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海上钻孔平台设计与施工
1 D13号墩钻孔平台设计
1) 设计思路
利用钢管桩及钢护筒共同作为钻孔施工钢平台的支撑。首先沉放钢管桩形成起始平台, 然后利用该平台作为钢护筒下沉测量控制以及先期下沉的钢护筒的依托。利用设置在定位船上的导向架沉放钢护筒, 将已经沉放的钢护筒与起始平台连接, 步步为营, 稳扎稳打, 沉放所有钢护筒, 施工剩余的钢管桩, 最终形成钢平台。利用钢管桩及钢护筒共同作为钻孔施工钢平台的支撑, 有助于提高平台结构的整体稳定性, 对于保证钻孔桩施工质量和安全是十分有利的。
由于本标段离岸线较远, 且施工条件复杂, 为尽量减少恶劣天气对施工的不利影响, 在D13号平台上布设泥浆制备处理设施、 发电机组及储油设施、 压缩空气供应设施、 现场物资仓库等, 将本标段施工人员办公生活设施放置在”长旭号”平台上, 将D13号墩及”长旭号”平台共同作为本标段水上施工基地。
当前, 正在进行13#主墩钢平台优化设计。
2) 设计条件
① 水文条件( 见表 1) :

钻孔平台设计水文条件表 表 1
序号
设计参数
取值20年一遇
1
设计高潮位
＋5.30m( 20年一遇)
2
设计低潮位
－3.56m( 20年一遇)
3
设计水流速
3.24m/s( 20年一遇)
4
冲刷深度
5.0m( 维护后的冲刷深度)
5
设计风速
30.7m/s( 30年一遇)
6
设计波高
3.92m( 20年一遇H13%)

② 其它设计参数
其它设计参数表 表 2
序号
分项参数
取值
1
平台顶标高
钻孔施工平台为+7.0m; 两端的辅助平台为+9.22m;
2
钢护筒
护筒总长52.0m, 一次性施沉 重量约72t, 采用2台ICEV360型液压振动锤并联运行施沉, 设计激振力7200KN, 导向架定位导向;
3
起重设备
平台上下游共布置2台WD70桅杆吊;
4
钻机荷载
施工平台考虑4台Ø 3.0m钻机同时作业, 钻机隔孔布置, 单台钻机重量1200KN, 考虑冲击系数1.3 ;
5
平台均载
按10KN/m2考虑;
6
船舶荷载
两侧各系泊2艘1000t级驳船, 靠船力各取30t, 其余船舶靠抛锚定位作业。

3) 平台结构型式
平台基础采用Ø1500×16mm钢管桩以及Ø3100×18mm钢护筒作为支撑, 钢管桩桩顶标高为+7.0m, 钢护筒顶标高为+7.0m。上下游平台的上部结构采用贝雷桁架经过牛腿与钢管桩连接, 标高－1.0m处用Ø800×10mm钢管作为下层平联。所有构件之间的连接均采用焊接方式。
平台结构型式如图 1。
4) 钻孔平台平面布置
D13号墩钻孔平台平面布置见图 2, D13号墩钻孔桩施工平面布置见图 3。
2 D11、 D12和14号墩钻孔平台设计参数
1) D11号墩设计参数:
D11号墩设计参数表 表 3
序号
分项参数
取值
1
起重设备
平台上布置1台WD70桅杆吊( 或一台250t-m的塔吊) ;
2
钻机荷载
考虑2台Ø3.0m钻机作业, 单台重量1200KN, 冲击系数1.3 ;
3
船舶荷载
系泊1艘1000t级驳船, 靠船力取30t。

图 1 D13号墩钻孔平台立面结构示意图( 单位: mm)

图 2 D13号墩钻孔平台平面布置图1

图 3 D13号墩钻孔平台平面布置图2

2) D12、 14号墩设计参数:
D12、 14号墩设计参数表 表 4
序号
分项参数
取值
1
起重设备
平台上布置2台WD70桅杆吊;
2
钻机荷载
施工平台考虑2台Ø 3.0m钻机同时作业, 钻机隔孔布置, 单台重量1200KN, 冲击系数1.3 ;
3
船舶荷载
系泊1艘1000t级驳船, 靠船力取30t。
D11、 D12和14号墩平台结构型式分别见图 4、 图 5。

图 4 D11号墩钻孔平台结构示意图( 单位: mm)

图 5 D12和14号墩钻孔平台结构示意图( 单位: mm)

3 钻孔平台施工
”海力801”进行钢管桩沉放, ”苏连海起8号”进行钢护筒沉放, ”向阳6号”100t起重船进行上部结构安装。
1) 施工工艺流程
打桩船抛锚定位→沉放钢管桩→安装起始平台上、 下层平联→定位船、 起重船抛锚定位→沉放钢护筒→定位船、 起重船移位→连接钢护筒与起始平台→沉放其余钢护筒同时焊接护筒之间的平联→沉放其余钢管桩→安装桅杆吊→平台面板安装→钢平台施工完毕。
2) 钢管桩制作、 运输
钢管桩在加工场地制作好后, 驳船运输至施工现场。
3) 钢管桩沉放
钢管桩沉放分两个部分进行, 首先沉放起始平台的钢管桩, 其余部分钢管桩待钢护筒沉放完毕后再行施打。
钢管桩沉放前根据桩位图计算每一根桩中心平面坐标, 直桩直接确定其桩中心坐标, 斜桩经过确定一个断面标高后, 再计算该标高处钢管桩的中心坐标, 同时确定好沉桩顺序, 防止先施打的桩妨碍后续的桩施工。利用桩船上配置的打桩定位仪测量定位沉桩。

沉桩施工要点及注意事项:
① 打桩船利用船载GPS定位测量系统测量进行初步定位, 启动调平系统调平船体, 然后经过调整锚定系统, 将打桩船船精确定位在桩位上;
② 为确保沉桩质量, 钢管桩沉入施工应选择在天气情况较好期间进行;
③ 钢管桩平面位置偏差应不大于±15cm, 垂直度应控制在1/100以内;
④ 应尽量使船体与水流方向一致, 以提高钢管桩的定位精度;
⑤ 沉放钢管桩时应防止船体挤靠已沉钢管桩, 并防止锚缆挂靠钢管桩;
⑥ 已沉放好的桩应按设计要求及时连接, 尽量缩短单桩抗流时间。
4钢护筒沉放
1) 钢护筒结构
钢护筒直径为3.1m, 采用厚18mm的钢板卷制拼焊而成。护筒底标高-45. 0m, 顶标高+7.0m, 全长52.0m。单根钢护筒重约72t。
为了保证钢护筒的沉放精度, 因此采用整根吊装并沉放的方法施工。
2) 护筒制作及运输
① 材料
钢护筒材质为Q235A。手工焊焊条采用J422焊条, 埋弧自动焊焊丝采用H08A, 焊剂采用HJ431。钢材和焊接材料均应有质保证书和出厂材质证明;
② 护筒制作、 运输方案
钢护筒由有资质的专业钢结构加工厂制作。首先在车间内制成10m长的标准节段, 用拖车运至加工厂江边码头, 进行接长, 然后用100t浮吊装船运至施工现场。
③ 划线、 号料和切割
a、 划线和号料应根据工艺要求预留制作和电焊收缩的余量、 以及切割、 开坡口等加工余量;
b、 号料前应验明材料规格, 钢材型号。合理排料, 提高材料利用率;
c、 气割前应将钢材切割区域表面的铁锈, 污物等清除干净, 气割后应清除熔渣和飞溅物;
d、 号料时划出检查线及中心线、 弯曲线, 并注明接头处的字母及焊缝代号等。
④ 矫正
a、 在环境温度低于–12℃时不能进行冷矫正和冷弯曲;
b、 矫正时的加热温度控制在700~800℃, 矫正后必须缓慢冷却;
c、 矫正后的钢材表面, 不应有明显的凹面或损伤。划线痕深度不得大于0.5 mm。
⑤钢板边缘加工
a、 钢板边缘加工的切削量不应小于2 mm;
b、 采用数控切割机进行下料、 开坡口, 边缘加工允许偏差直线度为l/3000且不大于2mm;
c、 对接接头安装错边量允许偏差为t/10, 且不大于3mm, 对接接头间隙允许偏差为±1mm;
d、 焊缝坡口的尺寸应按工艺要求进行, 坡口角度允许偏差为±5°, 留根允许偏差为±1mm, 间隙允许偏差为±1mm。
⑥卷板工艺
a、 卷板前应熟悉图纸、 工艺、 精度、 材料性能等技术要求;
b、 检查钢板的外形尺寸, 坡口的形式与尺度, 装配及焊接收缩余量和样板的正确性, 以及检查划制的板料中心线、 检验线的正确性等;
c、 对中: 将四面开好坡口的板料置于卷板机上滚弯时, 为了防止歪扭, 应将板料对中, 使板料的纵向中心线与轴轮线保持严格的平行, 并用挡板挡紧;
d、 板料位置对中后, 一般采用多次进给法滚弯调节上轮( 在三轮卷板机上) 使板料发生初步的弯曲, 然后来回滚动而弯曲。当板料移至边缘时, 检查所划的检验线的位置是否正确, 然后逐步压下上滚轮并来回滚动, 使板料的曲率半径逐渐减小, 达到规定的要求。;
e、 在卷板时, 由于钢板的回弹, 卷圆时必须施加一定的过卷量, 在达到所需的过卷量后, 还应来回多卷几次;
f、 卷弯进程中, 应不断用样板检验弯板两端的半径。
⑦单件组装
a、 单件组装前应对部件的尺寸检查合格; 连接接触面和沿焊缝边缘每边30~50 mm范围内的铁锈、 毛刺、 污垢等应清除干净;
b、 钢护筒壳板纵向接逢的装配采用在筒身的纵向接逢的两边对应处分别焊上几对角钢, 用螺栓调节;
c、 纵向板边错位的装配: 采用在筒身纵向接逢的一边焊上┌形铁扣紧调控另一边, 直径对齐。纵缝调平见图 7。

图 7 纵缝调平示意图

图 8 单向推撑器示意图

d、 局部椭圆度装配
在钢护筒内壁径向布置一组或多组单向推撑器, 具体位置视钢护筒局部椭圆度而定, 采用调节螺栓控制钢护筒的椭圆度。单向推撑器见图3.1.8。
e、 各吊装段均应在旋转胎架上安装, 定位焊接前, 应按图纸及工艺要求检查焊件的几何尺寸、 坡口尺寸、 根部间隙、 焊接部位的清理情况等, 如不符合要求, 不得进行定位焊。定位焊不得有裂缝、 夹渣、 焊瘤、 焊偏、 弧坑未填满等缺陷。如遇定位焊开裂, 必须查明原因, 清除开裂焊缝, 并在保证构件尺寸的条件下作补充定位焊。
f、 定位焊所用焊条的型号应与正式焊接所用的型号相同, 焊接高度不超过设计焊接高度的2/3, 长度以40mm为宜, 间隔不大于400mm, 并应由具有焊接合格证的工人操作。
⑧装配
a、 将各拼装好的钢板钢护筒吊至总装胎架上进行总装。总装胎架采用滚轮式, 各钢护筒件可在上面转动, 每个胎架设四个轮子为一组。小合拢时可用二组胎架进行, 当大合拢时要有三组进行。钢护筒节段总装配见图 9。

图 9 钢护筒节段总装配图

b、 用”马”板在钢护筒内进行定位
先用”马”板12块沿大接逢圆周相互间隔300进行马板定位。”马”板的尺度采用厚30 mm, 长600 mm, 宽250 mm, ”马”板采用双面角焊缝焊在钢护筒内侧。然后进行定位焊, 最后进行环缝的焊接工作。每个钢护筒的纵向接逢线应相互错开, 间距不小于1100 mm。钢护筒环缝定位见图 10。

图 10 环缝”马”板定位示意图
⑨焊接工艺
a、 钢板在焊接时, 不但要考虑外界的温度, 而且还应考虑焊件的厚度。
b、 在施焊前焊条应按要求进行烘焙。焊丝应除净锈蚀和油污。
c、 焊工必须持有合格证后方可施焊, 合格证中应注明焊工的技术水平及所能担任的焊接工作, 如停焊时间超过半年以上应重新考核。
d、 施焊前焊工应复查组装质量和焊缝坡口区两侧的清理情况, 如不符合要求, 应清理合格后方可施焊。施焊完后应清除熔渣及金属飞溅物。
e、 多层焊接应连续施焊, 其中每一层焊道焊完后应及时清理焊渣, 如发现有影响焊接质量的缺陷, 必须清除后再焊。
f、 严禁在焊缝区以外的母才上打火引弧。
g、 纵向对接焊缝应在焊件的两端临时配置引弧板和熄弧板, 其材质、 板厚及坡口型式与焊件相同, 当施焊完成后用气割切除并修磨平整, 不得用锤击落。
h、 焊接完毕后, 用机械方法或火焰方法进行校正。
i、 钢护筒上口与端头处接口, 以及部分厚板采用V型坡口。
j、 钢护筒环缝焊接
将已卷成型的钢护筒吊放在特制的环缝焊接台架上, 见图 11。

图 11 钢护筒环缝焊接胎架示意图

对于V型焊接坡口外部焊缝时, 将焊接平台调节到顶部, 自动焊机放在焊接平台上, 使焊丝对准钢护筒的中心线上, 焊机不动钢护筒旋转, 即可进行焊接。当焊接V型坡口内部电焊时, 先炭刨清根出白, 然后将胎架旋转90度, 并将焊机平台移至下方伸进钢护筒内, 焊机不动, 由钢护筒旋转, 然后进行内环缝焊接。
k、 护筒纵缝焊接
将护筒的纵缝方向与焊接平台吊臂方向相一致, 使钢护筒不转, 由自动焊机行走, 完成外部纵向焊缝。在焊接内部清根后的纵缝时, 同样将焊接平台架移至下方, 伸进钢护筒, 由焊机自动行走, 完成内部纵向焊缝。
⑩钢护筒加工允许偏差
a、 板厚18mm钢护筒体卷圆后, 应用样板进行检查, 在任何20°圆弧内, 钢护筒的局部允许偏差为板厚的10%, 最大偏差不得超过厚度的12%。
b、 钢护筒直径允许偏差如下:
OD (max.)- OD (min.) ≤ 0.3% of Dnom
OD (max.)- OD (min.) ≤ 20 mm
OD = 任意位置处的外直径
t = thictness 厚度
Dnom = nominal diameter 公称直径
c、 钢护筒体端面的倾斜度最大允许偏差为△f=3mm。
d、 钢护筒纵轴线弯曲失高不大于护筒长的0.1%, 并不得大于30cm。
3) 钢护筒沉放
钢护筒拟采用300t苏连海起重8号( 或相同性能) 作为起重设备, 利用安装在海力808定位船上的定位导向架整根沉放。苏连海起重8号外形见图 12, 性能参数见表 5。
苏连海起重8＃性能参数表 表 5
船体尺寸及机组性能
船体尺度( m)
重载吃水( m)
排水量
( t)
输出功率
( kW)
总长
型宽
型深
2.32
58.86
27
4.8
2888
820
起重性能
吊幅( m)
10
20
28
35
40
最大起重量( t)
300
150
100
50
15
起升高度( 钩头至水面) ( m)
68
62
53
40
31

①施工工艺流程
钢护筒采用导向架定位导向, 振动锤振动下沉。单根钢护筒沉放工艺流程如下:
导向架安装→定位船、 起重船抛锚定位→护筒吊入导向架→测量校核→振动下沉。
②振动锤选择
按激振力P＞1.3×土的动摩阻力R:
公式: P＞1.3R = 1.3×Kl×Ll×U×τl
Ll: 护筒在不同土层中的入土深度( L1＝45－11.7＝33.3m) ;
U: 护筒周边长度( U=3.1×3.1416×2＝19.48m) ;
Kl: 土层液化系数;
τl: 不同土层的平均单位摩阻力;
经计算得: P＞1.3R＝6345KN
根据计算结果, 选用2台ICEV360液压振动锤并联使用能够满足施工要求, 2台ICEV360液压振动锤并联示意见图3.1.13。ICEV360型液压振动锤的技术参数见表 6。

单台ICEV360振动锤性能参数表 表 6
ICEV360振动锤基本参数
振动锤外形尺寸( mm)
动力柜外形尺寸( mm)
重量( kg)
长
宽
高
长
宽
高
振动锤
动力柜
液压头
3607
660
2515
4724
2083
2440
16363
11000
1700
机械性能
偏心力矩
最大激振力
最大上拔力
系统振幅
功率
150kg.m
3600kN
16363N
2.1mm
990HP/2100RPM

由于设计护筒壁厚仅为18mm, 与直径比值达到1/172, 超过规范1/120要求, 建议本桥永久性钢护筒采用25mm壁厚。
③钢护筒定位导向架
定位导向架采用钢桁结构, 安装在海力808号方驳的船尾甲板上, 导向架总高度10.0m, 分为上下两层, 甲板以上9.0m, 甲板以下1.0m, 侧面为开口结构, 浮吊将钢护筒从开口处吊入导向架之后, 利用I56 工字钢封口。而且顶口限位能够向后滑移, 以便将钢护筒沉放至设计标高。钢护筒导向架结构见图 14。

图: 14 钢护筒导向架结构示意图( 单位: cm)
④ 护筒沉放精度及保证措施
a 、 沉放精度
以标高控制为主, 严格控制垂直度
标高: ≯±20cm;
平面位置偏差: ≯±10cm;
倾斜度偏差: ≯1/200;
b、 保证措施
b-1、 导向架具有足够的刚度, 能够满足水流流速1.5m/s, 7级风力作用时沉放钢护筒的使用要求,设置上下2层导向架, 长度分别为9.0m和1.0m, 增大护筒下沉导向长度。
b-2、 尽量选择在天气比较好并在高平潮的时段施沉钢护筒。
b-3、 定位船具有良好的稳定性, 能保证护筒在施沉过程中不发生位移变化
b-4、 已沉放好的钢护筒应按设计要求与起始平台或已沉钢护筒及时连接, 步步为营,稳扎稳打, 尽量缩短单根护筒抗流时间, 防止发生偏位。
b-5、 振动锤安装要求有足够的精度, 底座基本水平, 误差不得大于2mm, 防止出现过大的偏心振动,开始振动时应先点振, 待护筒进入土层一定深度且完全起振后, 方可连续振动下沉, 振动下沉过程中应对护筒垂直度进行监测, 利用导向架及时进行纠偏。
5 平台处海底维护
考虑到墩位处海底在施工期间会发生冲刷, 因此采用边施工边维护的方法对墩位处海底进行抛填维护。具体做法如下: 起始平台施工完毕就开始对海底进行抛护, 当每根钢护筒沉放而且与已经形成的平台牢固连接后, 利用作业船( 配备起重设备的多功能作业船) 配合运砂船只进行抛填维护, 抛填时将砂袋用网兜装载, 然后用吊机吊至需要抛填的位置进行集中抛填。

6 平台上设施设备安装
D13号墩平台上设施设备包括: 起重设备、 供电系统、 压缩空气供应站、 泥浆配制及循环系统等。
1) 起重设备
D13号墩平台上共安装2台WD70桅杆吊及一台简易钢筋笼下放门架, 主要完成施工材料的转运、 下放钢筋笼、 混凝土浇注和移动钻机等起重作业。
D12、 14号墩平台上各安装2台WD70桅杆吊;
D11号墩平台上安装1台WD70桅杆吊;
2) 供气、 供电设备
a、 供电
D13号墩平台上布置6×400KW发电机组: 每台钻机配备一台发电机, 两台桅杆吊配备一台发电机, 照明及电焊等配备一台发电机, 另外12#墩应配备三台发电机, 两台钻机, 7台400KW发电机组。这样能够减小由于供电系统带来的施工风险。
b、 压缩空气供应
D13号墩考虑在平台上安装2×40＋2×20m3/min、 排气压力为1.2MPa的电动空压机集中供气, 在平台钢面板下沿上下游方向布设供气管道, 设置钻机用气接入口。其余墩由于钻机数量相对较少, 每台钻机配备一台空压机供气。
c、 钻孔泥浆制备及供应
为减小钢平台面积, 降低施工过程中的风险, 钻孔泥浆的制备依然采取护筒内造浆的施工工艺, 在钻孔过程中随时检测出浆口及进浆口的泥浆技术指标, 随时调整泥浆技术指标, 确保泥浆的质量。
为确保开钻瞬间护筒内能及时补充泥浆, 防止泥面急剧下降, 将钻孔作业的护筒与周围2～3根护筒用钢管连通, 作为泥浆循环回路的一部份。
浇注混凝土过程中溢出的可回收使用的泥浆, 用引流槽引流至正在钻孔作业的护筒内循环使用或未开钻的护筒内储备。溢出的质量较差的不能回收利用的泥浆引流至运浆船, 然后运输到指定地点处理后排放。
d、 钻渣出运设施
为保持钻孔平台清洁, 减小钻渣出运对钻孔作业的干扰, 经泥浆处理器分离出的钻渣, 用溜槽和平台面板下面的皮带运输机输送至运输驳船上, 然后运输至指定的地点处理;
3.7钻孔平台防撞措施
钻孔平台形成后为确保施工安全, 应按相关法律法规要求及时设置安全警示标志, 并在平台四周设置防撞装置。
a、 根据施工作业要求, 确定施工占用水域, 依据相关程序上报, 由航道管理部门发布航行通报, 并设置航标灯;
b、 依据相关规定在作业船舶和平台上设置障碍物夜间警示灯;
c、 在平台两侧设置防撞桩和靠船桩。