台风区域深海陡坡裸岩平台施工工艺.docx
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台风区域深海陡坡裸岩平台施工工艺
台风区域深海陡坡裸岩平台施工工法
1.前言
随着跨海、江、河大型桥梁的不断兴建，地质环境条件越来越复杂，施工难度也越来越大。
陡坡裸岩基础施工也为国内外桥梁施工界的一个新难题。
因其坡度大岩石裸露，没有覆盖层，无法按照常规平台搭设方法施工，传统做法是采用围堰将桩位处封闭，以达到无水作业，然后在内部爆破平坦，进行钻孔施工作业。
中铁十三局集团有限公司承建的三门口跨海大桥南门桥突破传统施工工艺，应用空间三角网格连接法和水下铰接剪刀撑施工技术，成功在陡坡裸岩处搭设了作业平台。
其施工工艺在国内同类施工中尚属首次采用，属于领先技术，取得了良好的社会效益和经济效益。
为了便于推广应用，对施工工艺进行总结归纳，形成了本工法。
2.工法特点
本工法的平台搭设施工与传统的围堰施工相比，具有如下优点：
（1）施工所需场地小，平台所需构件均可提前预制，节省施工时间，加快施工进度；
（2）施工工艺简单，空间三角网格联结安全可靠，方法先进，可操作性强，水下铰接剪刀撑无需潜水员帮助，简单易行；具体操作方便精度要求不高，质量易控制，施工速度快，设备人力投入小，安全性强，成本大大的降低；
（3）钢护筒在平台上施工精度高，施工安全方便；平台整体性好；
（4）平台搭设法对环境没有任何污染，噪声小；
（5）无需增加投入，耗费材料少，且材料可周转利用，利用率高，经济性强，工作量小；平台拆除方便，可完全回收，更显其优越性。
3.适用范围
本工法适用于深水中陡坡裸岩条件下的作业平台搭设施工。
4.工艺原理
陡坡裸岩的地形地质情况决定了平台的特殊性，采取有效的施工方案成为重中之重，平台的稳定性和自身的整体性尤为重要，在设计和计算中对这两方面进行了深入的研究。
墩位处的基岩裸露，质地坚硬，裂隙发育，钢管桩无法打入其中，只能立在岩石表面，平台和基岩是分离的结构，因此只能使其受到竖直力，水平力给与抵消。
这对平台自身的整体稳定性和刚度的要求非常高，即平台在受到水平外力的情况下，自身整体结构不会发生变化。
本工法在岸边预先埋设三根定位桩作为无水区水平承力系统，利用三角形稳定性原理在每三根平台钢管桩之间用型钢联结成空间三角网格，使整个平台形成一个自身稳定的“板凳”，亦水中平台系统，将其浮放在裸岩上，用型钢作为传力杆件把靠近岸边的平台钢管桩与无水区水平承力系统桩联结形成空间三角网格，将水中平台系统受到的水平力传递给岸边的无水区承力系统桩，使其只受竖直力，成功解决了平台的整体稳定性问题；又设置了水下铰接剪刀撑加强了平台水下钢管桩的刚度，完成平台的搭设。
平台系统整体平面图如下：
图4-1平台系统整体平面图
4.1关键技术
4.1.1无水区水平承力系统
无水区水平承力系统包括岸边预埋的承力钢管桩和型钢制作的传力杆件。
利用电脑软件建立三维模型，根据现场实际情况输入外力，进行参数设置。
根据计算结果确定所采用的钢管装规格和预埋深度固定情况，型钢传力杆件的规格型号，连接形式及强度。
施工中钢管桩所处的结构位置非常重要，为平台搭设初期和使用期的主要支撑点，全部的水中平台桩均以它们固定联接。
模拟计算平台最大受力部位也位于同这几根钢管桩联结的剪刀撑上，所以永久桩的牢固性成为施工关键。
施工时在岸边钻爆三个深度足可以稳固钢管桩的孔，直径应大于桩直径以利于调整竖直度和加固，管桩就位套住孔内预设锚筋，内外浇筑混凝土使管桩和岩石结合成整体，形成固定的承力装置；加强型钢与管桩焊接，对焊口位置做加强处理，完成水平承力系统。
4.1.2空间三角网格联结
空间三角网格联结，亦在岸边已经埋设好的永久性固定桩作为依托，钢管桩内设锚筋，混凝土填充。
水中平台钢管桩提前配置水下剪刀撑，沉放第一根平台钢管桩。
三角网格联结第一根钢管桩，用水下剪刀撑同岸边靠近的两根钢管桩连接，形成三角固定，再进行桩身上部平联，亦形成三角固定，完成空间三角网格联结，固定好后再进行下一根钢管桩施工。
按此工序施工形成平台，最后对钢管桩平台整体联接加固。
模拟图如下：
图4.1.2-1模拟空间三角网格
4.1.3水下铰接剪刀撑
一般平台剪刀撑的位置只能焊接在水面上方，因本水中平台钢管桩底部支立在岩石上，侧向不能固定。
为加强本平台的整体性，通过大量的研究试验决定提前把剪刀撑型钢一端（水下部分）用销子铰接在钢管桩上，在钢管桩下沉到位后联接剪刀撑另一端（水上部分）焊牢。
水下铰接剪刀撑给平台加了一道保护屏障，使整体性增加。
水下铰接剪刀撑示意图如下：
图4.1.3-1水下铰接剪刀撑示意图
4.2整体检算
利用Midas有限元分析程序建立三维模型，对无水区水平承力系统和水中钢管桩平台进行整体检算，内容包括无水区水平承力系统的预埋钢管桩和型钢传力杆件受到的应力、剪力以及变形，水中平台钢管桩、水上剪刀撑和水下铰接剪刀撑受到的应力、剪力以及变形，水中平台钢管桩的上下型钢平联和顶部横纵梁所受到的应力、剪力以及变形，还有水中平台的位移量。
4.2.1检算模型与假定
以平台顶面横桥向为x轴，顺桥向为y轴，钢管桩轴向为z轴，建立直角三维坐标系；外力为水流力、风压力和波浪力；钢管桩采用φ1200mm，б=12mmQ235螺旋钢管。
假定所有钢管桩和上下平联、剪刀撑和顶梁均为固接，无水区水平承力系统钢管桩与基岩固结，水中钢管桩底向下约束；钢管桩取钢材弹性模量2.1×108kN/m,钢泊松比0.33，钢比重78.5kN/m3。
整体模型图如下：
图4.2.1-1整体模型图
4.2.2施工荷载组合
荷载一：
水流力，波浪力，风压，平台自重；
荷载二：
平台施工荷载：
钻机自重×所用台数；施工用片石粘土；其他施工荷载取2.5kN/m2；
荷载三：
提钻锤拉力（本桥钻孔采用冲击钻）。
4.2.3各工况检算
4.2.3.1工况一：
水中平台形成阶段
水中平台形成阶段荷载包括水流力、波浪力、风压和平台自重，对其进行检算，结果显示平台最外排桩发生整体位移，但数值在允许范围之内，其他依次减小；最大剪力发生在无水区水平承力系统的岸边预埋桩底；最大应力发生在岸边预埋钢管桩和平台桩的空间三角网格剪刀撑上。
4.2.3.2工况二：
钻孔阶段
钻孔阶段水中平台荷载组合为水流力、波浪力、风压、平台自重、平台施工荷载和提钻拉力，通过检算平台的位移和工况一基本相似，应力增大较多，但仍处于允许范围之内，亦出现在无水区水平承力系统钢管桩和水中平台桩的空间三角网格水上剪刀撑上，其他构件的应力比此处小的多。
5.施工工艺流程与操作要点
5.1工艺流程（见图）
图5.1-1陡坡裸岩平台搭设流程图
5.2主要施工方法及操作要点
水中钢管桩施工平台由支承桩、平联、剪刀撑、顶面横、纵梁及平台顶面铺装等构成。
其中平台面为小型钢或钢筋和木板，铺设在顶面横纵梁之上；顶面横纵梁支承在钢管桩上，作为主要承载梁；钢管桩与钢管桩之间用型钢水平联接，剪刀撑斜向联接，以保证平台的整体稳定和抗扭。
水中平台对自身要求很高，各具体施工环节均应按设计严格施工，否则平台的安全性会大打折扣，因此对各施工人员都进行工前技术培训，安全技术交底。
5.2.1凿平钢管桩基础
用型钢将两艘小型施工运输船相联，船体之间预留钻孔位置，搭设水中临时浮动平台。
由施工船组成的浮动平台初步锚固在平台位置，测量人员准确放样平台桩位，确定水中平台钢管桩的位置，将浮动平台进行微调，锚固，锁死。
在上面固定一台5吨冲击钻机，按桩位对陡岩进行冲击。
因为墩位处在深水海域，且潮差极大，达到6.63m，最大水流速度2.16m/s，水下凿平陡岩一定要保证位置的准确性。
测量人员随时监测控制钻锤所打桩位（通过钻绳测定），确保钻绳不因为潮汐发生偏移，及时对施工船进行位置调整，通过在浮动平台四角设置的10吨卷扬机来进行。
刚开始时钻锤呈现倒锤现象，施工时要注意不能让钻锤完全落在基岩上，那样对浮动平台的锚固有很大影响，应该在钻绳出现倾斜时即停止下落。
在持续的冲击后，钻锤可逐步完全落地，当钻绳不再倾斜时，说明桩位已被打平，达到了设计施工要求。
在钻平后测定钻绳坐标作为平台桩的最终位置，做好标记。
要注意保证平台桩不要向内偏位，以免影响套箱下沉。
5.2.2无水区水平承力系统的施工
最低潮位时，在岸边靠近墩位平台的基岩上钻孔爆破三个2米深，直径1.5米的孔，孔内预埋锚筋；清除孔内石渣，支立钢管桩，使预埋锚筋插入桩内，四周做好导向固定，保证竖直度；在钢管桩内外浇筑混凝土，使钢管桩和锚筋合为一体，称为固定受力体系。
将型钢制作的传力杆件进行加强，以满足受力要求。
5.2.3水下铰接剪刀撑设置
平台钢管桩支立前，测量并确定每根桩桩位处水深，计算出桩位处钢管桩长度；再测量桩位同无水区水平承力系统的岸边预埋钢管桩的距离，依此计算出水下剪刀撑（型钢）的长度。
按设计长度将钢管桩和水下剪刀撑接长，在钢管桩上标出具体位置，预设水下铰接剪刀撑。
利用钢销铰接剪刀撑型钢水下一端，上端临时点焊在钢管桩上。
水下剪刀撑的铰接钢销要有足够的强度，铰接处钢管桩应焊钢板加厚，保证强度，防止钢板变形甚至撕裂。
根据钢管桩在平台中所处位置，在不同标高设置2根～4根水下铰接剪刀撑，以便实现所有水下剪刀撑联结，增加整体稳定性。
示意图如下：
图5.2.3-1平台剪刀撑正面图
5.2.4空间三角网格支立水中钢管桩
低潮位时高压水泵清除水中桩位处石渣，测量放样，海吊就位，用型钢制作导向架，复测精确定位。
海吊主钩起吊带水下铰接剪刀撑的钢管桩，摆正水下剪刀撑的方向，以方便连接，在导向架内下沉钢管桩。
钢管桩在下沉之前要在底部20cm范围内用钢板抱箍加强，防止变形。
钢管桩下沉到位后，垂直两个方向用全站仪监控调整其竖直度，解开水下铰接剪刀撑上端的临时联结，利用海吊的辅助吊钩慢慢将其放倒，同岸边一根永久钢管桩联结，采用三角网格联结法与岸边其他两根钢管桩进行空间三角联接，以保证其位置稳定。
水下剪刀撑施工完成后，即进行水上剪刀撑和平面三角网格联结，形成空间双层网格。
空间三角网格联接要保证联接强度，严格按照设计强度施工。
因水下铰接剪刀撑位置的特殊性，选择在水位较低时施工，这样可以使剪刀撑的水平位置下移，平台的整体刚度得到进一步加强。
5.2.5水中平台搭设
按上述施工工序进行平台其他钢管桩的施工，在进行下根施工时要监控以前的钢管桩是否受到水流和风力等外部因素影响，如有偏移马上分析原因并进行校正加固，超过两根时进行平台桩上下水平联接。
靠近岸边的水中平台桩均与岸边三根永久桩进行空间三角网格连接，以保证平台的整体强度。
施工船只严禁靠近已下沉的钢管桩，避免出现偏移。
5.2.6平台联接系
全部平台钢管桩下沉到位，水上剪刀撑和水下铰接剪刀撑进行空间三角网格联结完成后，完成平台桩基联接系。
5.2.7顶横纵梁施工
桩基联接系施工完毕后按设计进行平台顶部横纵梁的铺设工作，测量人员准确对钻孔桩位放样，焊接设置型钢上下层钢护筒限位，两层之间距离为4m，限位型钢间距比钢护筒直径大4cm，这样可以保证钢护筒的倾斜率在1%之内。
两层限位型钢在平台上部和中部形成平面网格约束，完成板凳构造，加强整体稳定。
5.2.8稳定基础
钢管桩平台顶部重底部轻，所以平台顶部施工完成后马上在钢管桩内浇注1.5米高混凝土，予以配重稳定桩基，使平台底部扎根，加强其稳定性，减少水流和风对其影响。
5.2.9完成平台
铺设平台面板，完成围栏，进行安全防护，制作钻孔平台顶面其他附属设施。
5.2.10钻孔施工
平台搭设完成后马上进行钢护筒沉放施工，然后即开始钻孔作业。
施工过程中随时监测平台的位置变化，各剪刀撑和平联型钢的变形及焊口牢固性。
钻孔桩钢护筒位置稳定后和平台连接，增加平台整体稳定性。
在台风来临之前要完成至少两根钻孔灌注桩的施工，避免不必要损失。
6.主要材料和机械设备
表6-1主要施工周转材料表
名称
规格
计量单位
数量
备注
钢管桩
φ1200mm，б=12mm
m
128
从其它平台周转
工字钢
Ⅰ40a
m
350
从其它平台周转
工字钢
Ⅰ12a
m
765
从其它平台周转
木板
б=50mm
M2
240
从其它平台周转
安全网
机编网
M2
70
围栏立柱
φ32mm钢筋
m
40
表6-2主要机具设备表
序号
机械设备名称
规格型号
数量
产地
额定功率（KW）
备注
1
内燃空压机
VY-12/7
2台
上海
15
2
风镐
JE350
4台
浙江
1.5
3
回转式海吊
100吨
1
日本
4
发电机
D13-06611
2台
上海
150
5
电焊机
BX-500
6台
宁波
28.0
6
气割设备
CR-30
3套
宁波
7
冲击钻钻机
JK-5型
1台
洛阳
8
高压水泵
QY6-25/1.1
4台
上海
5.0
9
全站仪
TCCR702
2台
瑞士
10
混凝土导管
φ300
20m
洛阳
11
施工船
2
宁波
7．安全措施
针对该工程的规模和特点，以项目经理为首，由副经理、专职安全员、专业工程师及相关的管理人员组成安全保证体系。
认真贯彻执行安全责任制和各项规章制度，坚持经常性的施工安全教育、检查及监督指导。
安全目标：
施工期内达到无重大伤亡事故、无灾害工地，轻伤频率控制在3‰之内。
消防目标：
杜绝火灾发生，预防为主，防消结合。
保卫目标：
严防治安灾害事故的发生，确保工程顺利进行。
7.1根据海中平台施工的特殊性执行相应的安全技术规程，对施工班组进行交底、培训，并签订安全责任状，制定奖罚措施，责任到人；
7.2设立专职安全员进行跟班监控，发现隐患及时进行改正，并做好记录；
7.3平台施工人员必须穿救生衣、戴安全帽，高处施工佩戴安全带；
7.4平台临边、预留口应随时做好防护栏，防止发生坠海事件；
7.5严格用电操作规程，发现隐患及时处理，供电系统必须达到三级配电，二级保护。
现场所有机械棚要搭设严密，防止漏雨；机电设备要采取防雨、防淹措施；漏电接地保护装置应灵敏有效；定期、定人检查临电设施的绝缘状况，电源线是否有破损现象，发现问题做到及时处理。
配电箱内必须安装合格的漏电保护器，随时关好电箱门。
施工现场的机电设备做好零线及漏电断电包换装置。
施工临电所用电缆和电线要架空敷设，其绝缘保护层经常检查是否破损漏电；
7.6海吊有专人指挥，吊装前应对吊具进行检查，重点检查钢丝绳、吊钩是否磨损、变形达到报废标准，如有问题及时更换；
7.7严禁起重吊臂回旋半径内站人，物下站人或人员通行；
7.8现场配备灭火器、救生衣、救生圈等，以便应急处理；
7.9雷雨、大雾、五级以上大风应停止吊装和电焊作业，氧气、乙炔瓶存放距离应大于10m；
7.10特种工人应持证上岗。
专业工长必须进行分项施工前的技术交底和安全交底，并在日常施工中时时提醒，经常强调，以提高和加强施工人员的安全及自我防护意识。
7.11加强对施工人员的安全教育，做到安全三级交底，切实交底到人，不能只走形式，定期开展安全班组活动，并做好记录。
8．质量标准
8.1为了保证施工船只交叉作业，平台的搭设要进行统一组织安排；
8.2严格三检制度，换班或工序交接均按程序填写工序交接记录；
8.3对重点结构部位如钢管桩的竖直度、平面位置要多次测量复核，发现有超标的坚决不予沉放；
8.4钢护筒限位要严格按照标准制作，以满足倾斜率在1%之内；
8.5加强对潮汐变化的观测，并及时反馈计算，及时进行防护和补强处理；
8.6经常对钢管桩、剪刀撑和平联进行检查，如有变形，应及时更换，并分析原因，便于下步施工。
9.环保措施及文明施工
9.1环境保护及水土保持措施
施工中的环境保护和水土保持工作至关重要，我们将严格按照《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水土保持法》的要求，积极维护当地自然环境居民清洁适意的生活、劳动环境，最大限度地减少施工对自然生态的破坏，保护环境，防止水土流失，争创文明施工标准化工地，造福于千秋万代。
为此，制定如下措施：
9.1.1环境保护及水土保持管理体系
项目经理部由综合办公室分管施工环境保护工作。
进场后与地方政府环境保护机构联系，了解地方环保法规和对土建施工环境保护的具体要求，签定有关协议、制定报审具体办法。
施工中严格履行合同中对取弃土、排污等施工环境保护方面的承诺，任何时候都接受监理工程师、业主及地方政府环保机构工作人员的检查，执行其对环保工作的要求。
9.1.2环境保护及水土保持措施
设专人与业主及政府环保部门联系，结合施工的实际情况及国家和政府有关环境方面的法令法规制定环保与文明施工措施，不断提高全体参加人员的环保意识。
环境保护管理体系图如下：
图9.1.2-1环境保护管理体系图
9.1.3具体操作
1、项目部及施工队生活废水经下水道排放到挖好的污水窖中。
2、为降低噪声对周边居民的影响，本项目在居民区内产生噪音较大的工作安排在白天6点到18点进行。
3、海上施工严禁往水里抛弃任何废弃物，钻孔施工泥浆排放前，与海洋环境监测部门联系，由海洋环境监测部门指定泥浆排放位置，进行定点排渣，以减少钻孔施工对海洋环境的影响。
9.2文明施工、场容场貌及生活卫生措施
1、文明施工是在建工程综合素质考核的指标之一。
确定文明施工的目标，进行“创一流”的宣传教育，举办“双文明达标”活动。
2、建立文明施工组织机构，明确各部门人员的职责。
3、编制详尽的文明施工考核、管理办法和奖惩制度。
4、经常性检查，定期评比，奖惩分明，层层落实。
5、制定工地规则，包含安全防卫、工程安全、工地出入制度、环境卫生、防火措施、周围及近邻环境保护的附加规则；施工现场按章作业，布置有序，重要或特殊位置安装护栏、警告标志。
6、设备机具：
择优选购，按需配备；登记造册，定期检修；坏的封修，缺件补齐；妥善保管，正确使用；规矩摆置，标识清楚。
7、材料堆放场所：
设备机具整洁；材料分类摆放；危险品按安全要求存放并专人管理登记。
8、住宿场所及食堂：
整洁清新，雅致舒适，饮食卫生，饭菜可口。
9、对使用的工程机械和运输车辆安装消声器并加强维修保养，降低噪音。
夜间施工避免安排噪音很大的机械，以免影响附近居民的休息。
10、管理人员、施工人员：
着装规范、团结默契；行为文明，作风严谨；树立良好的形象。
10．效益分析
采用本工法施工较其他传统沉箱围堰或者筑岛围堰施工方便快捷，省去单独制作沉箱围堰或者筑岛围堰的费用约75万元；减少2/3的施工工期，节省设备租赁费用50万元；机具设备和施工人员需要的少，质量又有保证，无需潜水员帮助，节省施工费用约15万元，为项目部直接节约资金投入140万元。
施工平台所用钢管桩均为其它平台拆下的周转材料，无需另外投入，且可以完全回收，实现平台“零造价”，经济效益非常显著。
平台搭设方案新颖简单，施工工期短，工艺易于掌握；环保好无污染，无海内回填物，不破坏环境，有利于环境保护，具有极大推广价值，赢得了宁波市交通部门领导和业主、监理的一致好评，杭州湾大桥指挥部的专家也给与认可；在施工过程中宁波电视台、宁波日报、象山电视台、象山日报等多家媒体都对本桥进行了报道，取得了良好的社会效益。
本工法成功地解决了陡坡裸岩平台施工难题，为同类地质条件施工积累了宝贵经验，同时也增强了企业在桥梁施工领域的竞争能力，为承揽任务奠定了坚实基础。
11.应用实例
中铁十三局集团有限公司承建的三门口跨海大桥南门桥桥位处施工环境恶劣，水文、地形、地质、气象条件复杂，河床为南缓北陡的不对称“V”型谷，高程-1.5～-42米。
大桥19#墩位于南门水域陡坡裸岩处，距万金山南岸15～20米，水下地形为北高南低的陡坡，坡度超过45度，地面高程-7.5～-23.5米，水深从6.5m到22.5m渐变。
靠岸边基岩裸露，基岩为含角砾晶玻屑凝灰岩，岩石倾向与坡向一致，微风化基岩裂隙分布，岩石完整性差，强度高，是国内外少有的深海陡坡裸岩桩基础。
因桩位处坡度太大，基岩裸露，常规平台无法搭设；且筑岛围堰或沉箱围堰工程量巨大，需要投入大量资金，工期延长。
本工法利用水下铰接剪刀撑和空间三角网格联结法成功的将水中平台受到的水平力通过传力杆件传递给无水区水平承力系统，抵消了和基岩处于分离结构的水中平台受到的水平力，解决陡坡裸岩平台施工技术难题。
用Midas有限元分析程序建立三维模型，分两种工况进行检算：
一是平台完成施工工况，计算结果显示平台最外排桩发生整体位移4.9cm，其他依次减小，最大剪力为250.4kN，发生在无水区预埋桩底，最大应力33MPa，发生在预埋桩和平台桩的三角网格剪刀撑上；二是钻孔施工工况，通过计算平台的位移和上一工况基本相似，应力增大较多，为101MPa，亦出现在预埋桩和平台桩的三角网格剪刀撑上，其他构件的应力比此处小的多。
检算结果表明各构件的受力强度应变和应力均满足要求，水中平台的位移量也在规范范围之内。
在实际施工时把型钢传力杆件和钢管桩相联处进行了加强，并对平台各受力构件进行连续观测，水中平台最外侧位移为3cm，为弹性变性位移；各受力构件变形均为弹性变性，固结的焊口牢固，无开焊现象出现，水中平台安全可靠。
水中平台达到了预期平台搭设效果，很好的满足了桩基钻孔和承台施工作业，丰富了深水陡坡裸岩施工经验，为类似地质条件施工提供了很高的借鉴价值，可以推广和应用。
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