平潭海峡公铁两用大桥是新建福州—平潭铁路、长乐—平潭高速公路的关键性控制工程, 是合福铁路、京福通道的重要组成部分。大桥下层为时速200km的双线I级铁路, 上层为时速100km的6车道高速公路。

大桥起于福建省长乐市松下镇, 经人屿岛、长屿岛、小练岛、大练岛, 跨越元洪航道、鼓屿门水道、大小练岛水道、北东口水道, 到苏澳镇连接平潭岛, 全长16.34km。

本桥桥位处于典型海洋环境下, 在施工过程中除受大风、台风侵袭外, 还受雷暴、大雾及潮汐等恶劣自然条件的影响, 各种恶劣的气候条件对施工现场的安全都有很大威胁。恶劣的气候条件导致1年中平均有效施工作业天数少, 可连续作业时间短, 严重制约本工程的正常作业, 导致施工工期有不确定因素。主要具有以下明显特点^[1,2]。

平潭海峡公铁两用大桥桥位处属于亚热带海洋季风气候, 风向季节性变化明显, 且稳定, 沿线主导向为南风, 次主导向为东南风。

指导性施工组织中标明平潭地区6级以上大风年日数309d, 7级以上234d, 8级以上123d, 各级大风日数主要集中在10月至次年2月, 占全年的50%左右, 年登陆台风次数3.8次, 其中8级风速达20.8m/s, 14级风速达45.4m/s。

现场2014—2016年实际风力监测统计情况如表1所示。

根据现场实际监测统计情况显示2014—2016年, 7级及以上大风天数占75%, 8级及以上大风天数占42%, 涌浪2.5m以上天数占45%, 实际施工天数仅占总天数的25%。共经历18次台风, 其中2015年台风“苏迪罗”达到15级。

海域潮型属正规半日潮, 根据平潭水文站历年潮位资料分析, 工程海域平均高潮位高程为2.390m, 平均低潮位为-1.890m, 平均潮差4.28m, 极端情况下最大潮差为7m。最大流速为3.09m/s, 正常流速为1.03m/s。海坛海峡波浪系由风成浪和涌浪组合的混合浪, 100年重现期H1%波高4.65m, 周期7.1s;50年重现期H1%波高4.3m, 周期6.8s;历史出现最大波高为16m, 周期9.3s。桥址最大水深45m。

现场通过对海床面多波束扫海、地质钻取芯样、地质浅剖等手段探明以下特点。

1) 海床岩层倾斜度大, 强度高。受地质构造变形影响, 桥位处岩石产状和形态多样, 岩层倾斜度大。大直径钻孔桩同一孔位范围岩面高差达4m。

2) 覆盖层浅薄, 部分区域无覆盖层。浅薄覆盖层区与无覆盖层区交替分布, 桥址区光板岩区域达7km, 占全桥长度的61%。

3) 基岩风化不均, 球形风化残留体 (孤石) 等现象普遍, 直径从2m到10多m, 埋置深度从海床表面到海床以下20m左右, 对埋设大直径钢护筒等施工造成困难。

4) 表层基岩强度高, 深层基岩极其坚硬。表层基岩风化程度低, 完整性好、强度高, 管桩插打过程中桩尖极易出现弯皱。深层基岩以花岗岩、流纹岩和火山角砾岩为主, 岩石极其坚硬, 钻芯取样测定的抗压强度达213MPa。

平潭海峡公铁两用大桥桥位处于典型海洋环境下, 桥址处风大、浪高、水深、涌急、流速大, 潮汐明显, 岛屿、暗礁多, 覆盖层浅薄、岩面倾斜、裸露;在施工过程中除受大风、台风侵袭外, 还受雷暴、大雾及潮汐等恶劣自然条件的影响, 各种恶劣的气候条件对施工现场的安全都有很大威胁, 根据设计资料显示, 桥址处最大水深达45m, 100年重现期浪高达9.69m, 流速达3.09m/s, 潮差达7.09m;桥址处年平均6级以上大风天数超过300d, 年平均7级大风天数234d, 且季风与台风活动频繁。本工程跨海桥梁海中墩位185个, 占75%, 下部需采用大型水上装备施工;大桥多采用高墩结构, 其中铁路墩高多在20m以上, 最高达50.5m, 而且公路墩位于铁路墩上, 公路墩高14.9m, 总高65.3m;梁部采用挂篮悬臂现浇施工、移动模架现浇施工、支架现浇施工、造桥机节段拼装施工;公铁合建模式下, 铁路梁、公路墩、公路梁间施工交叉干扰。海上作业、高墩、梁部施工及公铁合建交叉干扰都将严重受到大风天气的影响, 加之恶劣的海况、复杂的地质条件, 恶劣的气候条件导致1年中平均有效施工作业天数少, 严重制约本工程的正常作业, 施工将面临巨大的安全风险及工期压力。

根据现有的施工环境条件, 施工方案的制订要降低施工安全风险, 确保工程安全施工, 应考虑大风、大浪天气对施工的影响, 通过明确相关工序作业条件, 在采取相关措施确保工序施工安全及质量前提下, 提高有效作业天数, 安全组织施工生产。

根据平潭海峡公铁两用大桥工程特点及对各工序施工方案的研究, 对主要工序现场作业条件按总体原则为:挂篮走行、吊箱下放、造桥机及移动模架过孔风力应≤7级, 海上运输、吊装、搅拌船供应混凝土风力应≤7级, 高空作业及陆地吊装等风力应≤7级, 8级风停止一切吊装、高空作业, 9级风以上停止所有施工。其中, 风力≥6级的高处作业、起重吊装必须采取可靠的安全措施, 详细划分如表2所示。

施工方案的制订应尽量减少大风天气对施工的影响, 降低施工安全风险, 提高施工工效, 确保工期计划。

大桥水中基础采用全栈桥+钻孔平台法施工, 将岛屿和海上平台作为生产和生活基地, 分别修建栈桥连通至各墩位, 将海上施工转换为栈桥及平台施工, 降低安全风险, 减少浪、涌对施工的影响。对钢围堰拼装、吊装下放等采取工厂拼装、大型浮吊整体运输吊装方案, 提高施工工效, 减少现场吊装次数和降低安全风险。

跨越北东口水道通航孔间设置满足通行要求的栈桥 (临时索道桥) , 用于铺设混凝土泵管。节段梁场设置在台后路基上, 直接台后运梁上桥, 避免节段梁海上运输。钢构件加工焊接工作尽量安排在后场, 拼成后整体吊装, 减少海上焊接、吊装工作量。

为减少风、浪天气对施工的影响, 确保施工装备的稳定性及工效, 打桩船、搅拌船、浮吊、履带式起重机等装备采用“大吨位起重小吨位的原则”高标准配置。

平台、栈桥、造桥机、移动模架、高墩模板、高墩爬梯、支架、挂篮、钢筋棚、拌合站粉料罐等结构设计要有专项抗风设计计算, 采取必要的抗风措施。

本工程规模宏大, 所需原材料及半成品大部分需通过海运至码头中转, 而受风、浪影响海运不受控, 尤其是季风期, 物资存储能力必须得到保证, 为此分别在长乐岸、人屿岛、长屿岛、小练岛、大练岛、鑫海码头、松下码头、鱼限、和平村、看澳码头、猫子山码头、梁厝码头新建、扩建或租赁大型码头。

对现场施工进行指导, 在栈桥、平台、围堰设置波浪力风速监测点, 安装超声风速风向仪, 造桥机、移动模架上设置测风仪, 预报和实时监测波浪力要素、风速、风向数据。一方面为施工结构设计计算提供科学参数, 另一方面为大型吊装、造桥机、移动模架施工提供气象资料, 降低安全风险。工地安装视频监控系统, 起吊设备上安装GPS定位系统。使用“互联网+”信息技术, 制作围堰、移动模架等二维码信息。

对高处人员作业采取相关安全防护技术措施 (脚手架、平台、梯子、防护围栏、挡脚板、防护网、安全带、救生衣等) , 进行安全教育培训及现场技术交底、培训考核、定期体检、应急演练、防台演练等。

施工过程工序的监测、监控, 尤其针对施工中的控制点和重点设备、设施, 如施工环境监测预报、造桥机、挂篮、移动模架、塔式起重机、门式起重机、围堰、爬梯、墩旁托架、大型浮吊及其配套设备站位、大小节段运输和吊装、抗风浪措施、临时抄垫、架梁线形、支座安装等。

依据相关规范遇6级及以上强风时必须停止露天吊装等相关作业, 而工程所在地6级以上大风的年日数309d, 如按此规定, 无法实现合同工期。为实现工期目标, 大风条件下施工在所难免, 为确保施工安全, 必须进行施工安全风险进度辨识、评估, 设定施工的作业条件, 提供强有力的安全技术措施^[3]。

浅水区覆盖层区栈桥桩采用“履带式起重机配合振动锤钓鱼法”插打钢管桩;深水区浅/无覆盖层采用打桩船直接插打进行施工, 钢管桩插打入岩深度不满足设计要求的, 为增加其稳定性, 确保栈桥安全, 采用锚桩基础;深水区栈桥上部结构采用大刚度纵梁结构增加栈桥跨度。

浅水区覆盖层区平台桩采用“履带式起重机配合振动锤钓鱼法”插打钢管桩;深水区浅/无覆盖层采用打桩船直接插打进行施工, 钢管桩插打入岩深度不满足设计要求的, 为增加其稳定性, 确保平台安全, 采用锚桩基础;钢护筒采用打桩船直接插打, 根部采用“模袋围堰+水下不离散混凝土”进行稳固^[4]。

桩基施工采用冲击钻反循环法成孔, 海水造浆, 相邻护筒作为泥浆循环池, 钢筋笼长线法分节加工, 履带式起重机吊装, 直螺纹套筒连接。混凝土采取水下灌注, 有栈桥区混凝土由陆地拌合站供应, 无栈桥区混凝土由拌合船直接供应。

浅水区承台采用钢板桩围堰施工, 采用“履带式起重机配合振动锤”直接插打钢板桩施工。深水区承台采用钢吊箱施工, 对钢吊箱围堰研发一种新型内支撑结构, 采用整体拼装, 利用2 000t大型浮吊整体吊装, 快速就位、快速封底, 快速形成受力结构抵抗波流力^[5]。

墩身采用整体模板分段流水施工, 利用模板挂架搭设工作平台, 每次浇筑高度4m, 为减少大风天气对施工的影响, 按先立模板后绑扎钢筋的顺序施工。为确保钢筋定位准确及稳固, 设置型钢劲性骨架。墩身施工通道宜采用制式爬梯, 爬梯底部应通过承台预埋件焊接牢固, 爬梯与墩身间须设置附着, 附着间距均经过计算确定。爬梯按工作状态8级风, 抗台风14级工况进行设计计算。

根据本桥箱梁结构形式及综合考虑本桥所处特殊的海上施工环境条件, 连续刚构及连续梁均采用重心较低的三角抗风挂篮进行悬臂浇筑施工。挂篮侧模研究设计导流板达到抗风要求。

鉴于本桥施工常年处于大风期, 为增加挂篮施工期操作人员安全, 共设置主桁架操作平台、侧模板安全通道及防护、底模封闭操作平台及前下横梁操作平台等, 并在挂篮底模下设置封闭工作平台。

针对处于大练岛上的山凹之间形成的“穿堂风”的影响, 对65m高墩公路梁现浇支架进行缩尺模型风洞试验, 即固定模型天平测力边界层风洞试验研究, 通过试验对比, 指导结构设计和现场施工。

节段拼装造桥机设计选用重心低、稳定性好的腹位式结构。节段梁采用长线法预制, 由运梁车直接从台尾的预制梁场运到造桥机下喂梁, 造桥机利用自身梁段吊机运梁到位。其中, 大练岛侧采用双孔连做造桥机由B1向B38墩架设, 平潭岛侧采用单孔造桥机由B57向B41墩架设。

移动模架选用腹位两跨式移动模架结构, 抗风稳定性好, 满足8级风工作、7级风施工状态下进行过孔及抗14级风要求。

平台、栈桥、造桥机、移动模架、高墩模板、高墩爬梯、支架、挂篮等结构均按安装状态7级风, 过孔/前移状态7级风, 工作状态8级风, 抗台风14级工况进行设计计算。

对起重吊装、高空作业、船机设备操作、支架及设备安拆等受大风影响较大的工序要制定切实可行的安全防范措施, 均邀请国内相关领域知名专家进行论证, 以确保技术方案的科学性, 并按要求进行分级审核报批后, 分级对下进行安全技术交底, 明确施工条件和安全注意事项。

现场做好风力、风向、波浪的监测、收集工作, 研究分析本地区风、浪特点, 为后续施工生产提供依据。

基于项目施工环境的复杂性, 必须超常规配置设备才能满足现场施工要求, 因此在设备选型上均配置抗风标准高的设备。

现场起重吊装设备的选型根据不同吊重的大小进行选择, 现场75～150t履带式起重机及塔式起重机以“大吨位起重小吊重”的原则经过计算满足8级风的工作状态。

对浮吊、打桩船、搅拌船等施工船舶研究系泊方式, 提高其稳定性, 满足在7级风下的工作状态。

项目部建立完善“三级管理、分级负责”的安全生产管理体系, 明确项目部、分部和架子队的安全职责定位, 形成“横向到边、纵向到底”的安全管理网络, 奠定人身安全在体系良性运行方面的坚实基础。

针对项目复杂海域施工特点, 建立完善37项安全管理制度, 为项目部安全管理工作提供依据和考核标准。针对一般安全隐患, 项目部主要通过安全隐患排查分级管理机制落实“一岗双责”, 确保全员参与和动态管理。

项目部通过设置安全隐患微信群的方式全面落实班组班前讲话, 从基础和源头上确保工班和工人对人身安全防护做到高度重视, 认真佩戴防护用品到位;通过项目部和分部定期开展的安全隐患排查分级管理现场考核, 检查督促落实现场安全防护设施和工人防护用品的佩戴, 从日常管理上确保对涉及人身安全的隐患及时整改消项。

经过近4年努力, 平潭海峡公铁两用大桥基础、墩身已全部完成, 已转为梁部施工, 克服了季风、台风、大浪等恶劣海况下建桥的困难。

通过施工验证, 按照挂篮走行、吊箱下放、造桥机及移动模架过孔风力应≤7级, 海上运输、吊装、搅拌船供应混凝土风力应≤7级, 高空作业及陆地吊装等风力应≤7级, 8级风停止一切吊装、高空作业, 9级风以上停止所有施工作业的施工条件以及采取的各项措施可行有效, 安全质量可控。