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(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)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(shí)，可采用浮式平臺(tái)進(jìn)行樁基施工，如浙江中埠大橋19—20號(hào)墩，水深14～26 m，流速0.4～0.9 m/s，即采用浮式平臺(tái)進(jìn)行樁基施工[1]。橋位處流速不大，覆蓋層較厚或裸巖強(qiáng)度較低時(shí)，可采用打樁船施打鉆孔平臺(tái)鋼管樁，再搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，如廣東西江特大橋143號(hào)墩，水深約28 m，最大流速2 m/s，無覆蓋層，強(qiáng)風(fēng)化砂巖強(qiáng)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(qiáng)度較高時(shí)，可采用導(dǎo)管架平臺(tái)方案，如東海大橋PM445號(hào)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(hù)筒群導(dǎo)管架+底部鋼圍堰”方案[3]；金塘大橋C26號(hào)墩、C27號(hào)墩，墩位處水深分別達(dá)23 m、29 m，最大流速2 m/s，基巖裸露，也采用“護(hù)筒群導(dǎo)管架+底部鋼圍堰”方案[4]。

對(duì)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(qiáng)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?yàn)橹骺?53 m的六孔連跨剛構(gòu)-連續(xù)箱梁橋，秀山側(cè)引橋?yàn)榭鐝?0 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(hù)筒，鋼護(hù)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(shí)間較短，最大浪高達(dá)2.93 m，漲落潮最大流速達(dá)3.8 m/s。橋位區(qū)域峽道效應(yīng)顯著，7—15號(hào)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(qiáng)風(fēng)化巖強(qiáng)度大于30 MPa；其中，10號(hào)墩環(huán)境條件最為惡劣，墩位處水深39 m，巖面傾角達(dá)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(hù)筒）施沉、穩(wěn)固難度大，樁基鉆孔易出現(xiàn)漏漿風(fēng)險(xiǎn)；3）設(shè)計(jì)要求鋼護(hù)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(tái)搭設(shè)尤為困難。

2 總體施工方案選擇

針對(duì)深水裸巖樁基的施工特點(diǎn)，常規(guī)施工方案有：浮式鉆孔平臺(tái)方案、“導(dǎo)管架平臺(tái)+底部鋼圍堰”方案、搭設(shè)鋼管樁（鋼護(hù)筒）鉆孔平臺(tái)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(tái)或?qū)Ч芗芷脚_(tái)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(xiǎn)大；搭設(shè)鋼管樁（鋼護(hù)筒）鉆孔平臺(tái)對(duì)施工船舶、設(shè)備要求高，鋼管樁（鋼護(hù)筒）定位難度大、精度差，裸巖強(qiáng)度高時(shí)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(hù)筒）鉆孔平臺(tái)方案相對(duì)較優(yōu)[5]，但需克服鉆孔平臺(tái)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(tái)[6]，但橋梁施工領(lǐng)域采用自升式平臺(tái)施工較少見，比較成功的案例為日本瀨戶大橋運(yùn)用自升式平臺(tái)進(jìn)行海底鉆孔爆破和深水巖面磨削處理[7]。自升式平臺(tái)升離水面后，可有效降低風(fēng)浪流對(duì)施工的影響，具有常規(guī)施工方法無法比擬的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合公司自有的“長(zhǎng)旭”號(hào)自升式平臺(tái)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(tái)進(jìn)行施工。

3 自升式平臺(tái)適應(yīng)性研究

“長(zhǎng)旭”號(hào)自升式平臺(tái)由1個(gè)平臺(tái)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(tái)具體參數(shù)如表1所示。

表1 “長(zhǎng)旭號(hào)”自升式平臺(tái)參數(shù)Table 1 Parameters of"Changxu"jack-up platform

采用自升式平臺(tái)進(jìn)行樁基施工，其安全性取決于平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(tái)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(shí)進(jìn)行2根鋼護(hù)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(tái)抗傾覆安全系數(shù)為3.45（大于規(guī)定值1.5）；平臺(tái)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(jìn)行2根鋼護(hù)筒施工時(shí)，鋼護(hù)筒未觸底，其荷載全部由平臺(tái)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(tái)抗傾覆安全系數(shù)為4.27（大于規(guī)定值1.5）；平臺(tái)抗滑移安全系數(shù)為1.89（大于規(guī)定值1.4）。

綜上可知，“長(zhǎng)旭”號(hào)自升式平臺(tái)可滿足秀山大橋深水樁基施工需求。為了確保平臺(tái)安全，自升式平臺(tái)在正式駐位前，須對(duì)樁腿位置海床進(jìn)行整平，以保證樁腿底部樁靴與巖面接觸密實(shí)。

4 自升式平臺(tái)駐位

自升式平臺(tái)于平潮期拖航至現(xiàn)場(chǎng)，采用GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，通過自身錨纜系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)位，將平臺(tái)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(tái)主體頂升至底標(biāo)高+5.0 m，以保證高潮位時(shí)最大波浪不會(huì)沖擊平臺(tái)主體底部。

自升式平臺(tái)在深水斜巖面區(qū)駐位時(shí)，樁腿底部樁靴與巖面接觸不良，平臺(tái)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(shí)駐位，通過懸臂導(dǎo)向架配合沖擊鉆機(jī)將樁腿駐位位置的斜巖面沖砸整平，再將平臺(tái)前移至該位置進(jìn)行二次駐位；通過重復(fù)上述步驟，平臺(tái)逐步向前推進(jìn)，最終到達(dá)指定位置完成駐位，見圖2。

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

“長(zhǎng)旭”號(hào)自升式平臺(tái)采用液壓升降系統(tǒng)，每根樁腿外套有上下2個(gè)抱箍。平臺(tái)主體頂升到位后，在下抱箍底部沿樁腿四周均布焊接4個(gè)鋼牛腿，作為防止抱箍與樁腿相對(duì)滑動(dòng)的安全措施。

5 導(dǎo)向架施工

在平臺(tái)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(hù)筒外徑大8 cm，限位框處設(shè)置供鋼護(hù)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(hù)筒）為單元匹配加工，安裝時(shí)先將第1排導(dǎo)向架單元焊接在平臺(tái)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(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)展拼裝。鋼護(hù)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(hù)筒（鋼管樁）上，作為鉆孔平臺(tái)的承重結(jié)構(gòu)。

6 鉆孔平臺(tái)施工

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

6.1 7號(hào)墩鉆孔平臺(tái)施工

7號(hào)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(hù)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(tái)直接搭設(shè)鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)，鋼護(hù)筒需嵌巖跟進(jìn)3 m并錨固。

7號(hào)墩鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)施工步驟：

1）自升式平臺(tái)在7號(hào)墩旁橫橋向駐位、頂升后，安裝第1、2列鋼護(hù)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(hào)墩鋼護(hù)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(hù)筒至海底，調(diào)整鋼護(hù)筒偏位及傾斜度，滿足要求后進(jìn)行平面限位鎖定。

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

4）在已完成嵌巖錨固的鋼護(hù)筒上焊接型鋼牛腿，將導(dǎo)向架與鋼護(hù)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(shí)施工平臺(tái)。

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

6）7號(hào)墩全部鋼護(hù)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(hù)筒鉆孔平臺(tái)并進(jìn)行樁基施工，此時(shí)自升式平臺(tái)可撤離至下一墩位施工。

6.2 10號(hào)墩鉆孔平臺(tái)施工

10號(hào)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(hù)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(hào)墩秀山側(cè)設(shè)置16 m寬輔助平臺(tái)，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(hào)墩采用自升式平臺(tái)作為初始工作平臺(tái)，先搭設(shè)輔助平臺(tái)，鋼管樁需嵌巖跟進(jìn)1 m并施做鋼筋混凝土錨樁，再通過輔助平臺(tái)擴(kuò)展導(dǎo)向架，搭設(shè)鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)，鋼護(hù)筒需嵌巖跟進(jìn)3 m并錨固。

10號(hào)墩鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)施工步驟如下：

1）自升式平臺(tái)在10號(hào)墩秀山側(cè)距離墩位16 m處駐位、頂升后，安裝第1排鋼護(hù)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(jī)配φ1.45 m鉆頭在鋼管樁內(nèi)預(yù)成孔，將鋼管樁跟進(jìn)嵌巖1 m；繼續(xù)鉆孔至入巖3 m，再下放6 m長(zhǎng)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(hào)墩輔助平臺(tái)施工示意圖Fig.5 Construction of auxiliary platform for No.10 pier

3）擴(kuò)展接長(zhǎng)導(dǎo)向架，每次同步進(jìn)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(jìn)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(shí)施工平臺(tái)。

5）擴(kuò)展接長(zhǎng)導(dǎo)向架，進(jìn)行鋼護(hù)筒下放、嵌巖和錨固施工，最后形成鋼護(hù)筒鉆孔平臺(tái)并進(jìn)行樁基施工，施工方法與7號(hào)墩相同。

6.3 鋼管樁和鋼護(hù)筒底口防漏漿措施

對(duì)于跟進(jìn)入巖難度大、漏漿風(fēng)險(xiǎn)大的部分鋼護(hù)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(tái)構(gòu)建樁基鉆孔平臺(tái)，實(shí)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(shí)施的難題。采用多用途定位導(dǎo)向架，實(shí)現(xiàn)了鋼護(hù)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(xiǎn)；工程施工安全和質(zhì)量得到了保證。采用自升式平臺(tái)構(gòu)建樁基鉆孔平臺(tái)進(jìn)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。