深水涌浪条件下跨海桥梁大型打桩船施工关键技术*

2023-08-12刘修成

施工技术(中英文) 2023年12期

董科,骆钊,刘修成

(1.中交第二航务工程局有限公司, 湖北,武汉 430040; 2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北武汉 430040; 3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心,湖北武汉 430040; 4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,北京 100011)

0 引言

目前越来越多的工程建设在深水涌浪等海洋环境中,与内河桥梁相比,跨海大桥最大难题在于深水中长周期波条件下的水上施工作业。在中长周期波下,船舶受涌浪影响,即便是很小的波高,也会发生较大摇荡运动,从而影响作业精度和安全[1]。

在跨海大桥主体结构施工中,受深水涌浪影响最大的便是桩基施工。桩基施工一般存在垂直度和平面位置偏差的精度要求,目前尚无水深>60m的跨海大桥桩基施工案例,在水深>40m的桥梁桩基施工中,中马友谊大桥[2]与秀山大桥[3]均采用“固定式导向架”沉桩工艺,从而更好地实现沉桩精度控制。在海上风机发电领域,为规避恶劣海况影响,在越南海上风电项目朔庄风电场的浅水桩基施工中,采用了起重船舶坐底后配合固定式吊向架的沉桩工艺[4]。但在水深更深的海域,则更普遍采用大型打桩船,在福建长乐H区测风塔项目,大型打桩船已被验证在水深50m环境下可较好沉入风电桩基[5],但国内海域波浪周期一般相对较短,同时桥梁桩基精度控制要求较风电桩基更严格,在跨海大桥桩基施工中还需进一步验证打桩船方案的可靠性。

1 工程概况

巴西萨尔瓦多跨海大桥项目是拉美地区最长的跨海大桥,全长46.8km,海上段全长12.4km,引桥段11.5km,主要包含东侧(萨尔瓦多)陆域、跨海大桥、西侧(伊塔帕里卡岛)陆域三大组成部分,是中国企业迄今为止在巴西最大规模的投资项目。该项目也是世界上水深最深的桩基桥梁,主墩桩基最大水深约65m,全桥共156个墩位,引桥分为70m跨和100m跨2个跨径,70m跨径的基础为4桩高桩承台结构;100m跨径的为6桩高桩承台结构;主桥为(205+450+205)m斜拉桥结构,项目墩位及水深分布如图1所示。大桥主桥桩基为直径2.8m钻孔灌注桩,对应钢护筒内径为3.2m,壁厚22mm,最长钢护筒约93m。

图1 项目墩位分布及水深(单位:m)

大桥承受涌浪的恶劣影响,在1年实测数据中,出现的最大波高达5.22m,周期为16s。

由于工期紧、水深较深、桩数较多、桩基较长、桩重较大,项目计划采用打桩船进行沉桩,从而降低由于栈桥和起始平台带来的高昂工程成本,但打桩船抗风浪能力差,在日本《土木施工管理的实务》以及我国台湾金门大桥项目施工资料中描述打桩船作业的波高窗口条件为0.5m,同时未说明周期要求限制。但实际上允许施工作业的窗口期,受到船长、周期、精度、浪向的影响而有所不同,而非仅波高单一要素限制。

考虑到海外船舶调遣费用高,如选定打桩船后却在中长周期波浪海域下无法高效施工,将导致项目工期和成本上的较大损失,但若盲目选择超大型打桩船,也不经济,因此有必要开展深水涌浪下打桩船沉桩施工技术研究,确保船舶选型可靠经济。

同时,大桥作业面较广,在巴西萨尔瓦多跨海大桥12.4km的海上段,不同墩位的海况差异较大,且不同月份下的海域海况差异较大,因此有必要掌握跨海桥梁详细的波浪后报预报[6],确定打桩船适宜施工的月份和墩位,组织施工进度计划,提高打桩船的施工效率。

2 运动极值限定

2.1 规范限定

巴西当地规范NBR 6122—2019《Design and Construction of Foundations》规定桥梁沉桩允许偏差:垂直度偏差<1/100,平面偏位<1/10D(D为桩径)。根据JTG/T 3650—2020《公路桥涵施工技术规范》[7],护筒在竖直方向的倾斜度应≤1/100;对深水基础中的护筒,在竖直方向的倾斜度宜≤1/150。

2.2 施工工艺分析

钢护筒沉桩后,需进行钻孔灌注桩施工,海上钻孔灌注桩施工难度较大[8],设计钢护筒内径大于钻孔灌注桩外径40cm,从而减少钢护筒倾斜对钻孔灌注桩的影响,但对项目长93m的钢护筒而言,需采取额外措施保证钻进施工顺利。为保证钻孔施工过程中钻头位于孔中心,以便钻具顺利提升,避免过程中刮钢护筒内壁,对于深度>50m的钢护筒,可约每20m增设扶正器,以调整钻具中心位置,意味着可通过施工措施手段,保证项目深水钻孔灌注桩施工满足初步设计精度要求。

2.3 船舶运动极值限定

考虑到设备选型初期,考虑测量误差等影响,选取1/200的倾斜度作为船舶运动响应的标准。在水平位置,考虑20cm的误差作为标准要求。对于1/200的钢护筒倾斜度标准,即要求船舶摇摆运动<1/200即0.28°,考虑到船舶存在纵横摇运动,单个方向的运动极值限定为0.25°进行分析。

2.4 类似项目运动极值现场验证

为确保船舶运动精度标准的可靠性,通过现场实测进行判断。在国内某风电项目的打桩船上安装了船舶六自由度传感器(包括随船长x轴、船宽y轴、型深z轴方向转动的横摇、纵摇和艏摇、以及沿x,y,z轴平动的横荡、纵荡和垂荡),记录船舶沉桩过程中的运动姿态,其中由于横摇、纵摇运动周期最短,对施工作业影响最大。实测某102m船长打桩船在要求1%垂直度偏差时,记录可沉桩的纵横摇幅值分别为0.30°,0.11°,具体如表1所示。

表1 实测某102m船长打桩船沉桩及纵横摇值

船舶纵横摇运动通常很难降低,但纵荡和横荡等漂移运动通常可通过锚系进行限制;现场实测在系泊系统作用下,该船纵荡值在20cm范围内,小于沉桩平面误差范围,可满足要求,具体实测值如图2所示。

图2 实测某102m船长打桩船沉桩纵荡值

3 船舶运动响应分析

3.1 船舶参数

考虑对3艘大型打桩船进行分析,其水线间长分别为80,90,102m,具体的船型参数如表2所示。

3.2 船舶运动响应数值模拟

采用DNV船级社研制的SESAM/HydroD软件进行势流理论分析[9],创建船长80m的海力801模型如图3所示。

图3 海力801打桩船建模

考虑不规则波下船舶的运动响应及黏性阻尼系统对纵横摇的影响,计算分析可得海力801在单位波高下的纵横摇幅值,具体如图4所示,其中浪向角为0°的角度,指的船舶首尾方向,与波浪传播方向相同。

图4 单位三一波高下海力801运动幅值

3.3 不同周期下船舶施工窗口期

考虑到船舶横摇大于纵摇,应考虑在首尾方向入射角0～15°范围进行布置,从而减小船舶横摇值。选取15°作为浪向角,考虑0.25°的允许极值,可得出保证施工精度范围内不同周期下的允许波高。采用相同的计算方法,可得出3艘打桩船在不同周期下的允许波高,具体如表3所示。

表3 不同打桩船的允许施工窗口期

4 波浪后报及作业频率分析

4.1 波浪后报模型验证

巴西萨尔瓦多跨海大桥跨海段长度约12.4km,各墩位间海况差异较大;同时,项目仅有历史1年的波浪实测数据,但各年波浪数据间可能存在差异,1年数据不具有代表性,且该实测数据距主墩仍有约4km,难以代表各墩位各年海况。因此,有必要结合项目墩位分布和地形特征,参照初步设计图纸,模拟12个典型墩位的5年波浪后报,墩位布置如图5所示。

图5 波浪后报的典型墩位分布

将实测波浪数据与项目后报相同点位处的数据进行比较,在三一波高上,后报数据与实测数据月平均值相同,均为0.66m;在三一周期上,后报数据模拟值更大,整体模拟结果较可靠,具体如表4所示。

表4 波浪后报与实测点的对比验证

4.2 多年异墩波浪趋势分析

跨海桥梁不同墩位处的波浪条件差异较大,受浪向传播及岸线影响,85号墩位向东侧受到岛屿的局部掩护作用,波浪条件整体较好。同时,不同年份的波浪存在一定差异,如2017年于54号的三一波高年平均值为0.56m,而2018年同墩位的三一波高年平均值为0.47m,具体如图6所示。在图7中,可发现项目各墩位的周期变化,尽管32号与61号墩位波高类似,但32号墩位的周期却小于61号墩位的周期。

图6 不同墩位三一波高年平均值变化曲线

图7 不同墩位三一周期年平均值变化曲线

4.3 不同船舶主墩逐月窗口频率分析

考虑主墩水深最深,且桩位较多,共70根桩基,并在项目关键路线上,是分析的首要工况。结合船舶施工周期下允许的三一波高,考虑4h连续作业为1个窗口期,在项目水深最深的主墩处,80m船长的海力801作业窗口频率如图8所示,其年平均频率在54.9%,在4—9月的季风期,可作业频率仅约30%,在12月至次年2月为黄金窗口期,可作业频率在80%以上,如采用海力801打桩船,需抓住这3个月进行施工。

由图8可看出,对于某102m船长的打桩船,采用同样的方法分析,年平均可作业频率达88.7%,即便在季风期也具有良好的施工频率。某90m船长的打桩船,年平均可作业频率则为71%。

采用船长及时间为变量,可更清晰地看出,在巴西萨尔瓦多跨海大桥项目主墩处,船舶施工保证率随着船长和季节的变化较明显。并可得出某102m船长的打桩船的优势在2,3季度更明显,如果项目沉桩施工仅为1,4季度,则可考虑80m船长的海力801打桩船,而如果施工时间在2,3季度,则需考虑船长更长的102m打桩船,具体如图9所示。