长周期波浅覆盖层无掩护海域离岸码头施工关键技术

岳新兴，江群龙

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

在长周期波海域，传统打桩船和码头施工船舶面临着有效施工窗口较短、定位困难等难题。国外有研究表明，在外海长周期波条件下非常不利于海上船舶施工作业，常规打桩船无法完成钢管桩基施工。例如，20世纪70、80年代，欧美一些国家以及日本就展开了对长周期波的观测，以及长周期波对于系泊船舶的影响研究。Ohshima K等认为30～300 s的长周期波通常会引起长时间的港内水面振荡，即使有波堤防护，也会干扰港口的正常装卸作业并造成缆绳的损坏。外海长周期波、海床浅覆盖层工况下码头工程施工一直是一项难题[1-8]。

本文以巴基斯坦中电胡布燃煤电厂煤码头工程为依托，通过开创性地引入桥梁施工中的“栈桥”工艺解决船舶无法施工问题，研发新型装配式导向架适应长周期波浅覆盖层条件下钢栈桥沉桩施工，研发新型步履式液压顶推平台设备和工艺，对季风期防波堤临时防护开展物模试验等研究，成功解决了长周期波浅覆盖层无掩护海域离岸码头施工的技术难题。

1 工程概况

1.1 工程简介

本项目煤码头位于巴基斯坦俾路支省HUB河口附近，为新建专用煤炭进口码头，设计煤炭通过能力为440万t/a，包括2个煤炭进口泊位、2个工作船泊位、引桥、引堤、防波堤等水工结构及公用工程设施，建设周期仅28个月。

码头采用高桩梁板结构，平面尺寸265 m×24 m，基础采用钻孔灌注桩，共34个排架，排架间距8 m，码头桩基总计136根，桩基直径1 350 mm；上部结构采用梁板结构，桩基上现浇横梁、安装纵梁，安装预制面板，现浇面层及磨耗层形成码头平台结构，码头前沿设橡胶护舷、爬梯和系船柱等，码头断面图见图1。

图1 码头纵断面布置Fig.1 Longitudinal section of jetty

防波堤全长727 m，顶面宽度为8.34～9.03 m，结构形式为堤心石+护底、护脚块石+块石垫层+CORE-LOCS块，典型断面图见图2。

图2 防波堤典型断面图Fig.2 Typical cross-section of breakwater

1.2 水文、气象和地质条件

本工程所处地区属于高温干燥的热带荒漠气候，夏天炎热潮湿，冬天温暖干燥，6—9月为季风期，受到西南季风的影响，海面波浪较大。年降雨量低于200 mm，且大部分发生在季风季节。

根据实测波浪资料，工程海域波浪有以下特点：1）季风期外海常浪向为SSW向，频率为75.56%；次常浪向为SW，频率为18.48%；强浪向为SSW向。有效波高平均值为3.13 m，最大值为5.38 m，对应波向为SSW，平均波浪周期在8～13 s。2）非季风期常浪向为SSW向，频率为34.48%；次常浪向为SW向，频率为28.87%；有效波高在0.6～1.2 m之间，平均周期在9～13 s之间。

工程海域岸线呈南北向，岸线顺直，-5 m等深线距离岸边约0.6 km，-10 m等深线距离岸边约1.6 km，海底地形较为平缓。大部分钻孔资料揭示基岩裸露，表层为棕黄色强风化砂岩，极软岩，局部有泥岩夹层。但少部分钻孔显示表层即为中风化砂岩，强度为25～27 MPa。

2 工程施工的重点与难点

1）中长周期波海况特征明显，传统的船舶施工工艺无法实施。根据本项目设计特点，水工结构常采用船舶施工工艺实施，但本项目直面阿拉伯海，每年5—9月中长周期波海况特征明显，即使非季风期波浪周期也很长，船舶在中长周期波水面耐波性差，晃动大，施工窗口期少，不能满足项目建设需要。

2）根据地质勘查报告，施工海域浅覆盖地层，无软质覆盖层，海床以砂泥岩为主，局部存在礁盘，码头钢护筒沉桩难度大。

3）施工时间短。根据项目进度要求2018年5月30日前，须完成1号泊位水工结构施工，同时防波堤须满足季风期临时防护要求，工期压力大。

3 施工关键技术

3.1 总体施工方案的创新

在中长周期波无掩护海域施工是国际上公认的难题，通过对施工海域过去10 a波浪及周期分析、沉桩可打性分析、施工船舶耐波性分析、施工船舶施工窗口期分析，以“水上船舶为主、陆上设备辅助”的传统码头施工方案难以实施。

为了克服工期和长周期波对船舶施工的影响，调整钢栈桥的布置方案，钢栈桥连接陆地，贯通到引桥、码头、防波堤，见图3，钢栈桥变“水上施工”为“陆上施工”。

图3 项目总体平面布置（m）Fig.3 General layout of project(m)

此创新方案的优点主要有以下方面：

1）长周期波海域，首次将传统桥梁施工中“钢栈桥”工艺嫁接离岸码头+离岸防波堤施工中，总体采用“双栈桥”工艺解决了船舶施工窗口期受限的问题。“双栈桥”提供了通畅的供给通道，创造了24 h作业条件。

2）临时钢栈桥连接所有主体工程结构，各主体工程结构可同步开展施工，减小工期压力。

3）离岸防波堤增加了施工作业面，防波堤施工由常规的水上船舶施工变为陆上施工为主，水上施工利用窗口期为辅的方案，进一步加快防波堤施工进度。

3.2 钢栈桥钢管桩施工导向架的设计与应用

钢栈桥沉桩常规导向架设计需满足施工方便，起到固定桩基桩位和垂直度即可，装配式悬臂导向架是最常规的，设计简单，导向架整体质量小，安装拆卸方便。

此导向架适应于海床有淤泥覆盖层，桩基靠自重能够插入一定深度的覆盖层，满足桩基桩位和垂直度的要求，对于本项目有长周期波裸岩条件，不能满足现场施工要求。

另外一种常规导向架就是放置在桥面板上的，依靠自身重量保持稳定，然后再依靠吊车配重，达到满足沉桩的要求。

此导向架自身结构和重量都比较大，而且刚度也能承受吊车的重量，对于本项目有长周期波裸岩条件，施工可行。其施工工艺比较复杂，需要分节安装，桩基沉设完成后，需要立即拆除，由于自身结构庞大，钢栈桥没有空间存放，需要转移离现场，施工进度缓慢。

为了满足施工速度快，钢栈桥能够有空间存放，避免施工转运、降低工效，且能够满足在长周期波浅覆盖层条件下进行钢管桩施工的导向架，经过研究分析，结合钢栈桥结构形式，设计了一种满足工期和自然施工条件的新型导向架，如图4所示。

图4 新型导向架示意图Fig.4 Schematic view of new guide frame

该导向架由4根H588型钢作为纵向主梁，悬挑结构。横向主梁为H400型钢，将导向架架在贝雷梁上，同时保证纵向主梁相对位置以及整体刚度。

该结构特点是型式简单，安装拆除方便，能抵抗外海无掩护强波对钢管桩造成的撞击力，能在浅覆盖层裸露礁石地质条件上稳固钢管桩，确保冲击锤沉桩时钢管桩垂直度，满足现场施工进度和质量安全。导向架可灵活施打6 m/9 m跨钢管桩。采用常规型钢，加工方便。自重18 t，整体装配，不占用场地，安拆快捷，是钢栈桥成功实施的关键。

3.3 步履式液压顶推施工平台的应用

常规的水上作业船舶在波作用下会出现强烈的纵向、横向运动响应，无法满足桩基定位的精度要求，而且在沉桩作业中多次发生由船体运动引起的“憋桩”事故，极大地制约了沉桩速度。为减小波对桩基施工作业的影响，本工程研发了步履式液压顶推平台作为钻孔桩施工平台，变水上桩基作业为陆上施工，提高了沉桩速度。

步履式液压顶推钻孔桩施工平台主要由顶推液压系统、作业钢平台两部分组成，见图5。液压顶推系统由12套分别布置于钢护筒桩顶的液压千斤顶组成；作业钢平台利用钢护筒作为支撑基础，由多种规格型钢组成，具有较好的刚度和强度。在保证平台自身稳定的同时，还可支撑150 t履带吊及SH360履带式旋挖钻机同步进行施工作业。顶推过程中，千斤顶在自动化系统控制下精确实现平台的垂向顶升及水平顶推运动，一次顶推过跨时间不大于24 h。顶推平台主要性能参数见表1。

图5 步履式液压顶推钻孔桩施工平台Fig.5 Pile driving platform with walking hydraulic jacking

表1 顶推平台主要性能参数Table 1 Main performance parameters of pile driving platform with hydraulic jacking

该平台是集护筒施打、钻孔、钢筋笼下放和桩基浇筑于一体的多功能施工平台，平台消除了波对沉桩的影响，作业窗口期从允许波高Hmax＜0.5 m提高到Hmax＜4.2 m，显著增加了施工窗口；钻打结合的施工能力克服了不利地质的影响，高效地将护筒施打到位；全液压移动式导向系统和桩顶支撑配套装置解决了海浪条件下护筒施工的稳定性问题。平台采用计算机集中控制，实现了自动化的平台空间姿态调整和桩基施工，施工效率是常规工艺的2.5倍。

3.4 防波堤季风期临时防护方案设计与研究

本项目防波堤在2018年5月30日前需具备临时防护条件，否则因季风期的到来，整条堤都将面临被冲毁的风险。临时防护方案首先应保证结构能平稳度过季风期，又需考虑后续移除工作的便利性。

根据项目进度结合海域风浪条件，利用物理模型对未成型断面临时防护施工技术展开研究。以5 a一遇设计波浪为基准，优化施工顺序和防护方案。经过季风期，防波堤结构安全稳定，季风期后临时防护拆除方便快捷。

4 结语

在长周期波浅覆盖层无掩护海域短期内新建一座离岸码头（防波堤），传统的施工方法已不再适用。项目实施过程中，首次开创性地将传统桥梁施工“钢栈桥”工艺嫁接离岸码头+离岸防波堤施工中，总体采用“双栈桥”工艺解决船舶施工窗口期受限问题。针对长周期波、裸岩条件下钢栈桥桩基施工研发新型装配式导向架，充分适应海域“半日潮”的水文特点，快速进行钢栈桥桩基施工；研发了新型步履式液压顶推设备和工艺，具备实施护筒施打、旋挖钻孔及混凝土浇筑等一体化功能，解决了外海长周期波水域常规船舶无法施工钻孔灌注桩的技术难题。针对季风期强波条件下防波堤临时防护物模试验研究，有效保证防波堤未成型断面跨季风期的结构稳定，解决了防波堤跨季风期后复工慢、返工成本大的问题。

上述关键技术的成功应用，解决了工程的实际技术难题，降低了施工风险，确保了施工精度，达到了“安全、优质、高效、创新”的工程目标，形成了一套长周期波浅覆盖层无掩护海域离岸码头成套建设技术，为后续类似条件外海施工码头施工积累了宝贵经验，具有重要的借鉴意义。