惡劣海況下裝配化暴露試驗(yàn)站施工關(guān)鍵技術(shù)

曹林祥，陳小龍，2，3，4*，謝德寬，5

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040；5.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241001）

在海洋環(huán)境中建立腐蝕試驗(yàn)站進(jìn)行自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，是目前世界上普遍采用的有效腐蝕研究方法。通過自然暴露試驗(yàn)臺(tái)可以掌握不同材料在海洋環(huán)境中的腐蝕過程和腐蝕機(jī)理，為工程防腐設(shè)計(jì)和材料在海洋環(huán)境下的使用壽命或壽命預(yù)測(cè)提供合理可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)[1-3]。

發(fā)達(dá)的海洋國(guó)家普遍重視暴露試驗(yàn)研究，建有一系列目的不同的暴露試驗(yàn)站，有的已累計(jì)了30 余a 的研究數(shù)據(jù)[4-6]。我國(guó)起步較晚，以杭州灣跨海大橋暴露試驗(yàn)站為例，設(shè)計(jì)使用年限50 a，承載平臺(tái)與樁基礎(chǔ)之間采用抱箍連接，使用5 a后技術(shù)人員進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防腐狀況檢查，發(fā)現(xiàn)主梁、螺栓、螺帽、鋼格柵、爬梯、欄桿等構(gòu)件涂層破壞嚴(yán)重。

從杭州灣跨海大橋暴露試驗(yàn)站使用情況來看，防腐蝕問題尤其重要，腐蝕后結(jié)構(gòu)更換困難。常規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)焊接、抱箍螺栓連接等措施在海水的銹蝕作用下易導(dǎo)致連接失效，帶來安全隱患。

本文結(jié)合舟岱大橋暴露試驗(yàn)站的設(shè)計(jì)、施工，介紹一種裝配式施工工藝，探討惡劣海況環(huán)境下暴露試驗(yàn)站施工的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及控制要點(diǎn)，提出了裝配式暴露試驗(yàn)站施工的關(guān)鍵創(chuàng)新技術(shù)，可為今后類似工程提供參考和借鑒。

1 技術(shù)難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

本項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)主要體現(xiàn)在2 個(gè)方面：一是惡劣的水文條件造成的，常規(guī)的焊接式平臺(tái)水上作業(yè)多、速度慢、施工風(fēng)險(xiǎn)較大；二是海洋腐蝕環(huán)境特性對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接、抱箍連接等易造成連接失效，帶來安全隱患。

針對(duì)以上技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，一方面從設(shè)計(jì)、施工角度出發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量減少暴露試驗(yàn)站現(xiàn)場(chǎng)焊接量，加快施工速率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)；另一方面從結(jié)構(gòu)防腐蝕角度出發(fā)，焊接盡量在后場(chǎng)完成，減少暴露試驗(yàn)站拼裝完成后補(bǔ)涂油漆量，因現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件較差，補(bǔ)涂油漆質(zhì)量差，難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 暴露試驗(yàn)站方案比選

暴露試驗(yàn)站由樁基礎(chǔ)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成，后者可采用現(xiàn)場(chǎng)單部件拼裝方式或后場(chǎng)一體化加工2 種施工方式。結(jié)合本工程特點(diǎn)，對(duì)兩種方案進(jìn)行比選，見表1。采用后場(chǎng)一體化施工方式更加適合本工程，可盡可能利用短窗口期完成施工。

表1 暴露試驗(yàn)站施工方式對(duì)比Table 1 Comparison of construction methods of exposure test station

3 暴露試驗(yàn)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)前寧波舟山港主通道工程建設(shè)進(jìn)展，依托臨近北通航孔橋的A 組試樁平臺(tái)建設(shè)暴露試驗(yàn)站，暴露試驗(yàn)站共設(shè)3 層平臺(tái)，從上至下分為浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和水下區(qū)。利用北通BT3 承臺(tái)設(shè)置暴露試驗(yàn)站大氣區(qū)，北通BT2 承臺(tái)設(shè)置鋼支架，用于暴露試驗(yàn)研究工作。試驗(yàn)站位置見圖1。

圖1 暴露試驗(yàn)站選址位置圖Fig.1 Location map of exposure test station

3.1 設(shè)計(jì)條件選取

暴露試驗(yàn)站設(shè)計(jì)條件取值如下：潮位、流速按100 a 一遇取值，設(shè)計(jì)高潮位+3.56 m，設(shè)計(jì)低潮位-2.41 m，設(shè)計(jì)流速2.42 m/s；臺(tái)風(fēng)期最大風(fēng)速v=39.4 m/s，波浪H=5.04 m，T=7.1 s；暴露試驗(yàn)站所處位置泥面高程-16.1 m，考慮5 m 設(shè)計(jì)沖刷深度，沖刷后泥面標(biāo)高-21.1 m。

3.2 暴露試驗(yàn)站結(jié)構(gòu)

依托臨近北通航孔橋的A 組試樁平臺(tái)建設(shè)暴露試驗(yàn)站，暴露試驗(yàn)站結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即樁基礎(chǔ)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系。試驗(yàn)站總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。樁基礎(chǔ)采用已完成打設(shè)的A 組試樁平臺(tái)的4 根錨樁、2 根基準(zhǔn)樁和1 根試樁，7 根樁基礎(chǔ)鋼管規(guī)格均為φ1 600 mm×22 mm；上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系主要由φ1 800 mm×22 mm 鋼套管、套管之間2HM588×300 連接主梁、主梁間HN500×200 連接次梁以及鋼格柵、爬梯、護(hù)欄等附屬設(shè)施組成；樁基礎(chǔ)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系之間通過在鋼套管與鋼管樁之間灌漿連接限位。

圖2 暴露試驗(yàn)站示意圖Fig.2 Schematic diagram of exposure test station

根據(jù)橋址區(qū)潮位及波高將暴露試驗(yàn)站試驗(yàn)平臺(tái)分為水下區(qū)-3.100 m、水位變動(dòng)區(qū)+0.500 m、浪濺區(qū)+3.108 m，以此來設(shè)置3 層擱置平臺(tái)標(biāo)高（大氣區(qū)設(shè)置在BT3 承臺(tái)上，標(biāo)高+6.700 m）。

3.3 有限元模擬分析

本計(jì)算采用Midas Civil 有限元分析軟件，對(duì)各不利工況下的結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行分析。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)對(duì)重要性較低的零部件進(jìn)行了一定程度簡(jiǎn)化，采用Beam 單元。鋼管樁在嵌固點(diǎn)處固結(jié)，梁系與鋼管之間固結(jié)。

計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果Table 2 Simulation results

上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系均采用Q235B 材料，仿真計(jì)算結(jié)果均在最高標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，總體位移與應(yīng)力滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

4 暴露試驗(yàn)站總體施工工藝

暴露試驗(yàn)站上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系重189 t，在后場(chǎng)整體制作、驗(yàn)收合格后船運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，通過起吊船舶進(jìn)行整體吊裝施工?？傮w施工工藝見圖3。

圖3 暴露試驗(yàn)站總體工藝流程圖Fig.3 The overall process flow of the exposure test station

4.1 暴露試驗(yàn)站上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系制作

在進(jìn)行上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系制作前，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已施工的A 組試樁平臺(tái)鋼管樁樁位中心相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)平面位置（鋼套管）適當(dāng)調(diào)整，確保鋼套管與鋼管樁能良好匹配。

鋼結(jié)構(gòu)的制作要滿足圖紙和技術(shù)規(guī)范要求，全過程包括材料的采購及復(fù)驗(yàn)，焊接工藝評(píng)定，分段劃分，鋼材預(yù)處理，放樣、下料、加工，分段制造，內(nèi)場(chǎng)吊運(yùn)、翻身，二次除銹、涂裝、工廠預(yù)組裝等過程。

4.2 暴露試驗(yàn)站安裝

4.2.1 填芯混凝土施工

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為了增加結(jié)構(gòu)整體剛度，在7 根樁基礎(chǔ)鋼管樁內(nèi)澆筑填芯混凝土。鋼管樁填芯混凝土填筑底面高程為-9.000 m，泥面低于-9.000 m 時(shí)回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，泥面高于-9.000 m時(shí)吸泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

4.2.2 上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系吊裝施工

起重船通過絞錨慢慢移位，平臺(tái)基本移位到樁頂正上方后，通過2 根纜風(fēng)繩的牽動(dòng)、船機(jī)左右移動(dòng)和扒桿轉(zhuǎn)向變幅，使每根鋼套管孔基本對(duì)準(zhǔn)每根樁頭，平臺(tái)緩緩下放，必要時(shí)通過纜風(fēng)繩進(jìn)行調(diào)節(jié)、定位。當(dāng)平臺(tái)將要下至設(shè)計(jì)標(biāo)高，即頂層平臺(tái)將要抵達(dá)鋼管樁頂時(shí)，平臺(tái)通過預(yù)先安裝好的導(dǎo)向裝置就位，此時(shí)鋼套管的中心與鋼管樁的中心相重合，測(cè)量校核滿足要求后立即加固，平臺(tái)加固好后起重船方可脫鉤。

4.2.3 平臺(tái)加固及灌漿連接

上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系吊裝就位后，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙采用多功能作業(yè)船進(jìn)行加固連接。

加固完成后，采用攪拌船對(duì)鋼套管與鋼管樁之間進(jìn)行灌漿連接。

4.2.4 附屬設(shè)施安裝及犧牲陽極安裝

灌漿連接完成后進(jìn)行固定支架、鋼筋籠、欄桿、航標(biāo)燈等附屬設(shè)施安裝施工，并對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)以及試驗(yàn)平臺(tái)涂層破損情況進(jìn)行排查及修補(bǔ)，最后完成陽極安裝。

5 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及應(yīng)用

常規(guī)的海上暴露試驗(yàn)站平臺(tái)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)已較為成熟，不少文獻(xiàn)已給出沿海暴露試驗(yàn)站的選址原則和設(shè)計(jì)方法等[7-8]。本文結(jié)合項(xiàng)目自身特點(diǎn)和難點(diǎn)，在部分構(gòu)造和工藝上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，應(yīng)用效果較好。

5.1 設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新

結(jié)合本項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，針對(duì)本工程惡劣海況條件以及海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)防腐要求，傳統(tǒng)的焊接式、抱箍連接式平臺(tái)已不能滿足施工需求，經(jīng)對(duì)比、分析研究，裝配式平臺(tái)作為施工方案首選。

根據(jù)裝配式平臺(tái)施工理念，將本項(xiàng)目暴露試驗(yàn)站結(jié)構(gòu)分為兩部分，即樁基礎(chǔ)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系。樁基礎(chǔ)和上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系之間通過在鋼管樁與鋼套管之間灌漿完成連接。與常規(guī)的水上平臺(tái)相比，本裝配式暴露試驗(yàn)站平臺(tái)具有易施工、風(fēng)險(xiǎn)小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；由于減少了大量的水上焊接作業(yè)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)、確保了施工質(zhì)量。

5.2 灌漿連接技術(shù)的應(yīng)用

灌漿連接是本項(xiàng)目的一種新型連接技術(shù)。針對(duì)惡劣海況下的建設(shè)條件，借鑒海上風(fēng)電平臺(tái)施工技術(shù)，最終確定對(duì)本項(xiàng)目鋼管樁和平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)體系鋼套管之間采取灌漿連接方式，見圖4。

圖4 鋼管樁和鋼套管灌漿連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting connection between steel pipe pile and steel casing

吊裝暴露試驗(yàn)站平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)體系前，預(yù)先在鋼管樁上對(duì)應(yīng)于鋼套管設(shè)計(jì)底標(biāo)高處設(shè)置灌漿用底托板，底托板通過鉤筋或鋼絲繩懸掛在鋼管樁上。平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)體系吊裝到位，頂層平臺(tái)主梁擱置于錨樁頂上，提拉鉤筋或鋼絲繩，使灌漿用底托板貼緊鋼套管底部，防止灌漿時(shí)漏漿。

灌漿連接效率高，連接可靠，且整個(gè)過程不損壞平臺(tái)上已涂覆油漆，確保了裝配式平臺(tái)施工工藝的實(shí)施。

5.3 靠船裝置

暴露試驗(yàn)站靠船裝置用于試驗(yàn)及日常檢修船舶停靠使用，因受船舶撞擊易導(dǎo)致變形、油漆剝落進(jìn)而腐蝕，其更換頻率較一般構(gòu)件快。

本項(xiàng)目靠船裝置采用抱箍連接形式，見圖5。

圖5 靠船裝置設(shè)置示意圖Fig.5 Schematic diagram of docking device setting

抱箍與鋼套管之間設(shè)置10 mm 橡膠皮，避免船舶撞擊導(dǎo)致涂層破損；抱箍圈靠船側(cè)設(shè)置橡膠護(hù)舷，橡膠護(hù)舷與抱箍之間通過支撐板和不銹鋼螺栓連接。

抱箍式靠船裝置的優(yōu)點(diǎn)在于受船舶撞擊后不損壞平臺(tái)鋼套管上已涂覆油漆，且自身變形、腐蝕后更換較方便。

6 結(jié)語

寧波舟山港主通道舟岱大橋暴露試驗(yàn)站因惡劣海況條件以及海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)防腐要求，施工技術(shù)難度較大。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)、施工要求的深入研究，采用了一體式裝配化設(shè)計(jì)理念以及灌漿連接新工藝，順利完成暴露試驗(yàn)站的建設(shè)，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，確保了施工質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)施工預(yù)期。建設(shè)過程中創(chuàng)新并實(shí)踐的施工工藝，可為類似工程的施工提供參考和借鑒。