平台船在水上钻孔灌注桩施工中的应用
2021-01-19张雅琦中国电建集团港航建设有限公司
张雅琦 中国电建集团港航建设有限公司
1.引言
水上灌注桩施工平台，作用是辅助护筒沉放、钻孔及灌注等作业。传统的搭设工艺，可由已沉放钢护筒为基础进行搭设，或由辅助桩为基础进行搭设，或在工程桩区附近架设连续钢栈桥作为平台。
上述工法适用性不同，并在风浪、水深、工期、成本和施工便易等方面存在不同程度的限制，自升式平台船则可在一定条件下解决传统工法的诸多限制问题。
本文运用案例法及比较法，结合案例项目施工条件及技术要求，对无辅助桩式钢平台（由已沉钢护筒或灌注桩为基础）、辅助桩基础式钢平台、连续钢栈桥、自升式平台船几种工法进行对比分析，为案例项目中的引桥及码头分别选择合适的施工平台工法。
本文尝试通过对几种水上施工平台工法的原理、优缺点及适用性进行梳理，并引入自升式平台船作为优化解决方案，希望借此为今后同类项目提供借鉴。
2.工程概况
巴基斯坦某燃煤电站项目码头及航道工程，地处三角洲，紧邻沿海滩涂。
由于受到河口岛屿及三角洲地区浅滩和沙洲的掩护，施工作业基本不受波浪、海流及季风影响。涨落潮流速较急，需考虑潮汐影响，码头区最大流速为1.5～1.8m/s。桩基施工区地质较硬，为强风化砾岩和中风化砂岩。
其中桩基施工工期8个月，包括引桥和码头两部分，结构为高桩梁板式，桩基为灌注桩。引桥长约27m、宽约12m，灌注桩φ1300/1200mm，排距8.5m，每榀排架3根桩，共15根；码头长280m、宽23m，灌注桩φ1300/1200mm，排距8m，每榀排架4根桩，共212根。
护筒设计长度根据地质情况不同而异，保证钢护筒打入强风化岩层不少于3米。护筒中心与桩位偏差不得大于100mm，护筒斜度偏差不大于1%。
钻孔孔深为25m～37m，其中引桥桩基入岩深度15.6m，码头桩基入岩平均深度17.1m。
图1 工法选择初步判定
引桥水深+5m至-6m，其中靠岸侧一排桩可常规陆上施工，靠海侧四排桩需考虑施工平台；码头前沿设计水深-15.5m，全部需考虑施工平台。
3.工法对比及决策过程
3.1 工法选择的初步判定
先根据本项目护筒长度稳定性校核和桩基跨距进行方案适用性的初选。按图1的判定路径，经稳定性校核，本项目护筒无法单独提供稳定支撑；跨距8～8.5m，属适中范围，无跨距限制。因此，选择施工平台形式时，主要比选图1中的方式②～⑤。
3.2 船机选型及设计荷载
护筒沉放工艺分打桩船和履带吊配液压锤两种。前者选型为桩架57m打桩船，其调遣及运行费用较高；且护筒精度受制于船身测量系统，一旦偏位不利于保证灌注桩垂直度。后者选型为SCC1500C履带吊和CG300液压振动锤，可避免高昂半潜驳调遣费；且配备导向架，可有效控制护筒精度。
钻孔根据类似地质工程经验选型，采用XR220D型旋挖钻。
水上施工平台主要设计荷载如表1。
经校核，自有平台船长36m、宽22m，最大承重550t，可变动负荷520t（自行升降的最大负荷）。拼装完成后，平台船空间可满足上述机械及装置同时作业需求。
3.3 传统搭设工法
3.3.1 无辅助桩式钢平台
利用护筒结合灌注桩为基础。待已灌注桩达一定强度后，在钢护筒上焊接牛腿，上部架设可移动钢平台。借此平台施打下一排钢护筒、钻孔及灌注，并重复上述工序。施工可合理分段，每段完成后，将平台整体起吊、运移并安装至下一施工段。
优点是成本低，无辅助桩可大幅节约钢材；工序简单，无需反复插拔辅助桩。
缺点是复杂海况下搭设困难；无法流水作业，需待前排桩砼达一定强度再施工下排。
适用于海况较好、工期充足的工程。
3.3.2 辅助桩基础式钢平台
利用在工程桩周围施打的辅助桩为基础，上部架设可移动钢平台。陆上进栈时，平台形成后安装导向架再施打钢护筒；采用打桩船时，先施打护筒再架设平台。全部灌注桩施工完成后，拆除平台并拔除辅助桩。分段施工时，待本段灌注桩完成且不影响上部结构施工时，再拆拔并安装平台至下施工段。
表1 施工平台主要设计荷载
优点是可实现流水作业，无需等待混凝土龄期。
缺点是复杂海况下平台搭设困难；受水深影响，愈深越增大施工难度和辅助桩桩长；辅助桩拔除费时，且长期接触土层后受粘结力影响存在难拔出或断桩风险；满铺模式辅助桩量大成本高，分段模式利于成本摊销但多次插拔将增加施工难度。
适用于海况较好、水深较浅、工期紧张、拔桩较易的工程。
3.3.3 钢栈桥式平台
利用在工程桩附近架设连续钢栈桥为作业平台。具体是施打临时钢管桩，其上架设贝雷架以成栈桥，桥上设导向架、钻机，再沉放护筒、钻孔及灌注，全部完成后拆除钢栈桥。由于工程桩处未建立可形成通道的平台结构，故此法多用连续式结构，不考虑分段摊销模式。
优点是装配式结构，整体稳定性好；平台成型迅速，可实现流水作业。
缺点则与辅助桩基础式类似，存在受风浪和水深影响工效、成本及可操作性的问题，以及临时钢管桩拔除问题；对境外项目而言，贝雷架需考虑跨境订购时间及运输方式等问题。
适用于海况较好、具备陆上进栈条件、工期紧张、拔桩较易的工程。
3.4 自升式平台船工法
自成平台，并通过液压升降系统控制船舶桩腿进行垂直运动，达到升船目的。施工中先进行平台船初定位，此时船处悬浮态，再进行精定位，后落腿升船；定位导向架，可采用履带吊配液压锤施打钢护筒，再进行钻孔及灌注作业。之后平台船移位，进行下段施工。
优点是精度可靠，可由导向架控制精度；解决了传统工法风浪大不宜施工、深水工况可操作性低及成本增加的难题；省去传统工法中的搭设时间及钢材消耗；不受是否具备陆上进栈条件限制；平台船尺寸合适时，可同时满足沉护筒与钻孔机械的荷载，实现排内流水作业、排间快速移船的高效作业模式；可结合施工需要变动平台船顶高程，具备全潮位施工能力。
缺点是工作区水深仍应满足船舶吃水要求；虽对风浪适应性较传统搭设工艺强，但仍应遵守船舶规格书中的设计环境参数。
对风浪适用性较强，适合能满足船舶吃水且环境参数满足船舶技术规范的水域。
3.5 最终决策
本项目分别运用上述工法进行了耗材、施工机械、工期方面的比选，结果如表2和表3。
由表2可知，案3与案2成本及施工进度相近，但考虑境外项目贝雷架订购周期较长、运输成本较高，故排除案3。案1较案2成本优势并不显著，工期劣势明显，考虑到项目急于形成引桥以作为砼浇筑的泵送通道，故选择案2为引桥施工平台方案。
表2 完成引桥桩的平台耗材及工期
表3 完成码头桩的平台耗材及工期
由表3可知，满铺模式较循坏模式（无辅助桩式以5排为初始平台，辅助桩式以12排为初始平台，渐次循环）在钢材耗量和工期上均不占优，故排除4个满铺方案。4个无辅助桩式钢平台方案，工期均超过要求的8个月，故亦排除。
剩余4个方案，i)工期相差不大，ii)精度上使用导向架的3个方案更占优势，iii)成本上平台船方案优势明显，iv)施工便易性方面，平台船更具优势，具体表现为受风浪流限制小、有效作业时间更多，无反复插拔辅助桩的复杂工序、工艺简单。
4.结语
自升式平台船，作为灌注桩平台的一种新型工艺，在适用性、工期控制、成本优化及施工便易性上，相较传统搭设平台的方式具有诸多优势，在水上灌注桩施工方面具体显著的推广及应用价值。同时，本文对各类灌注桩平台工艺的原理、适用性、优缺点的分析及对比，也可为今后同类工程相关方案比选提供参考借鉴。
