長周期波淺覆蓋層無掩護海域離岸碼頭施工關鍵技術

岳新興，江群龍

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

在長周期波海域，傳統(tǒng)打樁船和碼頭施工船舶面臨著有效施工窗口較短、定位困難等難題。國外有研究表明，在外海長周期波條件下非常不利于海上船舶施工作業(yè)，常規(guī)打樁船無法完成鋼管樁基施工。例如，20世紀70、80年代，歐美一些國家以及日本就展開了對長周期波的觀測，以及長周期波對于系泊船舶的影響研究。Ohshima K等認為30～300 s的長周期波通常會引起長時間的港內(nèi)水面振蕩，即使有波堤防護，也會干擾港口的正常裝卸作業(yè)并造成纜繩的損壞。外海長周期波、海床淺覆蓋層工況下碼頭工程施工一直是一項難題[1-8]。

本文以巴基斯坦中電胡布燃煤電廠煤碼頭工程為依托，通過開創(chuàng)性地引入橋梁施工中的“棧橋”工藝解決船舶無法施工問題，研發(fā)新型裝配式導向架適應長周期波淺覆蓋層條件下鋼棧橋沉樁施工，研發(fā)新型步履式液壓頂推平臺設備和工藝，對季風期防波堤臨時防護開展物模試驗等研究，成功解決了長周期波淺覆蓋層無掩護海域離岸碼頭施工的技術難題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目煤碼頭位于巴基斯坦俾路支省HUB河口附近，為新建專用煤炭進口碼頭，設計煤炭通過能力為440萬t/a，包括2個煤炭進口泊位、2個工作船泊位、引橋、引堤、防波堤等水工結構及公用工程設施，建設周期僅28個月。

碼頭采用高樁梁板結構，平面尺寸265 m×24 m，基礎采用鉆孔灌注樁，共34個排架，排架間距8 m，碼頭樁基總計136根，樁基直徑1 350 mm；上部結構采用梁板結構，樁基上現(xiàn)澆橫梁、安裝縱梁，安裝預制面板，現(xiàn)澆面層及磨耗層形成碼頭平臺結構，碼頭前沿設橡膠護舷、爬梯和系船柱等，碼頭斷面圖見圖1。

圖1 碼頭縱斷面布置Fig.1 Longitudinal section of jetty

防波堤全長727 m，頂面寬度為8.34～9.03 m，結構形式為堤心石+護底、護腳塊石+塊石墊層+CORE-LOCS塊，典型斷面圖見圖2。

圖2 防波堤典型斷面圖Fig.2 Typical cross-section of breakwater

1.2 水文、氣象和地質(zhì)條件

本工程所處地區(qū)屬于高溫干燥的熱帶荒漠氣候，夏天炎熱潮濕，冬天溫暖干燥，6—9月為季風期，受到西南季風的影響，海面波浪較大。年降雨量低于200 mm，且大部分發(fā)生在季風季節(jié)。

根據(jù)實測波浪資料，工程海域波浪有以下特點：1）季風期外海常浪向為SSW向，頻率為75.56%；次常浪向為SW，頻率為18.48%；強浪向為SSW向。有效波高平均值為3.13 m，最大值為5.38 m，對應波向為SSW，平均波浪周期在8～13 s。2）非季風期常浪向為SSW向，頻率為34.48%；次常浪向為SW向，頻率為28.87%；有效波高在0.6～1.2 m之間，平均周期在9～13 s之間。

工程海域岸線呈南北向，岸線順直，-5 m等深線距離岸邊約0.6 km，-10 m等深線距離岸邊約1.6 km，海底地形較為平緩。大部分鉆孔資料揭示基巖裸露，表層為棕黃色強風化砂巖，極軟巖，局部有泥巖夾層。但少部分鉆孔顯示表層即為中風化砂巖，強度為25～27 MPa。

2 工程施工的重點與難點

1）中長周期波海況特征明顯，傳統(tǒng)的船舶施工工藝無法實施。根據(jù)本項目設計特點，水工結構常采用船舶施工工藝實施，但本項目直面阿拉伯海，每年5—9月中長周期波海況特征明顯，即使非季風期波浪周期也很長，船舶在中長周期波水面耐波性差，晃動大，施工窗口期少，不能滿足項目建設需要。

2）根據(jù)地質(zhì)勘查報告，施工海域淺覆蓋地層，無軟質(zhì)覆蓋層，海床以砂泥巖為主，局部存在礁盤，碼頭鋼護筒沉樁難度大。

3）施工時間短。根據(jù)項目進度要求2018年5月30日前，須完成1號泊位水工結構施工，同時防波堤須滿足季風期臨時防護要求，工期壓力大。

3 施工關鍵技術

3.1 總體施工方案的創(chuàng)新

在中長周期波無掩護海域施工是國際上公認的難題，通過對施工海域過去10 a波浪及周期分析、沉樁可打性分析、施工船舶耐波性分析、施工船舶施工窗口期分析，以“水上船舶為主、陸上設備輔助”的傳統(tǒng)碼頭施工方案難以實施。

為了克服工期和長周期波對船舶施工的影響，調(diào)整鋼棧橋的布置方案，鋼棧橋連接陸地，貫通到引橋、碼頭、防波堤，見圖3，鋼棧橋變“水上施工”為“陸上施工”。

圖3 項目總體平面布置（m）Fig.3 General layout of project(m)

此創(chuàng)新方案的優(yōu)點主要有以下方面：

1）長周期波海域，首次將傳統(tǒng)橋梁施工中“鋼棧橋”工藝嫁接離岸碼頭+離岸防波堤施工中，總體采用“雙棧橋”工藝解決了船舶施工窗口期受限的問題。“雙棧橋”提供了通暢的供給通道，創(chuàng)造了24 h作業(yè)條件。

2）臨時鋼棧橋連接所有主體工程結構，各主體工程結構可同步開展施工，減小工期壓力。

3）離岸防波堤增加了施工作業(yè)面，防波堤施工由常規(guī)的水上船舶施工變?yōu)殛懮鲜┕橹鳎鲜┕だ么翱谄跒檩o的方案，進一步加快防波堤施工進度。

3.2 鋼棧橋鋼管樁施工導向架的設計與應用

鋼棧橋沉樁常規(guī)導向架設計需滿足施工方便，起到固定樁基樁位和垂直度即可，裝配式懸臂導向架是最常規(guī)的，設計簡單，導向架整體質(zhì)量小，安裝拆卸方便。

此導向架適應于海床有淤泥覆蓋層，樁基靠自重能夠插入一定深度的覆蓋層，滿足樁基樁位和垂直度的要求，對于本項目有長周期波裸巖條件，不能滿足現(xiàn)場施工要求。

另外一種常規(guī)導向架就是放置在橋面板上的，依靠自身重量保持穩(wěn)定，然后再依靠吊車配重，達到滿足沉樁的要求。

此導向架自身結構和重量都比較大，而且剛度也能承受吊車的重量，對于本項目有長周期波裸巖條件，施工可行。其施工工藝比較復雜，需要分節(jié)安裝，樁基沉設完成后，需要立即拆除，由于自身結構龐大，鋼棧橋沒有空間存放，需要轉移離現(xiàn)場，施工進度緩慢。

為了滿足施工速度快，鋼棧橋能夠有空間存放，避免施工轉運、降低工效，且能夠滿足在長周期波淺覆蓋層條件下進行鋼管樁施工的導向架，經(jīng)過研究分析，結合鋼棧橋結構形式，設計了一種滿足工期和自然施工條件的新型導向架，如圖4所示。

圖4 新型導向架示意圖Fig.4 Schematic view of new guide frame

該導向架由4根H588型鋼作為縱向主梁，懸挑結構。橫向主梁為H400型鋼，將導向架架在貝雷梁上，同時保證縱向主梁相對位置以及整體剛度。

該結構特點是型式簡單，安裝拆除方便，能抵抗外海無掩護強波對鋼管樁造成的撞擊力，能在淺覆蓋層裸露礁石地質(zhì)條件上穩(wěn)固鋼管樁，確保沖擊錘沉樁時鋼管樁垂直度，滿足現(xiàn)場施工進度和質(zhì)量安全。導向架可靈活施打6 m/9 m跨鋼管樁。采用常規(guī)型鋼，加工方便。自重18 t，整體裝配，不占用場地，安拆快捷，是鋼棧橋成功實施的關鍵。

3.3 步履式液壓頂推施工平臺的應用

常規(guī)的水上作業(yè)船舶在波作用下會出現(xiàn)強烈的縱向、橫向運動響應，無法滿足樁基定位的精度要求，而且在沉樁作業(yè)中多次發(fā)生由船體運動引起的“憋樁”事故，極大地制約了沉樁速度。為減小波對樁基施工作業(yè)的影響，本工程研發(fā)了步履式液壓頂推平臺作為鉆孔樁施工平臺，變水上樁基作業(yè)為陸上施工，提高了沉樁速度。

步履式液壓頂推鉆孔樁施工平臺主要由頂推液壓系統(tǒng)、作業(yè)鋼平臺兩部分組成，見圖5。液壓頂推系統(tǒng)由12套分別布置于鋼護筒樁頂?shù)囊簤呵Ы镯斀M成；作業(yè)鋼平臺利用鋼護筒作為支撐基礎，由多種規(guī)格型鋼組成，具有較好的剛度和強度。在保證平臺自身穩(wěn)定的同時，還可支撐150 t履帶吊及SH360履帶式旋挖鉆機同步進行施工作業(yè)。頂推過程中，千斤頂在自動化系統(tǒng)控制下精確實現(xiàn)平臺的垂向頂升及水平頂推運動，一次頂推過跨時間不大于24 h。頂推平臺主要性能參數(shù)見表1。

圖5 步履式液壓頂推鉆孔樁施工平臺Fig.5 Pile driving platform with walking hydraulic jacking

表1 頂推平臺主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of pile driving platform with hydraulic jacking

該平臺是集護筒施打、鉆孔、鋼筋籠下放和樁基澆筑于一體的多功能施工平臺，平臺消除了波對沉樁的影響，作業(yè)窗口期從允許波高Hmax＜0.5 m提高到Hmax＜4.2 m，顯著增加了施工窗口；鉆打結合的施工能力克服了不利地質(zhì)的影響，高效地將護筒施打到位；全液壓移動式導向系統(tǒng)和樁頂支撐配套裝置解決了海浪條件下護筒施工的穩(wěn)定性問題。平臺采用計算機集中控制，實現(xiàn)了自動化的平臺空間姿態(tài)調(diào)整和樁基施工，施工效率是常規(guī)工藝的2.5倍。

3.4 防波堤季風期臨時防護方案設計與研究

本項目防波堤在2018年5月30日前需具備臨時防護條件，否則因季風期的到來，整條堤都將面臨被沖毀的風險。臨時防護方案首先應保證結構能平穩(wěn)度過季風期，又需考慮后續(xù)移除工作的便利性。

根據(jù)項目進度結合海域風浪條件，利用物理模型對未成型斷面臨時防護施工技術展開研究。以5 a一遇設計波浪為基準，優(yōu)化施工順序和防護方案。經(jīng)過季風期，防波堤結構安全穩(wěn)定，季風期后臨時防護拆除方便快捷。

4 結語

在長周期波淺覆蓋層無掩護海域短期內(nèi)新建一座離岸碼頭（防波堤），傳統(tǒng)的施工方法已不再適用。項目實施過程中，首次開創(chuàng)性地將傳統(tǒng)橋梁施工“鋼棧橋”工藝嫁接離岸碼頭+離岸防波堤施工中，總體采用“雙棧橋”工藝解決船舶施工窗口期受限問題。針對長周期波、裸巖條件下鋼棧橋樁基施工研發(fā)新型裝配式導向架，充分適應海域“半日潮”的水文特點，快速進行鋼棧橋樁基施工；研發(fā)了新型步履式液壓頂推設備和工藝，具備實施護筒施打、旋挖鉆孔及混凝土澆筑等一體化功能，解決了外海長周期波水域常規(guī)船舶無法施工鉆孔灌注樁的技術難題。針對季風期強波條件下防波堤臨時防護物模試驗研究，有效保證防波堤未成型斷面跨季風期的結構穩(wěn)定，解決了防波堤跨季風期后復工慢、返工成本大的問題。

上述關鍵技術的成功應用，解決了工程的實際技術難題，降低了施工風險，確保了施工精度，達到了“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、創(chuàng)新”的工程目標，形成了一套長周期波淺覆蓋層無掩護海域離岸碼頭成套建設技術，為后續(xù)類似條件外海施工碼頭施工積累了寶貴經(jīng)驗，具有重要的借鑒意義。