海島地區(qū)跨海橋梁工程施工難點(diǎn)分析與對(duì)策
——以平潭公鐵兩用大橋施工為例

李籌勝 陳云洲 陳汭 陳潔 丁振宙

(南京市河海大學(xué) 江蘇南京 210000)

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

福州至平潭鐵路北接合福和向蒲鐵路，再自福州站引出，經(jīng)鼓山、福州南、長樂、松下至平潭島，線路全長88.433km。劃分為4個(gè)標(biāo)段，中鐵大橋局施工范圍為3標(biāo)段。

中鐵大橋局施工標(biāo)段——平潭海峽公鐵兩用大橋,從海門隧道出口下海，依次途經(jīng)人嶼島，跨越元洪航道和鼓嶼門水道，再通過長嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達(dá)大練島，全長11.15km。

1.2 橋式布置

平潭海峽公鐵兩用大橋，跨越元洪航道、鼓嶼門航道、大小練島航道3條航道，航道橋均采用鋼桁混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)，其他區(qū)域如深水高墩區(qū)采用跨度80(88)m簡支鋼桁梁、淺水及陸地高墩區(qū)采用跨度48m預(yù)應(yīng)力混凝土梁、島上低墩區(qū)采用跨度40m預(yù)應(yīng)力混凝土梁,全橋共168孔。

1.3 航道橋主塔

元洪航道橋、鼓嶼門水道橋和大小練島水道橋的主塔均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔高分別為200m，158m和152m。

1.4 航道橋主墩承臺(tái)

航道橋主塔墩基礎(chǔ)，采用直徑4.0m、4.5m大直徑鉆孔樁，具體布置如圖1所示[1]。

圖1 航道橋主墩承臺(tái)布置圖

1.5 橋梁基礎(chǔ)

全橋共169個(gè)墩，水中墩130個(gè)(占總墩數(shù)77%),主要采用樁基礎(chǔ)，鉆孔樁總數(shù)為1895根，其中4.5m樁50根，4m樁144根，3m樁418根，2.2m樁257根，2m樁954根，1.5m樁72根[1]。

2 施工難點(diǎn)分析

2.1 氣象環(huán)境惡劣

工程區(qū)域?yàn)榈湫偷暮Ｑ笮约撅L(fēng)氣候，風(fēng)向季節(jié)性變化明顯，且穩(wěn)定，年最大風(fēng)頻是NNE和NE向，均為26%，次大風(fēng)為SW向(9%)。大風(fēng)日數(shù)主要集中在10月～次年2月，占全年的50%左右。根據(jù)工程區(qū)域附近自動(dòng)氣象站與平潭氣象站同期觀測的對(duì)比結(jié)果，對(duì)平潭不同重現(xiàn)期10min平均最大風(fēng)速進(jìn)行修正，得出橋址工程區(qū)域年平均風(fēng)速6.9m/s，百年重現(xiàn)期10min平均最大風(fēng)速44.8m/s，參考數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣象部門橋址處風(fēng)力統(tǒng)計(jì)資料

全年6級(jí)以上大風(fēng)及天數(shù)達(dá)到310天左右，7級(jí)以上大風(fēng)及天數(shù)200天左右，施工過程中的抗風(fēng)問題突出。提高施工效率和降低安全風(fēng)險(xiǎn)難度大。

2.2 水文條件惡劣

經(jīng)計(jì)算分析，橋址區(qū)平均海平面為+0.25m，長嶼島以北海域100年一遇H1%波高為9.69m，周期10.8s，浪向?yàn)镋和ENE向；10年一遇H5%波高為6.35m。長嶼島以南海域100年一遇H1%波高為3.09m，周期10.8s，浪向?yàn)镋和ENE向；10年一遇H5%波高為2.38m。人嶼島至長嶼島間海域100年一遇設(shè)計(jì)流速為2.66m/s，20年一遇流速2.52m/s，流向?yàn)?2°和222°。長嶼島至小練島間海域100年一遇設(shè)計(jì)流速為3.09m/s，20年一遇流速2.95m/s，流向?yàn)?1°和231°。小練島至大練島間海域100年一遇設(shè)計(jì)流速為2.23m/s，20年一遇流速2.09m/s，流向?yàn)?0°和250°。

全橋長11149.7m，97%處于海域中海況環(huán)境惡劣、風(fēng)暴潮，及經(jīng)常出現(xiàn)的潮流強(qiáng)度大、波浪力大，海上施工結(jié)構(gòu)及設(shè)施、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工難度大。

2.3 地質(zhì)情況復(fù)雜

(1)海床面多為傾斜光板巖或淺薄覆蓋層，鉆孔樁鋼護(hù)筒插打困難，易造成護(hù)筒底口卷邊、凹陷，回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開孔困難,橋址區(qū)內(nèi)的基巖以花崗巖、流紋巖和火山角礫巖為主，巖石強(qiáng)度高達(dá)213MPa。

(2)橋位孤石密布,直徑從2m到10多米不等，埋置深度從海床表面到海床以下20m左右，從而為埋設(shè)大直徑鋼護(hù)筒帶來困難。

(3)海床巖面傾斜大，強(qiáng)度高，大直徑鉆孔樁同一孔位范圍巖面高差可達(dá)3m～4m，巖層橫斷面軟硬不均，造成鉆孔時(shí)偏鉆斜孔。

(4)全風(fēng)化巖或砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化巖遇水后快速失去強(qiáng)度，地層不穩(wěn)定，易造成塌孔、漏漿等，引發(fā)護(hù)筒掉落傾斜，處理困難，鉆孔工效低[1]。

2.4 總工程量大、有效作業(yè)時(shí)間短、施工工效低

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況統(tǒng)計(jì)，2014年～2016年5月共計(jì)29個(gè)月(882天)中，7級(jí)及以上大風(fēng)天數(shù)占87%，8級(jí)及以上大風(fēng)天數(shù)占67%，涌浪2.5m以上天數(shù)49%，實(shí)際施工天數(shù)282d，僅占總天數(shù)32%，表2為設(shè)計(jì)氣象資料與實(shí)際資料對(duì)比數(shù)據(jù)。

表2 設(shè)計(jì)調(diào)查氣象資料與現(xiàn)場實(shí)際統(tǒng)計(jì)對(duì)照

總工期66個(gè)月。FPZQ-3標(biāo)計(jì)劃開工日期2013年11月1日，計(jì)劃竣工日期2019年4月30日。其中，平潭海峽公鐵兩用大橋總工期54個(gè)月，2018年4月30日完成，2018年5月1日進(jìn)入鋪軌、四電工程施工、聯(lián)調(diào)聯(lián)試等后續(xù)工作，工程總數(shù)量大，工程數(shù)量如表3所示[1]。

2.5 橋址附近施工用地資源匱乏

由于福建沿海地區(qū)山多地狹，平原土地資源匱乏，導(dǎo)致橋位處碼頭和周邊場地嚴(yán)重限制，施工材料運(yùn)輸儲(chǔ)存、施工場地布置困難，致使施工場地布置分散零碎，不利于集中生產(chǎn)管理，鋼結(jié)構(gòu)加工場地布置如表4所示。

3 對(duì)策與措施

3.1 針對(duì)施工環(huán)境惡劣的對(duì)策

(1)增加施工機(jī)械，租借當(dāng)?shù)氐暮Ｉ献鳂I(yè)船只，表5為租借各打樁船參數(shù)。

表3 主體工程及大臨工程工程數(shù)量表

表4 平潭橋鋼結(jié)構(gòu)加工場地布置表

表5 各打樁船參數(shù)表

(2)雙線施工

平潭海峽公鐵兩用大橋起于長樂市松下鎮(zhèn)，從松下港規(guī)劃的山前作業(yè)區(qū)與牛頭灣作業(yè)區(qū)之間入海，經(jīng)人嶼島，跨越松下港區(qū)進(jìn)港航道(即元洪航道)和鼓嶼門水道，再依次通過長嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達(dá)大練島，再跨越北東口水道上平潭島，大橋全長約16.338km。而施工作業(yè)時(shí)間短，為了工程高效有序的進(jìn)行故而在每兩島之間采用雙線施工技術(shù)以確保工程按時(shí)完成。對(duì)于雙線施工，以西礁(小練島西側(cè)，福州方向)-大練島橋段為例，施工以東礁(小練島東側(cè)，平潭方向)為中間點(diǎn)，向西礁與大練島方向施工，同時(shí)西礁與大練島向東礁方向施工，大大縮短工期。

(3)提高海上施工最大風(fēng)力限制

根據(jù)《建設(shè)工程施工現(xiàn)場安全防護(hù)、場容衛(wèi)生及消防保衛(wèi)標(biāo)準(zhǔn)》(DB11/945-2012)規(guī)定，陸地施工條件為風(fēng)力小于六級(jí)方能進(jìn)行施工作業(yè)[2]，對(duì)于海上施工，考慮到海洋這一特殊的施工環(huán)境，為了確保海面施工作業(yè)的進(jìn)行，將施工風(fēng)力條件限制提升到八級(jí)，為此加強(qiáng)起重等設(shè)備的強(qiáng)度，完善安全措施和管理制度，同時(shí)編制防臺(tái)應(yīng)急預(yù)案，并按規(guī)定演練。對(duì)于移動(dòng)模架現(xiàn)澆施工，遇8級(jí)以上風(fēng)力時(shí)，停止混凝土澆筑。

3.2 針對(duì)橋址附近施工用地資源匱乏的對(duì)策

3.2.1加設(shè)海上生產(chǎn)生活區(qū)

(1)生活區(qū)布置

根據(jù)項(xiàng)目沿線地形地貌概況，在橋梁起點(diǎn)位置附近(松下鎮(zhèn)下水洋)設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理部主辦公生活區(qū)。由于起點(diǎn)位置地形起伏較大，部分場地需進(jìn)行大量的挖、填方及場地整平工作。長嶼島、小練島設(shè)分辦公生活區(qū)。

(2)生產(chǎn)區(qū)布置

根據(jù)橋梁主體結(jié)構(gòu)形式和施工方法，分別在松下鎮(zhèn)下水洋、長嶼島、小練島上設(shè)置混凝土攪拌站、鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋加工車間，公路混凝土橋面板及鐵路道砟槽板預(yù)制場設(shè)置在長嶼島、小練島上。主航道橋斜拉橋鋼桁梁和80m、88m鋼桁結(jié)合梁在制造廠采用節(jié)段或整孔制造，海運(yùn)至架設(shè)位置。

(3)施工船舶避風(fēng)錨地

施工水域由于強(qiáng)風(fēng)和熱帶氣旋影響較為頻繁，生產(chǎn)調(diào)度室安排專人定時(shí)收聽氣象臺(tái)氣象預(yù)報(bào)，根據(jù)氣象臺(tái)提供的預(yù)報(bào)風(fēng)力、船舶抗風(fēng)等級(jí)、風(fēng)期長短等信息，在附近水域面選擇合適的避風(fēng)錨地避風(fēng)。

a)完善生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)各排水系統(tǒng)，保持各排水系統(tǒng)通暢。

b)各種施工船舶應(yīng)根據(jù)氣象臺(tái)的預(yù)報(bào)風(fēng)力、風(fēng)期長短以及本船舶的抗風(fēng)能力加固錨纜，綁扎易動(dòng)構(gòu)件，檢查船上救生設(shè)備，選派專業(yè)人員晝夜值班。

c)架梁吊機(jī)移至索塔處或就地錨固；

d)利用減振動(dòng)繩，控制斜拉索振動(dòng)；

(4)混凝土攪拌站配置

項(xiàng)目部分別在長樂岸、人嶼島、海中平臺(tái)、長嶼島、小練島和大練島上布置6座混凝土工廠，同時(shí)配置2艘海上混凝土工作船，進(jìn)行混凝土施工供應(yīng)?；炷翑嚢枵?、生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)布置圖如圖2所示。

圖2 海上混凝土攪拌站、生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)布置圖

4 結(jié)語

通過平潭公鐵兩用跨海大橋的例子可以看出，跨海大橋或是其他海上大型工程存在許多影響工程施工的因素，對(duì)此相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施應(yīng)從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，文中所舉的平潭公鐵兩用跨海大橋是利用海域周邊資源以減少預(yù)算，該工程的成功也為未來跨海大橋的建設(shè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。