新建福州—平潭铁路起自福州站, 跨越平潭海峡最终抵达平潭岛, 全长88.43km, 是合福高铁的延伸, 京台高铁的一部分。全线控制性工程平潭海峡公铁两用大桥, 大桥下层为200km/h的双线铁路, 上层为100km/h的6车道高速公路, 大桥跨越元洪航道、鼓屿门水道、大小练岛水道、北东口水道4条航道, 除北东口水道桥采用2孔168m连续钢构梁外, 其余3座航道桥均采用钢桁混合梁斜拉桥结构, 最大主跨532m。桥址处于典型的海洋环境, 风大、水深、浪高、涌急、潮汐明显, 海况恶劣, 全年6级以上大风超过300d, 7级以上大风超过238d, 百年重现期10min平均最大风速44.8m/s, 年平均台风6~7次;桥址海域最大水深达45m, 最大流速达3.09m/s, 10年一遇波高为6.35m, 最大潮差达7.09m;海床起伏大、岩面倾斜裸露、高强度孤石密集, 地质条件复杂^[1]。

桥梁深水施工平台一般分为固定平台和钢浮箱组拼平台。固定施工平台一般采用钢护筒及钢管桩作为基础, 型钢 (贝雷梁) 及钢板构成上部结构, 为设备、机具、人员提供场地。根据水文条件、岩面覆盖层厚度、大型浮吊通航要求、工期、经济等因素, 下部基础一般采用钢护筒受力、钢管桩受力、钢管桩与钢护筒共同受力等几种模式。

海峡区域海流湍急, 长时间的剧烈冲刷使得海床岩面覆盖层浅薄甚至裸露, 基岩以花岗岩、流纹岩和火山角砾岩为主, 岩石强度高达213MPa, 海床分布有大量直径2~12m的孤石。风大、浪高、流急的恶劣海况及复杂的地质条件致使施工平台钢管桩插打定位困难, 极易出现管桩倾斜、底口屈曲卷边, 施工平台难以搭建。

针对平潭海峡恶劣的自然环境和复杂的海洋地质条件, 对海峡海床裸岩区施工平台搭建分别采取导管架分单元组装、快速插打钢管桩形成稳定单元体 (4~6根1组, 1个平潮期完成) 再临时连接系扩展成为整体平台的两种裸岩区平台搭建解决方案, 取得较好的效果。

导管架平台由导管架、支承桩、上部结构组成, 导管架工厂预制成立体钢管桁架, 根据起重和运输能力, 可分为1~3单元, 分单元运输定位下放, 组拼整体后搭建上部结构, 形成施工平台。平潭海峡公铁两用大桥最大的Z03平台110m (长) ×75m (宽) ×47m (高) , 分3个单元, 最大单元70m×39m, 总重 (含吊具等) 1 329t。导管架角桩52根1 712×18钢管, 支承桩为1 500×18钢管 (为防止底部插打时卷边, 钢管底部1.5m范围内侧用δ12mm钢板贴后加强) , 其余套管为1 700×12, 连接系为600×10钢管^[2]。

导管架施工工艺流程:场地准备→导管架单元制作→管桩根据就位海床地貌切割→场内滑移至吊运位置→吊装→海上运输→吊装下放就位→角桩反压支承桩插打→体系转化→角桩复打→各单元就位组拼→上部结构→底口缝隙填筑。

对场地地基处理和平整, 按材料存放区、材料下料区、加工区、现场焊接拼装区、滑移轨道区放样布置。Z03导管架设置3条滑移轨道, 轨道梁采用2HN800×300型钢, 中间留10cm间隙, 间隙内间隔1m焊接1块10mm×20mm钢板作为顶推反力座;轨道梁下铺枕木 (间距50cm) 和50cm厚道砟层。

在加工区成片焊接为门式件, 单重约39t;通过2台履带式起重机将2个门式件放在现场滑移轨道上, 用螺旋管临时固接, 再焊接连接系形成稳定门式结构;依靠稳定门式结构继续拼装成整体。Z03导管架由于海深架高, 分上下2层组拼, 下层拼装完成后再拼装上层。导管架套管与轨道梁间设置滑移块 (2HM390×300型钢焊接) 。

设置4套顶推系统 (每套均由2个顶座和1个75t千斤顶构成) , 正式滑移前需对顶进系统预顶操作校核同步性。轨道两侧设置导向限位, 并设置10cm间距控制刻度标记, 滑移时专人记录各顶读数和移动距离, 保证顶推同步和移动防偏, 直至滑移到出海起吊位置。

用2 000t浮吊先将4根65.5m角桩安装在导管架四角套管内, 再安装吊挂系统 (包括角桩反压系统和导管架下放后的悬挂支承系统) , 然后起吊导管架, 按照下放海床面切割管桩底口标高, 最后安装缆风绳, 起吊出海。考虑后续施工, 应选择满足连续2天良好天气 (浪高<2.5m, 风力≤7级) 窗口。

提前1周对运输路线拖轮预探, 采用可自航的2 000t浮吊运输 (船长102.6m宽41.6m, 满载吃水深度5.25m) , 运输过程中1艘牵引船引导, 2艘拖轮作为应急动力备用, 4艘警戒船海上警戒。

运输到指定位置后, 2 000t浮吊以及2艘定位船停泊就位, 利用2 000t浮吊GPS系统粗定位下放, 利用导管架4个角桩提前安装的棱镜, 使下放平面偏差在1m以内;导管架底口下放至距离海床面0.5m时停止下放, 利用3艘船的锚绳和导管架缆风绳进行精定位, 浮吊松钩导管架下放着床。导管架着床若4根角桩高差>20cm, 需利用浮吊对导管架调平, 保证2~3根角桩着床。

反压角桩, 并将导管架顶口与4根角桩临时固结, 按由中间向外侧扩散顺序进行支承桩插打, 2艘400t浮吊交替进行支撑桩下放和插打, 入岩深度≥4.7m, 以贯入度控制为主 (连续锤击10击, 平均贯入度≤6cm/击, 且单锤锤击贯入度≤8cm/击, 停锤标准按最后30~50击平均贯入度3~5cm控制) 及与导管架固结, 再解除角桩与导管架间临时固结, 打桩锤复打角桩, 完成后进行角桩与导管架间永久固结。

依次安装剩余单元, 形成整体施工平台下部结构, 最后安装钢桁梁及平台钢板 (混凝土预制板) , 安装平台临边护栏, 完成平台搭建。

利用低潮位插打3~4根钢管桩, 上部通过联结系连接, 涨潮前形成1个临时稳定小单元, 接着在钢管桩内加设钢筋混凝土锚桩, 钢筋混凝土锚桩的一半锚于海底岩面内, 另一半锚于起始钢管桩内;依次施工稳定单位并连接系固结, 形成平台基础, 再逐根下放桩基钢护筒于海底岩面上, 在稳固的钢管桩上通过连接系逐根将桩基钢护筒进行联结, 平台范围构建有模袋混凝土围堰, 并在模袋混凝土围堰内浇筑有水下不离散混凝土基础, 保证混凝土基础和桩基钢护筒及海底岩面密贴粘接, 钢管桩、钢护筒共同支撑有承载平台上部结构^[3]。

钻孔平台主要由平台钢管桩、管桩连接系、桩顶横梁、特种桁梁、平台面板等组成。平台布置如图2所示。

钢管桩采用1 420×16钢管, 纵横向间距8m, 钢管桩纵横向之间采用630×10钢管连接形成支撑体系。利用打桩船自带GPS系统对管桩进行桩位及垂直度调整, 再用全站仪复核管桩的位置及垂直度, 调整精确定位;缓慢下放钢丝绳, 利用桩锤自重将管桩下压迅速着床至管桩不再下滑为止;管桩在压锤稳定后, 锤击沉桩时, 桩锤、替打、管桩应保持在同一轴线上, 在沉桩过程中, 如发现桩位及垂直度异常, 应立即重新就位。

裸岩区钢管桩基本没有打入深度, 稳定性很差, 必须在1个工班内完成1个墩位的4根钢管桩插打, 并利用型钢迅速将其连接成为整体结构, 以避免风、浪、水流的作用使钢管桩产生过大变位移甚至倾倒。该临时连接系安装精度要求不必过于严格, 但必须快速完成, 并在永久连接系安装完成后拆除。

考虑现场吊装、减小海上施工时间、缩短工期、提高施工效率, 面板采用制式板结构直接铺设在牛腿上, 快速形成临时平台。

钢管桩内锚固桩施工采用冲击钻成孔, 相邻管桩作为泥浆池, 反循环法钻孔。施工流程为:钻机就位→成孔→检孔→安放钢筋笼→二次清孔→下放导管→浇筑混凝土→钻机移位。

锚固桩灌注完成后拆除临时平台。

横梁采用双拼H型钢, 统一在加工场焊接成整体, 利用浮吊吊装放置在桩顶桩帽上指定位置并与桩帽焊接牢固;横梁安装完毕后, 在横梁上标识出特种桁梁位置, 为吊装方便, 将多片桁梁拼装成整体, 用浮吊整体安装就位, 桁梁节点应放置在横梁顶面, 各组桁梁之间应连接成整体, 并用限位装置与横梁限位牢固。

在平台四周范围内抛填模袋形成围堰, 并在模袋围堰内灌注水下不离散混凝土形成混凝土基础, 最后安装平台钢板、临边护栏, 完成平台搭建。

导管架平台可提前码头加工, 作业条件、焊接质量可控, 海上现场作业时间短, 但对码头场地、泊位、大型浮吊等要求较高;插打钢管桩形成稳定单元体继而形成平台对设场地要求低, 但海上施工周期长, 作业受风、涌、浪外部环境制约较大。无覆盖层 (裸岩区) 两种形式平台于2015年7月全部搭设并加固完成, 2015年以来大桥施工海域每年遭遇5~7次台风, 特别是2015年第9号台风“灿鸿”、第10号台风“莲花”和第13号台风“苏迪罗”的考验 (阵风达16级, 风速51.5m/s) , 结构没有任何变形及破坏, 安全稳定性满足使用要求。