巴西圣路易斯港大潮差水上地勘鉆孔簡易平臺方案

朱立志，衣鵬飛

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

巴西圣路易斯港項目位于巴西東北部馬拉尼昂州首府圣路易斯市。項目為多用途散貨碼頭，擬新建4個泊位。包括糧食裝船泊位1個(18萬t級)、化肥卸船泊位1個(4.5萬t級)、液體油品卸船泊位1個(8萬t級)和紙漿裝船泊位1個(6.5萬t級)。

碼頭結構概念設計為離岸式高樁梁板式結構，T型布置，雙側靠船，引橋長約1085 m，寬約22 m；碼頭長約600 m，寬約42 m。項目初步設計階段，應水工設計單位要求，需要對項目碼頭及引橋區域進行地勘鉆孔。碼頭區域13個孔位，引橋區域10個孔位，總計23個孔位。

2 項目前期資料

本項目附近約600 m處，有以前的地勘資料?？紤]地層連續，項目所在地的覆蓋層厚度預估為4～5 m，下部為工程性質較好的砂層或巖層。

2.1 水文條件

2.1.1 水深

本項目參考基面為Zero DHN(巴西當地的一種高程體系)。本項目前期有水深圖，碼頭縱斷面的平均泥面標高為-22～-24 m。

2.1.2 潮差

項目所在區域潮汐為規則半日潮，平均潮差4.6 m，最大潮差可達7.4 m。潮差不超過5.5 m約占全年75%。

2.1.3 潮位分布

最高潮位HAT：+7.10 m；大潮平均高水位MHWS：+6.30 m；平均高水位MHW：+5.00 m；平均水位MWL(MSL)：+3.40 m；平均低水位MLW：+1.80 m；大潮平均低水位MLWS：+0.60 m；最低天文潮HAT：-0.30 m

2.1.4 波浪及流速

項目所在地波浪波高約為1.1 m，周期6 s。水流平均速度為1.5 m/s，最大流速為2.5 m/s。

2.2 地勘輔助設備情況

地勘單位現有船舶設備有平板駁船36 m長，14 m寬；JACK-UP船18 m長，5.7 m寬，有效工作水深不超過9 m；小型拖輪一艘；交通小船一艘。

地勘現有JACK-UP船工作能力受限，只能在引橋段對水深不超過9 m左右的區域進行地勘鉆孔工作。

由于現場水文條件較差，無法使用現有平板駁船直接進行地勘鉆孔作業。

因此，結合安全可靠、保證質量、施工便捷可行、造價節省等原則，提出了一種簡易的單樁平臺方案，用于碼頭區域和引橋深水區域進行地勘鉆孔作業。

3 平臺設計

3.1 平臺介紹

平臺采用鋼護筒(鋼管樁)作為支撐，帶四根錨纜保證其穩定，上部采用可整體吊裝的工作平臺。此設計方案主要有以下幾點考慮：

(1)上部工作平臺應滿足地勘鉆孔作業空間需求，采用6.5 m邊長的正方形鋼結構平臺，四周用1.5 m高護欄保證安全。

(2)為方便現有設備操作，上部工作平臺需要整體吊裝，與鋼護筒連接方式考慮為抱箍連接。

(3)地勘鉆孔作業在鋼護筒內部進行操作，可避免水文條件對作業的影響。

(4)鋼護筒采用液壓振動錘進行沉設，嵌入深度只有4～5 m左右厚度的覆蓋層內，對地勘結果影響不大，可以不予考慮。其結構簡圖如圖1。

3.2 結構穩定計算

3.2.1 計算條件

根據水文條件以及鉆孔要求，平臺幾何尺寸如下。

(1)工作平臺標高按+6.5 m考慮。

(2)鋼護筒采用直徑1.8 m，壁厚12.7 mm，參照ASTM A36；長度按35 m考慮。

(3)拉錨纜繩采用鋼絲繩；鋼絲繩與鋼護筒夾角不小于47°，固定點位于平臺下方3 m位置。

(4)海底標高按-24 m考慮，鋼護筒按入覆蓋層4.5 m，下部按著巖考慮。

圖1 平臺簡圖

3.2.2 荷載情況

根據經驗及項目前期資料，荷載情況如下。

(1)工作平臺為鋼結構，加上鉆孔設備以及操作人員，荷載按15 t考慮。

(2)水流荷載按平均流速1.5 m/s，最大流速按2.5 m/s考慮。

(3)偶然荷載，考慮船舶貼靠，按25 kN考慮。

(4)鋼護筒底部考慮鉸接。

(5)風載影響較小，不考慮。

3.3 施工實際情況

平臺安裝過程中，錨塊的相對位置對平臺的穩定影響較大。假定如下6種布置見圖2(第一排從右到右分別為布置1、2、3，第二排從左到右分別為布置4、5、6，荷載均從圖示左側施加)。

圖2 錨塊的不同布置

3.4 計算結果

(1)鋼護筒頂部位移情況。計算鋼護筒頂部位移結果：布置1到布置6， 鋼護筒頂最大位移分別為89 mm、 118 mm、 197 mm、89 mm、135 mm、252 m。

鋼護筒頂部(即工作平臺)最大位移出現在錨塊的第6種布置，約為25 cm。

(2)鋼護筒應力情況。計算鋼護筒應力結果：布置1到布置6，鋼護筒最大應力分別為23 MPa、23 MPa、24 MPa、23 MPa、24 MPa、25 MPa。

鋼護筒最大應力出現在錨塊的第6種布置，約為25 MPa。

(3)鋼護筒端承力大小。計算鋼護筒端承力大小結果如下：布置1到布置6，鋼護筒最大端承力分別為521 kN、566 kN、591 kN、565 kN、596 kN、663 kN。

鋼護筒最大端承力出現在錨塊的第6種布置，約為66 t。

(4)拉索受拉力大小。 計算拉索受拉力結果如下：布置1到布置6，拉索最大受拉力分別為151.9 kN、161.7 kN、186.4 kN、107.3 kN、146.5 kN、179.8 kN。

拉索受最大拉力出現在錨塊的第3種布置，約為18.6 t；在錨塊的第6種布置中，拉索拉力約為18 t。

3.5 計算結果分析及材料選型

(1)工作平臺的位移。平臺最大位移約為25 cm，位移較大。但考慮到本平臺為臨時工程，此位移大小對地勘鉆孔工作影響較小，可以接受。

(2)鋼護筒。按計算結果，鋼護筒按當地經驗可選為ASTMA36，直徑1.8 m，壁厚12.7 mm，長度為35 m。鋼護筒應力滿足要求。

鋼護筒底部荷載66 t，因模型考慮為下部著巖，下部荷載滿足要求。施工過程中，選擇合適的振動錘，以貫入度為標準進行沉樁標高控制：如實際鋼護筒嵌入度較大，則只需要增加鋼護筒的長度即可；如實際嵌入度不夠，則需要重新建模進行計算。

(3)錨塊。鋼索最大拉力為18.6 t，可選錨塊重量20 t。錨塊選用預制混凝土方塊。

(4)鋼索。錨塊重20 t，考慮安裝過程中起吊，鋼索最大拉力按20 t。按照《建筑施工手冊》，鋼索作吊索用，安全系數取5。鋼絲繩的破斷拉力取20×5=100 t。

3.6 施工注意事項

按照計算結果，在平臺施工過程中應注意以下幾點：保證鋼護筒的嵌入深度；保證鋼護筒的垂直度；降低錨塊的布置偏差等。

4 平臺施工

4.1 平臺安裝及拆除

(1)錨塊沉放。根據地勘平面布置，考慮現場水流條件，對錨塊進行定位并布置。錨塊沉放由方駁上的200 t吊車進行沉放。鋼絲繩上部系浮筒標記位置。

(2)鋼護筒沉設。方駁端側焊接龍口。鋼護筒定位后，用200 t吊車吊液壓振動錘對鋼護筒進行沉放。沉放過程保證垂直度與鋼護筒嵌入深度。

(3)拉錨。待鋼護筒沉放完成后，用拖輪將鋼絲繩牽引至鋼護筒處進行連接，束緊。

(4)上部工作平臺吊裝。上部工作平臺放置于平板駁上。由200 t吊車進行吊裝。

(5)地勘設備吊裝。地勘設備放置于平板駁上。由200 t吊車吊致工作平臺上。進行地勘鉆孔工作。

(6)平臺拆除。待一個孔位地勘工作完成后，按安裝順序進行逆序拆除。并移位到下一個孔位，重復上述操作。

(7)平臺作業效果。平臺安裝及拆除簡單便捷，提高了地勘作業的速度。通過監測，地勘作業過程中平臺穩定，基本不受水文條件的影響，目前已順利地完成了所有水上地勘鉆孔工作。

4.2 平臺分析

(1)平臺優點。平臺結構簡單，造價節省，平臺施工容易，對船機設備需求不高。地勘作業過程中，水文條件對地勘作業影響小。

(2)平臺不足。平臺結構需要鋼護筒有一定的嵌入度，對覆蓋層較薄的區域不適用。鋼護筒嵌入部分，對地質有擾動，該部分地勘結果準確性受影響。鋼護筒要有一定的嵌入深度，嵌入深度不夠，對平臺穩定性影響較大，所以該平臺不適合無覆蓋層或覆蓋層較小的區域；鋼護筒的嵌入深度會影響平臺的高度，平臺也不適宜覆蓋層變化較大的區域。

(3)改進及推廣。考慮到覆蓋層變化較大的區域，可使用鋼護筒接長裝置。但平臺穩定性需要重新核算。

考慮到文中錨塊布置6中，各項計算結果(位移、應力、拉力)均偏大，條件合適的情況下可將4個錨塊增加至5個錨塊，均勻布置，增加其穩定性，降低風險。

5 結語

本平臺是基于特定條件下而設計的簡易工作平臺，適用于船機設備不充裕、潮差變化大、有一定覆蓋層區域的水上地勘工作。平臺結構簡單，造價節省，但平臺使用范圍較為局限。通過拓展思路，結合實際情況，平臺有望在其它領域得以使用，為解決不利條件的方案提供參考。