在海峡、海湾和近海岛屿间修建桥梁工程, 深水群桩基础由于其良好的适应性和较高的承载力而被广泛采用, 是我国桥梁基础最常用的结构形式。在远离岸边的深水中打桩, 一般采用打桩船打桩, 或利用吊船配合导向架打桩, 如在象山港公路大桥施工中, 采用全旋转打桩船“海力801”进行钢管桩沉桩施工^[1]。但在流急浪大等恶劣海况下, 打桩船、吊船、浮式平台等本身会有较大运动响应^[2], 沉桩会存在偏位和倾斜度过大、施工安全风险大等问题。对于某些裸岩海床的海域, 沉桩便变得更为困难。红水河特大桥裸岩桩基施工时, 利用静力爆破配合液压锤凿除基岩, 采用钢围堰及钢平台形成作业面进行桩基施工^[3], 作业工序多, 施工成本大。

自升式平台可利用液压自升降系统将作业平台升离水面, 因此进行沉桩作业时, 受急流和风浪影响小。日本濑户大桥建设过程中, 利用自升式平台进行钻孔磨岩施工, 克服台风频发、裸岩地质等不利因素^[4]。毛塔新矿石码头工程桩基施工中, 将自升式平台船运用于外海无遮掩海域高精度大直径嵌岩桩的沉桩作业^[5]。然而, 国内却少有使用自升式平台进行桥梁桩基施工的工程案例。

秀山大桥位于浙江舟山岱山县高亭镇官山岛与秀山岛之间的海峡区域, 海峡内风大、水深、流急、岩面裸露陡峭。其中, 副通航孔桥10号墩承台下设10根桩基, 4根角桩桩径2.6m, 其余6根桩基桩径2.5m, 按端承桩设计, 采用C35水下混凝土。桩基均需穿过强风化和极破碎中风化岩层, 桩端进入中风化岩层8m, 且进入持力层≥3m。

10号桥墩处基本无覆盖层 (0～0.5m) , 局部岩面倾斜度>30°, 钢护筒的埋深、稳固难度大, 钻孔过程漏浆风险大;墩位处最大水深达30m以上, 设计流速3.56m/s, 峡道效应明显, 再加上台风、大风和涌浪影响, 海上施工作业窗口少, 施工组织难度大。因此, 常规的打桩船、起重船等工程船舶难以适应深水、急流、裸露陡岩海峡桩基施工要求。

由于施工海域水深很大、岩面陡峭, 根据实际施工条件, 利用自升式平台形成辅助钢管桩平台, 通过中间的辅助钢管桩群实现自升式平台和钢护筒群的良好过渡, 保证整个体系安全。利用自升式平台形成钢护筒及辅助钢管桩平台总体工艺流程如图1所示。

本项目采用的自升式平台为“长旭号”海上自升式平台 (以下简称“长旭平台”) , 如图2所示。该平台专为风浪条件恶劣的海上施工设计, 由装有4条液压提升、气囊抱固的升降桩腿组成, 可将平台升离水面, 深插海底的支柱支承住平台, 平台脱离海浪打击, 具有抵抗台风袭击的生存能力。长旭平台桩腿最长44m, 为满足秀山大桥最大水深40m的作业条件, 对平台桩腿进行加长改造, 改造后平台桩腿长60m。

在利用长旭平台进行施工前, 对改造后长旭平台的桩腿结构强度及稳定性进行计算, 同时校核长旭平台在施工及自存工况下的抗倾覆及抗滑移稳定性。

经过校核, 在极端条件下 (表面最大流速3.56m/s, 设计波高2.93m, 设计风速34.80m/s) 和施工条件下 (表面最大流速3.05m/s, 设计波高1.0m, 设计风速13.80m/s) , 长旭平台的抗倾覆性均较好, 可满足要求;极端条件下平台自存和施工条件下进行第1根钢管桩施工 (最不利工况) 时, 桩腿的强度、稳定性及长旭平台的抗滑移稳定性均满足要求, 因此可用于秀山大桥10号墩桩基施工。

选择平潮期间拖轮拖带“长旭号”至10号墩偏秀山方向约16m处, 平台初定位前处于自浮状态。由GPS系统引导长旭平台自抛八字锚完成初定位。

首先下放第1条液压支腿, 采用2台全站仪前方交会控制液压支腿外轮廓线的切边, 经校核无误后立即下放;下放好第1条液压支腿后, 平台依然处于自浮状态, 以第1条支腿为圆心进行第2条支腿定位, 第1条支腿与第2条支腿的平台边线应保证与排架设计中心线平行, 对第2条液压支腿实施精确定位并下放后, 依次下放剩余2条液压支腿, 由此完成长旭平台的精确定位。

为保证长旭平台稳定作业, 将平台顶标高提升至8.000m, 此时平台底面高程4.700m (保证平台底部距离水面高度不小于高潮位最大波高) 。为保证自升式平台作业安全, 顶升至一定标高时, 先分别顶升对角2条支腿, 增大单条支腿对岩面的压力, 使之能与岩面全接触或嵌入少许岩层, 再同时顶升4条支腿至设计标高。长旭平台驻位如图3所示。

为保证桩腿底端与岩面紧密贴合, 选择平潮、水流较小时段, 潜水员探摸桩腿处水下地形, 检查桩腿是否紧密接触岩面或嵌入岩层少许, 若底端出现悬空现象, 则用袋装混凝土进行封堵, 以保证平台支柱底部与岩床密贴。

根据钢管桩布置特点, 导向架设计为3层钢管桁架结构, 一侧端部焊接锚固在自升式平台船舷侧面。为满足现场实际需求, 导向架具有双重功能, 前期用作沉放钢管桩的导向定位, 后期经简易改造用作钻孔平台的面层承重结构。

导向架采用悬臂可扩展的结构形式, 纵、横向分为若干节段。根据沉放钢管桩的进度及数量, 可通过法兰盘将导向架分段接长、扩展, 在能够减小导向架吊装尺寸及自重的同时, 也能够避免因其自由悬臂过长对其自身结构受力以及自升式平台的抗倾覆稳定性造成不利影响。导向架定位及接长如图4所示。

导向框设有供钢护筒 (钢管桩) 定位、施沉过程中纠偏、调整和锁定的装置, 具有足够的强度、刚度, 能够满足流速大、风速大、波浪高时沉放钢护筒 (钢管桩) 的使用要求。

沉放完成相应钢护筒 (钢管桩) 后, 在钢护筒 (钢管桩) 两侧导向架底部焊接支撑牛腿, 导向架顶部焊接反压牛腿, 以起到有效支承和固定导向架的作用。导向架固定如图5所示。

秀山大桥10号墩共有10根直径2.9m桩基钢护筒, 呈梅花形排列;另包含12根直径1.5m辅助钢管桩, 呈矩形阵列, 如图6所示。

自升式平台在辅助钢管桩平台附近完成就位后, 首先定位并接长钢管桩导向架, 总体按照从近到远、先两边再中间的顺序, 依次沉放并锚固1, 4, 2, 3, 5, 8, 6, 7, 10, 11, 9, 12号辅助钢管桩, 施工工艺如下。

采用长旭平台自带的180t履带式起重机将1～4号钢管桩导向架吊至平台侧面焊接锚固。钢管桩运至施工区域后, 采用履带式起重机起吊1号钢管桩, 通过导向架上相应孔位将钢管桩缓缓垂直下放。下放过程中监测钢管桩偏位和倾斜度, 直至钢护筒底端接触海底时停止下放, 检查并调整钢管桩偏位及倾斜度, 满足要求后用型钢将钢管桩顶部临时限位固定在导向架上。履带式起重机配合振动锤振动下沉钢管桩, 使其底端紧密坐落至强风化岩面或嵌入岩面少许, 如图7所示。

在1号钢管桩孔位上布置1台冲击钻机, 采用直径1.45m钻头在钢管桩内进行钻孔作业, 使钢管桩跟进、嵌岩, 如图8所示;至钢管桩底部嵌岩50cm以上, 且钻孔桩入岩3m后停止钻孔作业。

钢管桩跟进到位后, 制作5m长钢筋笼下放至孔内, 下放导管、清孔后进行水下混凝土浇筑, 浇筑高度为超出钢管桩内岩面高度2m, 使钢管桩锚固在岩层中。

按同样方法依次完成后续钢管桩施工, 每根钢管桩锚固完成后, 立即与相邻已施工的钢护筒通过平联和斜撑进行连接。

钢管桩施工完成后, 自升式平台退出工作, 并在原来的钢管桩导向架基础上逐步接长钢护筒导向架, 依次沉放并锚固13, 15, 14, 16, 19, 17, 18, 20, 22, 21号钢护筒, 施工工艺如下。

将按照设计图纸制作好的钻孔平台13～15号钢护筒导向架采用起重船分别吊至辅助平台钢管桩导向架前组装、接长;然后采用起重船下放13号设计钢护筒并用振动锤对其进行沉放, 使其底部穿透覆盖层, 坐落在强风化岩面上或嵌入岩面少许。钢护筒下放过程中严格监测偏位和倾斜度, 应满足设计及相应规范、规程要求。钢护筒吊放到位后, 潜水员对钢护筒底部进行探摸, 检查护筒周边与岩面封闭情况, 如有较大缝隙, 采用袋装混凝土水下封堵。

在导向架上布设1台冲击钻机配备直径2.84m钻头, 在8号钢护筒内进行钻孔作业, 使钢护筒跟进、嵌岩, 如图9所示;至钢管桩底部嵌岩3m以上, 停止钻孔作业。

钢护筒跟进到位后, 下放导管、清孔并进行水下混凝土浇筑, 浇筑高度为超出钢护筒内岩面高度2m, 使钢护筒锚固在岩层中 (见图10) 。

按同样方法依次完成后续钢护筒施工, 每根钢管桩锚固完成后, 立即与相邻已施工的钢护筒通过平联和斜撑进行连接。

钢护筒 (钢管桩) 嵌岩锚固完成后, 检查导管架与各钢护筒在牛腿或横梁处的连接质量, 发现问题及时进行补强, 并对导向架顶层各构件进行局部加强处理。然后, 以导向架为承重结构, 在其上面布设分配梁及面板, 形成正式钻孔平台, 并进行正式桩基施工。钢护筒及辅助钢管桩平台如图11所示。

自升式平台在秀山大桥工程桩基施工中的应用增加海上施工作业窗口, 有效解决深水、大流速、裸露陡岩等恶劣条件下桩基钻孔平台搭设、钢护筒精确定位等技术难题。最终, 桩位处钢护筒偏差≤5cm, 倾斜度≤1/300, 实现桩基工程的精确施工, 确保工程质量。同时, 在桩基施工过程中, 自升式平台经历数次台风大浪而没有发生任何质量安全事故, 降低项目施工风险。

与欧美和日韩等国相比, 我国自升式平台数量少, 应用于桥梁工程领域更少。随着我国桥梁、港口等工程施工逐渐走向深海和外海, 桩基施工的作业条件越来越恶劣^[6], 施工难度越来越大, 自升式平台成桩作为一种可适应恶劣海况的高精度桩基施工技术, 在跨海桥梁建设中具有广泛的应用前景。