深水涌浪條件下跨海橋梁大型打樁船施工關(guān)鍵技術(shù)*

董 科,駱 釗,劉修成

(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)重點實驗室,湖北 武漢 430040; 3.交通運輸行業(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; 4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司,北京 100011)

0 引言

目前越來越多的工程建設(shè)在深水涌浪等海洋環(huán)境中,與內(nèi)河橋梁相比,跨海大橋最大難題在于深水中長周期波條件下的水上施工作業(yè)。在中長周期波下,船舶受涌浪影響,即便是很小的波高,也會發(fā)生較大搖蕩運動,從而影響作業(yè)精度和安全[1]。

在跨海大橋主體結(jié)構(gòu)施工中,受深水涌浪影響最大的便是樁基施工。樁基施工一般存在垂直度和平面位置偏差的精度要求,目前尚無水深>60m的跨海大橋樁基施工案例,在水深>40m的橋梁樁基施工中,中馬友誼大橋[2]與秀山大橋[3]均采用“固定式導(dǎo)向架”沉樁工藝,從而更好地實現(xiàn)沉樁精度控制。在海上風(fēng)機發(fā)電領(lǐng)域,為規(guī)避惡劣海況影響,在越南海上風(fēng)電項目朔莊風(fēng)電場的淺水樁基施工中,采用了起重船舶坐底后配合固定式吊向架的沉樁工藝[4]。但在水深更深的海域,則更普遍采用大型打樁船,在福建長樂H區(qū)測風(fēng)塔項目,大型打樁船已被驗證在水深50m環(huán)境下可較好沉入風(fēng)電樁基[5],但國內(nèi)海域波浪周期一般相對較短,同時橋梁樁基精度控制要求較風(fēng)電樁基更嚴(yán)格,在跨海大橋樁基施工中還需進一步驗證打樁船方案的可靠性。

1 工程概況

巴西薩爾瓦多跨海大橋項目是拉美地區(qū)最長的跨海大橋,全長46.8km,海上段全長12.4km,引橋段11.5km,主要包含東側(cè)(薩爾瓦多)陸域、跨海大橋、西側(cè)(伊塔帕里卡島)陸域三大組成部分,是中國企業(yè)迄今為止在巴西最大規(guī)模的投資項目。該項目也是世界上水深最深的樁基橋梁,主墩樁基最大水深約65m,全橋共156個墩位,引橋分為70m跨和100m跨2個跨徑,70m跨徑的基礎(chǔ)為4樁高樁承臺結(jié)構(gòu);100m跨徑的為6樁高樁承臺結(jié)構(gòu);主橋為(205+450+205)m斜拉橋結(jié)構(gòu),項目墩位及水深分布如圖1所示。大橋主橋樁基為直徑2.8m鉆孔灌注樁,對應(yīng)鋼護筒內(nèi)徑為3.2m,壁厚22mm,最長鋼護筒約93m。

圖1 項目墩位分布及水深(單位:m)

大橋承受涌浪的惡劣影響,在1年實測數(shù)據(jù)中,出現(xiàn)的最大波高達5.22m,周期為16s。

由于工期緊、水深較深、樁數(shù)較多、樁基較長、樁重較大,項目計劃采用打樁船進行沉樁,從而降低由于棧橋和起始平臺帶來的高昂工程成本,但打樁船抗風(fēng)浪能力差,在日本《土木施工管理的實務(wù)》以及我國臺灣金門大橋項目施工資料中描述打樁船作業(yè)的波高窗口條件為0.5m,同時未說明周期要求限制。但實際上允許施工作業(yè)的窗口期,受到船長、周期、精度、浪向的影響而有所不同,而非僅波高單一要素限制。

考慮到海外船舶調(diào)遣費用高,如選定打樁船后卻在中長周期波浪海域下無法高效施工,將導(dǎo)致項目工期和成本上的較大損失,但若盲目選擇超大型打樁船,也不經(jīng)濟,因此有必要開展深水涌浪下打樁船沉樁施工技術(shù)研究,確保船舶選型可靠經(jīng)濟。

同時,大橋作業(yè)面較廣,在巴西薩爾瓦多跨海大橋12.4km的海上段,不同墩位的海況差異較大,且不同月份下的海域海況差異較大,因此有必要掌握跨海橋梁詳細(xì)的波浪后報預(yù)報[6],確定打樁船適宜施工的月份和墩位,組織施工進度計劃,提高打樁船的施工效率。

2 運動極值限定

2.1 規(guī)范限定

巴西當(dāng)?shù)匾?guī)范NBR 6122—2019《Design and Construction of Foundations》規(guī)定橋梁沉樁允許偏差:垂直度偏差<1/100,平面偏位<1/10D(D為樁徑)。根據(jù)JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》[7],護筒在豎直方向的傾斜度應(yīng)≤1/100;對深水基礎(chǔ)中的護筒,在豎直方向的傾斜度宜≤1/150。

2.2 施工工藝分析

鋼護筒沉樁后,需進行鉆孔灌注樁施工,海上鉆孔灌注樁施工難度較大[8],設(shè)計鋼護筒內(nèi)徑大于鉆孔灌注樁外徑40cm,從而減少鋼護筒傾斜對鉆孔灌注樁的影響,但對項目長93m的鋼護筒而言,需采取額外措施保證鉆進施工順利。為保證鉆孔施工過程中鉆頭位于孔中心,以便鉆具順利提升,避免過程中刮鋼護筒內(nèi)壁,對于深度>50m的鋼護筒,可約每20m增設(shè)扶正器,以調(diào)整鉆具中心位置,意味著可通過施工措施手段,保證項目深水鉆孔灌注樁施工滿足初步設(shè)計精度要求。

2.3 船舶運動極值限定

考慮到設(shè)備選型初期,考慮測量誤差等影響,選取1/200的傾斜度作為船舶運動響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在水平位置,考慮20cm的誤差作為標(biāo)準(zhǔn)要求。對于1/200的鋼護筒傾斜度標(biāo)準(zhǔn),即要求船舶搖擺運動<1/200即0.28°,考慮到船舶存在縱橫搖運動,單個方向的運動極值限定為0.25°進行分析。

2.4 類似項目運動極值現(xiàn)場驗證

為確保船舶運動精度標(biāo)準(zhǔn)的可靠性,通過現(xiàn)場實測進行判斷。在國內(nèi)某風(fēng)電項目的打樁船上安裝了船舶六自由度傳感器(包括隨船長x軸、船寬y軸、型深z軸方向轉(zhuǎn)動的橫搖、縱搖和艏搖、以及沿x,y,z軸平動的橫蕩、縱蕩和垂蕩),記錄船舶沉樁過程中的運動姿態(tài),其中由于橫搖、縱搖運動周期最短,對施工作業(yè)影響最大。實測某102m船長打樁船在要求1%垂直度偏差時,記錄可沉樁的縱橫搖幅值分別為0.30°,0.11°,具體如表1所示。

表1 實測某102m船長打樁船沉樁及縱橫搖值

船舶縱橫搖運動通常很難降低,但縱蕩和橫蕩等漂移運動通常可通過錨系進行限制;現(xiàn)場實測在系泊系統(tǒng)作用下,該船縱蕩值在20cm范圍內(nèi),小于沉樁平面誤差范圍,可滿足要求,具體實測值如圖2所示。

圖2 實測某102m船長打樁船沉樁縱蕩值

3 船舶運動響應(yīng)分析

3.1 船舶參數(shù)

考慮對3艘大型打樁船進行分析,其水線間長分別為80,90,102m,具體的船型參數(shù)如表2所示。

3.2 船舶運動響應(yīng)數(shù)值模擬

采用DNV船級社研制的SESAM/HydroD軟件進行勢流理論分析[9],創(chuàng)建船長80m的海力801模型如圖3所示。

圖3 海力801打樁船建模

考慮不規(guī)則波下船舶的運動響應(yīng)及黏性阻尼系統(tǒng)對縱橫搖的影響,計算分析可得海力801在單位波高下的縱橫搖幅值,具體如圖4所示,其中浪向角為0°的角度,指的船舶首尾方向,與波浪傳播方向相同。

圖4 單位三一波高下海力801運動幅值

3.3 不同周期下船舶施工窗口期

考慮到船舶橫搖大于縱搖,應(yīng)考慮在首尾方向入射角0～15°范圍進行布置,從而減小船舶橫搖值。選取15°作為浪向角,考慮0.25°的允許極值,可得出保證施工精度范圍內(nèi)不同周期下的允許波高。采用相同的計算方法,可得出3艘打樁船在不同周期下的允許波高,具體如表3所示。

表3 不同打樁船的允許施工窗口期

4 波浪后報及作業(yè)頻率分析

4.1 波浪后報模型驗證

巴西薩爾瓦多跨海大橋跨海段長度約12.4km,各墩位間海況差異較大;同時,項目僅有歷史1年的波浪實測數(shù)據(jù),但各年波浪數(shù)據(jù)間可能存在差異,1年數(shù)據(jù)不具有代表性,且該實測數(shù)據(jù)距主墩仍有約4km,難以代表各墩位各年海況。因此,有必要結(jié)合項目墩位分布和地形特征,參照初步設(shè)計圖紙,模擬12個典型墩位的5年波浪后報,墩位布置如圖5所示。

圖5 波浪后報的典型墩位分布

將實測波浪數(shù)據(jù)與項目后報相同點位處的數(shù)據(jù)進行比較,在三一波高上,后報數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)月平均值相同,均為0.66m;在三一周期上,后報數(shù)據(jù)模擬值更大,整體模擬結(jié)果較可靠,具體如表4所示。

表4 波浪后報與實測點的對比驗證

4.2 多年異墩波浪趨勢分析

跨海橋梁不同墩位處的波浪條件差異較大,受浪向傳播及岸線影響,85號墩位向東側(cè)受到島嶼的局部掩護作用,波浪條件整體較好。同時,不同年份的波浪存在一定差異,如2017年于54號的三一波高年平均值為0.56m,而2018年同墩位的三一波高年平均值為0.47m,具體如圖6所示。在圖7中,可發(fā)現(xiàn)項目各墩位的周期變化,盡管32號與61號墩位波高類似,但32號墩位的周期卻小于61號墩位的周期。

圖6 不同墩位三一波高年平均值變化曲線

圖7 不同墩位三一周期年平均值變化曲線

4.3 不同船舶主墩逐月窗口頻率分析

考慮主墩水深最深,且樁位較多,共70根樁基,并在項目關(guān)鍵路線上,是分析的首要工況。結(jié)合船舶施工周期下允許的三一波高,考慮4h連續(xù)作業(yè)為1個窗口期,在項目水深最深的主墩處,80m船長的海力801作業(yè)窗口頻率如圖8所示,其年平均頻率在54.9%,在4—9月的季風(fēng)期,可作業(yè)頻率僅約30%,在12月至次年2月為黃金窗口期,可作業(yè)頻率在80%以上,如采用海力801打樁船,需抓住這3個月進行施工。

由圖8可看出,對于某102m船長的打樁船,采用同樣的方法分析,年平均可作業(yè)頻率達88.7%,即便在季風(fēng)期也具有良好的施工頻率。某90m船長的打樁船,年平均可作業(yè)頻率則為71%。

采用船長及時間為變量,可更清晰地看出,在巴西薩爾瓦多跨海大橋項目主墩處,船舶施工保證率隨著船長和季節(jié)的變化較明顯。并可得出某102m船長的打樁船的優(yōu)勢在2,3季度更明顯,如果項目沉樁施工僅為1,4季度,則可考慮80m船長的海力801打樁船,而如果施工時間在2,3季度,則需考慮船長更長的102m打樁船,具體如圖9所示。

圖9 不同船長在不同季節(jié)下的窗口期頻率

4.4 不同船舶逐墩窗口頻率分析

分析3艘船舶逐墩的作業(yè)窗口頻率,具體如圖10所示,海力801打樁船雖然在54號墩位的主墩處可施工頻率較低,但在80～140號墩位及30號墩位附近的施工頻率較高,實際施工時,可合理調(diào)度船舶,進行資源的合理化利用,具體如圖10所示。

圖10 3艘船在不同墩位的窗口期頻率

5 結(jié)語

開展深水涌浪條件下跨海橋梁大型打樁船選型研究,并以巴西薩爾瓦多跨海大橋海況特點為實例,確保了項目打樁船選型和船舶調(diào)度的可靠性與高效性,得出以下結(jié)論。

1)通過規(guī)范調(diào)研、鉆孔灌注樁工藝分析、打樁船縱橫搖數(shù)據(jù)實測,確定了深水條件下大型打樁船的運動縱橫搖幅值為0.25°。

2)基于Sesam勢流分析軟件模擬船舶運動響應(yīng),確定了80,90,102m水線間長的3艘打樁船在不同周期下的允許作業(yè)波高窗口期。

3)開展巴西薩爾瓦多跨海大橋施工海域波浪后報數(shù)值模擬,取得了歷史5年逐墩逐月的波浪數(shù)據(jù),確定了不同船舶的施工窗口頻率,通過施工窗口頻率比較,輔助決策了大型打樁船選型,并為現(xiàn)場船舶調(diào)度提供了依據(jù)。