港珠澳大桥预制墩台整体安装方案及经济分析

张永财

（港珠澳大桥管理局，广东 珠海 519060）

0 引言

外海条件下桥梁建设环境和施工条件恶劣，年施工时间短，常规施工方案往往不能保证工程的安全、质量以及工期，桥梁下部结构尤其是水下基础（承台）以及墩身水中部分施工难度极大，常作为设计和施工阶段需要重点研究的问题[1]。为实现阻水率不超过10%，保证珠江口排洪纳潮及航道顺畅的要求，港珠澳大桥非通航孔桥的承台需埋设在海床面以下，同时为满足项目“大型化、工厂化、标准化、装配化”的四化建设理念，桥梁承台和墩身采用工厂预制、现场整体吊装成型工艺。国外在加拿大诺森伯兰海峡大桥、丹麦大贝尔特东桥等都有过成功的预制吊装墩台施工经验，国内仅有承台原位预制、吊架下放安装的施工方法[2]，港珠澳大桥在国内首次采用了墩台工厂预制、现场整体安装施工技术并取得成功。以往对跨海桥梁预制墩台安装研究以施工技术分析为主，关于经济性讨论较少，对其经济技术指标研究不够，分析了解各方案的造价情况，有助于为后续类似项目提供指导借鉴。

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，大桥总长约55 km，包括海中桥隧主体工程、三地口岸、三地连接线。主体工程桥梁长22.9 km，包括3座通航孔桥（九洲航道桥、江海航道桥、青州航道桥）及浅、深水区非通航孔桥[2-4]，其中非通航孔桥共有185座承台，全部采用埋置式，承台顶面与海床面基本保持一致，承台和墩身设计全部采用预制安装结构，墩台整体吊装分为承台加整节墩身（图1）、承台加下节墩身吊装两种类型，墩台重2 019~3 380 t，高18.5~26.95 m。

图1 非通航孔桥墩台立面示意图Fig.1 Schematic diagram of non-navigable hole bridge pier

桥梁土建工程3个标段非通航孔桥墩台安装施工采用3种方案，由浅水区至深水区依次采用无内撑结构双壁锁口钢套箱围堰、分离式胶囊柔性止水、大圆筒干法安装方案。

2 3种墩台安装方案

2.1 无内撑结构双壁锁口钢套箱围堰方案

浅水区CB05标非通航孔桥墩台采用无内撑结构双壁锁口钢套箱围堰安装方案。该方案将场内加工的围堰单元块预拼合格后再分块拆分，通过运输船运至桥位现场安装（图2）。方案总体施工工序为：桩基施工完成后进行基坑开挖，在桩基位置进行钢围堰分块拼装，然后利用小天鹅号船舶将拼装好的围堰整体吊运至既定墩位，沿设置在钢管复合桩上的双层导向架将围堰进行整体下沉；围堰下沉到位后，浇筑水下封底混凝土；在围堰封底混凝土的强度满足要求后进行围堰内抽水挖泥、围堰内清基（割除多余钢护筒、破除桩头）、安放千斤顶和钢立柱，为墩台安装提供干施工条件和其他准备工作；利用浮吊开始进行预制墩台整体安装，再通过三向千斤顶精调至设计位置；施工承台预留孔后浇混凝土，完成承台和桩基的连接；预留孔后浇混凝土达到龄期后，通过海中涨落潮改变产生的围堰内外水头差破坏钢围堰与封底混凝土间的黏结力[5]，再利用浮吊整体拆除钢围堰运至下一墩位处周转使用。

图2 钢套箱围堰拼装施工Fig.2 Steel box cofferdam assembling construction

2.2 分离式胶囊柔性止水方案

深水区CB04标非通航孔桥墩台安装采用分离式胶囊柔性止水方案。该方案技术关键在于控制分离式止水胶囊的止水效果。方案总体施工工序为：钢管复合桩施工完成后，进行基坑开挖施工，将“环形托盘+内侧止水胶囊+顶面GINA止水带”下放至承台底面以下预定标高，此时托盘顶面距离承台底10 cm，接着利用海升号大型浮吊将预制墩台（承台面止水钢套箱围堰已提前安装在预制承台上）整体吊装（图3），墩台精调到位后，利用分离式止水胶囊（张拉钢绞线，使GINA止水带压缩，实现环形托盘与承台底之间的水平止水；向胶囊中充气，胶囊膨胀，实现环形托盘与钢管复合桩之间的竖向止水）进行钢管复合桩与承台之间的止水；进行围堰内抽水；施工承台预留孔后浇混凝土，预留孔后浇混凝土达到养护龄期以后，采用浮吊拆除围堰运至下一墩位处周转使用。

2.3 大圆筒干法安装方案

图3 墩台整体吊装Fig.3 Overall lifting of the pier

深水区CB03标非通航孔桥墩台安装采用大圆筒干法安装方案。该方案为利用八锤联动液压振动锤组（与东西人工岛成岛围堰工程同一设备）振沉大圆筒围堰至海床不透水层，其中大圆筒实现海上挡水，海床不透水层实现底下止水，从而为墩台安装提供干施工环境。方案总体施工工序为：桩基施工完成后，首先采用八锤联动液压振动锤组在桩基位置振沉大圆筒钢围堰至不透水层；振沉完毕后，加固大圆筒钢围堰；进行大圆筒内挖泥抽水，形成墩台安装的干施工环境；接着进行墩台整体安装（图4）和预留孔后浇混凝土施工；墩台安装施工完成后，整体拔出钢圆筒围堰运至下一墩位处周转使用。

图4 墩台整体安装Fig.4 Overall installation of the pier

3 3种安装方案对比分析

3.1 优劣性对比

通过对3种方案实施情况的跟踪研究，分析得出各方案的主要优劣性如表1所示。

表1 3种方案优劣性比较Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of the three schemes

3.2 工效对比

3种施工方案均应用了新材料、新技术及最先进的机械设备，经过对各方案进行前期的工艺摸索、熟练操作后，各方案的工效基本稳定。以大圆筒干法安装方案为例，对工效进行统计分析，最终对3种方案的平均施工周期进行比较。

3.2.1 安装循环周期

统计的大圆筒干法安装方案单循环周期如表2所示。

表2 墩台安装单循环周期表Table 2 Pier installation single cycle periodic table

3.2.2 3种方案平均施工周期比较

通过对3种实施方案的围堰实际投入数量、施工周期进行统计，对比情况如表3所示。

表3 3种施工方案平均施工周期比较Table 3 Comparison of average construction period of three construction schemes

3.3 造价对比分析

以大圆筒干法安装方案为例，分别对主要投入人员、材料、机械设备进行统计。

3.3.1 资源配置

1）施工人员配置

项目建设过程中对人员投入情况进行收集统计，统计情况如表4所示。

表4 主要工序施工人员配置Table 4 Main process construction personnel configuration

2）主要材料消耗

大圆筒围堰主要材料消耗如表5所示。

表5 主要材料消耗Table 5 Main material consumption

3）主要机械设备配置

3种方案实施过程中均投入了大量的机械设备，其中大圆筒干法方案现场实际投入的主要设备如表6所示。

表6 主要机械设备配置Table 6 Main mechanical equipment configuration

3.3.2 造价计算方法

将收集的3种墩台安装方案的人工、材料、设备资源投入作为基础数据，会同其他工艺数据纳入外海施工定额专题研究，依据相关定额编制原则，编制了《广东省沿海桥梁工程预算补充定额（试行）》。根据设计文件中的参数和工程量，采用预算补充定额和船舶艘班费用补充定额计算出钢围堰安拆、墩台吊装的费用[6-8]（其中大圆筒干法方案未考虑项目桥梁标与岛隧标综合利用的摊销费用），汇总得出每种方案的总造价和3种墩台安装方案的人工、材料、机械费用。

3.3.3 3种方案造价对比

1）建安费指标对比

通过上述方法计算出3种施工方案的建筑安装工程费指标，汇总如表7所示。

表7 3种方案建安费对比Table 7 Construction and installation engineering fee of three schemes

2）工料机费用对比

3种方案的工料机费用及各费用所占比率情况如表8所示。

表8 3种方案工料机费用比较Table 8 Cost comparison of the labour,materials and machines in the three schemes

3.4 对比分析结论

通过对3种方案的工效、造价进行对比分析，得出以下结论：

1）根据3种方案各自的施工周期、投入围堰数量、工程量情况，3种施工方案均能在预定时间内完成墩台安装施工任务，但分离式胶囊柔性止水、大圆筒干法安装方案施工周期优于无内撑结构双壁锁口钢套箱围堰方案。

2）3种方案的机械使用费比率分别占各方案工料机总费用的69%、75%、73%，可见决定工程造价的主要是设备投入。

3）大圆筒干法安装方案虽然风险性较小，工效高，但造价也相对较高，适于具有大型浮吊和大功率液压振动锤组设备的承包人采用。

4）分离式胶囊柔性止水方案对技术要求高，但造价较低，适于技术实力强而又没有大型打拔设备的承包人采用。

5）无内撑结构双壁锁口钢套箱围堰方案风险性小，对设备和技术要求均不高，造价适中，但对工期要求紧的项目需要加大投入围堰数量。

4 结语

港珠澳大桥非通航孔桥墩台采用了工厂预制、现场整体安装工艺，3个标段根据自身实际情况分别采用了不同的墩台安装方案，保证了工程进度和质量。随着我国建桥能力的发展和对工程质量、环保要求的不断提高，墩台整体安装技术也必将在后续跨海桥梁基础施工中得到推广应用。选择施工方案时应充分考虑自有设备资源配置、技术实力、施工经验等因素选择适合的施工方案，在满足工程质量、进度的前提下，最大限度地控制工程成本。