钻孔灌注桩作为桥梁基础常见的结构形式, 由于其适应地质情况广泛、施工技术成熟, 目前已较多地应用于国内外桥梁、建筑、市政等工程领域。钢护筒施沉是水上钻孔桩施工的关键工序, 其施沉精度直接影响到桩基质量, 常规方法是首先进行钻孔平台的搭设, 再在钻孔平台上设置定位导向架来完成钢护筒的施沉。随着大型跨海桥梁的建设日益增加, 深水大直径桩基础也越来越多, 部分桥梁基础施工时直接将钢护筒作为钻孔平台基础, 对护筒施工精度要求极高。面对多变的海洋性气候、复杂的水文地质条件、复杂的施工技术等诸多不利要素, 传统工艺已无法满足全部施工要求, 需采取创造性的施工工艺, 以攻克一系列技术难题, 满足大型跨海桥梁的建设需求。

中马友谊大桥位于马尔代夫北马累环礁 (North MaléAtoll) , 跨越Gaadhoo Koa海峡, 连接环礁上马累岛、机场岛 (瑚湖尔岛) 和胡鲁马累岛3个相邻岛屿, 是马尔代夫最重要的岛屿连接线工程。路线全长2.0km, 其中桥梁长度为1.39km, 桥梁跨径布置为18×30m (引桥) + (100m+2×180m+140m+100m+60m) (主桥) +3×30m (引桥) 。主桥为5墩6跨组合混合梁V形墩刚构桥, 桥长760m;引桥为30m预应力混凝土I型梁桥, 桥长630m;两侧接线长610m。主桥桥跨结构如图1所示。

主桥基础采用φ3.2m/3.6m, φ2.8m/3.2m的变截面钢管复合桩基础, 其钢护筒材质为Q345C, 规格为φ3.2m×32mm和φ3.6m×32mm 2种类型。钢护筒在桩基施工时作为钻孔平台的基础, 成桩后割除至设计标高, 剩余部分参与桩基础结构受力。根据各墩位水文及地质条件的区别, 钢护筒长58~73m, 最大质量近210t。各墩位钢护筒参数如表1所示。

马尔代夫陆地平均海拔1.8m, 马累岛平均海拔仅1.2m。马累岛位于马尔代夫北马累环礁的南部边缘, 其北侧主要为珊瑚泻湖地貌, 是与外海隔开的平静的浅海水域, 泻湖由几条水道与外海连通。马累岛南侧为溺谷海岸地貌, 水下斜坡深槽发育。桥位所处Gaadhoo Koa海峡水深0~60m, 马累岛东北—东侧边坡陡峭, 局部水深达60m以上, 桥墩深度最大的位置为21号墩, 水深为46m。

工程区域潮汐为正规半日潮, 桥位处高潮累积频率10%的设计高潮位为0.55m, 低潮累积频率90%的设计低潮位为-0.51m, 大潮期间实测潮差约0.90m。桥位附近平均流速约1.33m/s。不同重现期潮差及风速组合数学模型模拟结果显示, 潮差对桥位附近流速影响不明显, 季风洋流对设计流速影响较大, 主桥主墩处50, 20, 10, 2年一遇重现期下的最大垂向平均流速分别为4.15, 3.95, 3.70, 3.00m/s。

除了受季风和少量台风影响形成局部风浪外, 南印度洋涌浪对海域影响也较大。根据Surfforecost提供的马累东北约20km处的深水区涌浪资料, 工程区冬春季涌浪相对较大, 夏秋季涌浪相对较小。局部风浪一般周期在3~8s, 涌浪周期在14~20s, 50, 20, 10, 2年一遇重现期下的最大波高为3.37, 3.2, 2.93, 2.71m。

本项目工程水域呈现的是波高大、波周期长的特点, 对工程影响较大的是风浪与涌浪合成的混合浪。

根据设计要求, 钢护筒施沉的精度要求为倾斜度≤1/200, 桩顶中心位置偏差≤25cm。在施工区海况条件下, 需先在墩位旁搭设平面位置精度要求相对较低的辅助平台, 在辅助平台上安装可实现精确调位的悬臂式导向架, 采用MHU800S/MHU550S液压冲击锤进行钢护筒施沉。

辅助平台是钢护筒悬臂式导向架的安装平台, 由下部钢管桩和上部整体式平台组成, 主要作用是使导向架精确调位时脱离恶劣海况的影响, 提高导向架定位精度。

19, 23号墩辅助平台下部结构为φ3.2m×25mm的钢管桩, 20~22号墩辅助平台下部结构为φ3.6m×30mm的钢管桩。上部整体式平台通过φ2.2m×30mm的连接钢管与钢管桩连接, 连接钢管外侧焊接套筒, 套筒与钢管桩之间注浆处理。辅助平台结构示意如图2所示。

悬臂式导向架由架体、龙口、调位机构、锚固装置、辅助安装系统、适应分配梁及工作平台组成 (见图3) 。主要作用是在钢护筒施沉过程中, 对护筒的平面位置及垂直度起约束作用, 保证其在施沉过程中不发生较大的偏差。

工程地处印度洋海域低纬度地区, 施工船舶受长周期涌浪影响大。基于此施工条件, 对钢护筒施沉作业工效进行计算分析, 制定作业窗口, 保证船舶作业安全。

钢护筒施沉及钻孔平台安装采用国内1 380t起重船进行施工作业。1 380t起重船船体参数如表2所示。

对外海起重施工影响最大的是船舶受波浪影响产生的运动幅度。针对长周期涌浪作用下船舶作业出现的运动幅度较大问题, 分别采用瑞典SMC公司IMUS-108传感器、挪威Nortek公司AWAC“浪龙”波浪仪实时监测船舶运动姿态及现场波浪情况。

IMUS-108传感器可实时监测船舶的横摇、纵摇以及升沉运动, 并记录时间历程曲线, 通过对实测数据进行统计分析, 得到1 380t起重船的横摇、纵摇以及升沉运动的统计特性, 如平均幅值、三一幅值、十一幅值及其所对应的周期等;AWAC“浪龙”波浪仪可对现场波高及周期进行实时监测。

对波浪监测结果与作业船舶的十一纵摇、升沉幅值进行对比分析 (见图4, 5) , 可以看出, 船舶的十一纵摇、升沉变化趋势与波高实测趋势较为吻合, 得到有效波高/十一纵摇幅值的比值近似为1.2, 有效波高/十一升沉幅值的比值近似为2。

根据前期钢护筒各工序对应的水文气象条件, 结合Seasam软件对施工船舶运动敏感性分析, 确定不同工序的施工窗口条件要求如表3所示。

辅助平台下部钢管桩施工时, 利用安装在起重船侧面的导向架定位钢管桩, 采用冲击锤下沉, 施沉精度要求φ3.2m钢管桩平面偏位≤30cm, φ3.6m钢管桩平面偏位≤50cm。钢管桩施沉完毕后, 根据钢管桩实测顶标高在上部整体式平台相应位置焊接搁置板, 并整体吊装上部结构与钢管桩相连, 利用水囊止水, 抽除套筒与钢管桩之间的海水后压浆, 完成辅助平台安装。

导向架安装与移位采用起重船整体吊装的方式, 起吊前在辅助平台上焊设限位装置, 关闭上、下龙口, 选择合适的作业窗口进行吊装作业。吊装采用单钩四点吊, 缓慢起吊导向架至高出限位1~2m, 调整导向架到预定位置后下放。吊装就位后, 复核导向架上、下龙口的平面位置, 需满足平面偏位<25cm, 倾斜度<1/1 000, 最后将锚固支垫与导向架进行焊接, 完成导向架的安装。

采用1 380t起重船两点起吊翻桩、单点立桩的起重方案。套绳完成后, 起重船水平起吊钢护筒脱离驳船。驳船退离后, 同时起升主钩、下降副钩, 使钢护筒缓慢翻转。翻桩完成后进行副钩解除, 待作业条件满足时即开始吊装入龙口 (见图6) 。

钢护筒移入龙口后, 立即关闭下龙口, 着床后再关闭上龙口, 进行粗调。测量护筒垂直度与平面位置, 受波浪影响, 钢护筒精度较难一次调整到位, 需通过起重船反复提升护筒的方式来调整护筒垂直度和平面位置, 直至钢护筒平面位置偏位≤25cm、倾斜度≤1/200方可进行解钩。

通过悬臂式导向架上、下龙口的调位机构来精确调整钢护筒倾斜度。精调要求倾斜度≤1/1 000, 调整完毕需对平面位置和垂直度进行复核, 确保精度满足要求。

钢护筒施沉时, 套锤过程中起重船受长周期涌浪的影响, 桩锤与钢护筒之间会发生碰撞而导致钢护筒的平面位置与垂直度产生变化。因此, 钢护筒施打之前需再次复核护筒垂直度, 不满足要求须及时通过龙口上的调位机构进行调整。

通过打桩分析软件GRLWEAP计算钢护筒达到设计承载力时的最大贯入度, 并以此作为钢护筒停锤标准。同时采用高应变动力试桩法检测钢护筒桩端阻力及桩侧摩阻力, 用以校核停锤标准是否准确。

钢护筒施打步骤为:小能量慢打→正常施打→结尾重复各级能量复核贯入度。施打过程中实时监测钢护筒垂直度与平面位置, 发现问题立即调整。高应变动力试桩法检测需在液压冲击锤距离下龙口顶面100cm左右时开始安装检测仪器, 在满足停锤标准之后开始记录高应变数据进行检测, 检测承载力满足设计要求同时经过贯入度复核后即停锤, 钢护筒施沉完毕后提锤。

钢护筒施沉停锤标准如表4所示。

钢护筒受水深及流速影响会产生较大位移, 施沉到位后应立即进行平联安装, 以增强护筒的稳定性。平联采用φ1.6m×25mm钢管, 分2层布置, 上层平联标高为4.000m, 下层平联标高为2.300m。安装时通过起重船初步就位, 手拉葫芦精确调整。

在深水长周期波条件下, 通过波浪实时监测系统+船舶运动姿态传感器对施工船舶进行实时监测, 制定合理的作业窗口指导施工船舶作业。依靠大刚度悬臂导向架对钢护筒进行导向与纠偏, 钢护筒采用单艘起重船两点起吊翻桩、单点立桩的起重方案, 并采用大功率液压冲击锤进行钢护筒施沉作业, 顺利完成了中马友谊大桥19~23号主墩35根大直径超长钢护筒的施沉作业, 保证了沉放精度均满足设计要求。