巴西圣路易斯港大潮差水上地勘钻孔简易平台方案

朱立志，衣鹏飞

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武汉 430000)

1 工程概况

巴西圣路易斯港项目位于巴西东北部马拉尼昂州首府圣路易斯市。项目为多用途散货码头，拟新建4个泊位。包括粮食装船泊位1个(18万t级)、化肥卸船泊位1个(4.5万t级)、液体油品卸船泊位1个(8万t级)和纸浆装船泊位1个(6.5万t级)。

码头结构概念设计为离岸式高桩梁板式结构，T型布置，双侧靠船，引桥长约1085 m，宽约22 m；码头长约600 m，宽约42 m。项目初步设计阶段，应水工设计单位要求，需要对项目码头及引桥区域进行地勘钻孔。码头区域13个孔位，引桥区域10个孔位，总计23个孔位。

2 项目前期资料

本项目附近约600 m处，有以前的地勘资料。考虑地层连续，项目所在地的覆盖层厚度预估为4～5 m，下部为工程性质较好的砂层或岩层。

2.1 水文条件

2.1.1 水深

本项目参考基面为Zero DHN(巴西当地的一种高程体系)。本项目前期有水深图，码头纵断面的平均泥面标高为-22～-24 m。

2.1.2 潮差

项目所在区域潮汐为规则半日潮，平均潮差4.6 m，最大潮差可达7.4 m。潮差不超过5.5 m约占全年75%。

2.1.3 潮位分布

最高潮位HAT：+7.10 m；大潮平均高水位MHWS：+6.30 m；平均高水位MHW：+5.00 m；平均水位MWL(MSL)：+3.40 m；平均低水位MLW：+1.80 m；大潮平均低水位MLWS：+0.60 m；最低天文潮HAT：-0.30 m

2.1.4 波浪及流速

项目所在地波浪波高约为1.1 m，周期6 s。水流平均速度为1.5 m/s，最大流速为2.5 m/s。

2.2 地勘辅助设备情况

地勘单位现有船舶设备有平板驳船36 m长，14 m宽；JACK-UP船18 m长，5.7 m宽，有效工作水深不超过9 m；小型拖轮一艘；交通小船一艘。

地勘现有JACK-UP船工作能力受限，只能在引桥段对水深不超过9 m左右的区域进行地勘钻孔工作。

由于现场水文条件较差，无法使用现有平板驳船直接进行地勘钻孔作业。

因此，结合安全可靠、保证质量、施工便捷可行、造价节省等原则，提出了一种简易的单桩平台方案，用于码头区域和引桥深水区域进行地勘钻孔作业。

3 平台设计

3.1 平台介绍

平台采用钢护筒(钢管桩)作为支撑，带四根锚缆保证其稳定，上部采用可整体吊装的工作平台。此设计方案主要有以下几点考虑：

(1)上部工作平台应满足地勘钻孔作业空间需求，采用6.5 m边长的正方形钢结构平台，四周用1.5 m高护栏保证安全。

(2)为方便现有设备操作，上部工作平台需要整体吊装，与钢护筒连接方式考虑为抱箍连接。

(3)地勘钻孔作业在钢护筒内部进行操作，可避免水文条件对作业的影响。

(4)钢护筒采用液压振动锤进行沉设，嵌入深度只有4～5 m左右厚度的覆盖层内，对地勘结果影响不大，可以不予考虑。其结构简图如图1。

3.2 结构稳定计算

3.2.1 计算条件

根据水文条件以及钻孔要求，平台几何尺寸如下。

(1)工作平台标高按+6.5 m考虑。

(2)钢护筒采用直径1.8 m，壁厚12.7 mm，参照ASTM A36；长度按35 m考虑。

(3)拉锚缆绳采用钢丝绳；钢丝绳与钢护筒夹角不小于47°，固定点位于平台下方3 m位置。

(4)海底标高按-24 m考虑，钢护筒按入覆盖层4.5 m，下部按着岩考虑。

图1 平台简图

3.2.2 荷载情况

根据经验及项目前期资料，荷载情况如下。

(1)工作平台为钢结构，加上钻孔设备以及操作人员，荷载按15 t考虑。

(2)水流荷载按平均流速1.5 m/s，最大流速按2.5 m/s考虑。

(3)偶然荷载，考虑船舶贴靠，按25 kN考虑。

(4)钢护筒底部考虑铰接。

(5)风载影响较小，不考虑。

3.3 施工实际情况

平台安装过程中，锚块的相对位置对平台的稳定影响较大。假定如下6种布置见图2(第一排从右到右分别为布置1、2、3，第二排从左到右分别为布置4、5、6，荷载均从图示左侧施加)。

图2 锚块的不同布置

3.4 计算结果

(1)钢护筒顶部位移情况。计算钢护筒顶部位移结果：布置1到布置6， 钢护筒顶最大位移分别为89 mm、 118 mm、 197 mm、89 mm、135 mm、252 m。

钢护筒顶部(即工作平台)最大位移出现在锚块的第6种布置，约为25 cm。

(2)钢护筒应力情况。计算钢护筒应力结果：布置1到布置6，钢护筒最大应力分别为23 MPa、23 MPa、24 MPa、23 MPa、24 MPa、25 MPa。

钢护筒最大应力出现在锚块的第6种布置，约为25 MPa。

(3)钢护筒端承力大小。计算钢护筒端承力大小结果如下：布置1到布置6，钢护筒最大端承力分别为521 kN、566 kN、591 kN、565 kN、596 kN、663 kN。

钢护筒最大端承力出现在锚块的第6种布置，约为66 t。

(4)拉索受拉力大小。 计算拉索受拉力结果如下：布置1到布置6，拉索最大受拉力分别为151.9 kN、161.7 kN、186.4 kN、107.3 kN、146.5 kN、179.8 kN。

拉索受最大拉力出现在锚块的第3种布置，约为18.6 t；在锚块的第6种布置中，拉索拉力约为18 t。

3.5 计算结果分析及材料选型

(1)工作平台的位移。平台最大位移约为25 cm，位移较大。但考虑到本平台为临时工程，此位移大小对地勘钻孔工作影响较小，可以接受。

(2)钢护筒。按计算结果，钢护筒按当地经验可选为ASTMA36，直径1.8 m，壁厚12.7 mm，长度为35 m。钢护筒应力满足要求。

钢护筒底部荷载66 t，因模型考虑为下部着岩，下部荷载满足要求。施工过程中，选择合适的振动锤，以贯入度为标准进行沉桩标高控制：如实际钢护筒嵌入度较大，则只需要增加钢护筒的长度即可；如实际嵌入度不够，则需要重新建模进行计算。

(3)锚块。钢索最大拉力为18.6 t，可选锚块重量20 t。锚块选用预制混凝土方块。

(4)钢索。锚块重20 t，考虑安装过程中起吊，钢索最大拉力按20 t。按照《建筑施工手册》，钢索作吊索用，安全系数取5。钢丝绳的破断拉力取20×5=100 t。

3.6 施工注意事项

按照计算结果，在平台施工过程中应注意以下几点：保证钢护筒的嵌入深度；保证钢护筒的垂直度；降低锚块的布置偏差等。

4 平台施工

4.1 平台安装及拆除

(1)锚块沉放。根据地勘平面布置，考虑现场水流条件，对锚块进行定位并布置。锚块沉放由方驳上的200 t吊车进行沉放。钢丝绳上部系浮筒标记位置。

(2)钢护筒沉设。方驳端侧焊接龙口。钢护筒定位后，用200 t吊车吊液压振动锤对钢护筒进行沉放。沉放过程保证垂直度与钢护筒嵌入深度。

(3)拉锚。待钢护筒沉放完成后，用拖轮将钢丝绳牵引至钢护筒处进行连接，束紧。

(4)上部工作平台吊装。上部工作平台放置于平板驳上。由200 t吊车进行吊装。

(5)地勘设备吊装。地勘设备放置于平板驳上。由200 t吊车吊致工作平台上。进行地勘钻孔工作。

(6)平台拆除。待一个孔位地勘工作完成后，按安装顺序进行逆序拆除。并移位到下一个孔位，重复上述操作。

(7)平台作业效果。平台安装及拆除简单便捷，提高了地勘作业的速度。通过监测，地勘作业过程中平台稳定，基本不受水文条件的影响，目前已顺利地完成了所有水上地勘钻孔工作。

4.2 平台分析

(1)平台优点。平台结构简单，造价节省，平台施工容易，对船机设备需求不高。地勘作业过程中，水文条件对地勘作业影响小。

(2)平台不足。平台结构需要钢护筒有一定的嵌入度，对覆盖层较薄的区域不适用。钢护筒嵌入部分，对地质有扰动，该部分地勘结果准确性受影响。钢护筒要有一定的嵌入深度，嵌入深度不够，对平台稳定性影响较大，所以该平台不适合无覆盖层或覆盖层较小的区域；钢护筒的嵌入深度会影响平台的高度，平台也不适宜覆盖层变化较大的区域。

(3)改进及推广。考虑到覆盖层变化较大的区域，可使用钢护筒接长装置。但平台稳定性需要重新核算。

考虑到文中锚块布置6中，各项计算结果(位移、应力、拉力)均偏大，条件合适的情况下可将4个锚块增加至5个锚块，均匀布置，增加其稳定性，降低风险。

5 结语

本平台是基于特定条件下而设计的简易工作平台，适用于船机设备不充裕、潮差变化大、有一定覆盖层区域的水上地勘工作。平台结构简单，造价节省，但平台使用范围较为局限。通过拓展思路，结合实际情况，平台有望在其它领域得以使用，为解决不利条件的方案提供参考。