導(dǎo)向架，每次同步進行2根鋼管樁的下放、嵌巖和錨固施工，并將相鄰已施工的鋼管樁通過鋼管平聯(lián)和斜撐進行連接，直至完成全部鋼管樁施工。

4）在鋼管樁上焊接型鋼牛腿，將導(dǎo)向架與鋼管樁連接固定，以導(dǎo)向架為承重結(jié)構(gòu)，在頂部分塊布設(shè)分配梁和面板，形成臨時施工平臺。

5）擴展接長導(dǎo)向架，進行鋼護筒下放、嵌巖和錨固施工，最后形成鋼護筒鉆孔平臺并進行樁基施工，施工方法與7號墩相同。

6.3 鋼管樁和鋼護筒底口防漏漿措施

對于跟進入巖難度大、漏漿風(fēng)險大的部分鋼護筒（鋼管樁）在巖面處增設(shè)固腳混凝土，固腳混凝土施工采用底口與斜巖面匹配的水下鋼圍堰，澆筑混凝土形成固腳結(jié)構(gòu)，見圖6。

圖6 固腳結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Anchorage structure diagram

7 結(jié)語

秀山大橋深水峽道海域樁基礎(chǔ)群施工采用自升式平臺構(gòu)建樁基鉆孔平臺，實現(xiàn)了水深39 m、流速3.8 m/s、巖面傾角30°條件下海域橋梁樁基礎(chǔ)群施工，克服了常規(guī)施工方法難以實施的難題。采用多用途定位導(dǎo)向架，實現(xiàn)了鋼護筒傾斜度小于1/300、中心位置偏差小于5 cm的高精度目標(biāo)；采用水下固腳混凝土，避免了鉆孔漏漿風(fēng)險；工程施工安全和質(zhì)量得到了保證。采用自升式平臺構(gòu)建樁基鉆孔平臺進行樁基施工的技術(shù)，能有效適應(yīng)惡劣水文地質(zhì)環(huán)境，可為橋梁建設(shè)類似工程提供借鑒。