巴西圣路易斯港大潮差水上地勘鉆孔簡(jiǎn)易平臺(tái)方案

朱立志，衣鵬飛

(中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

巴西圣路易斯港項(xiàng)目位于巴西東北部馬拉尼昂州首府圣路易斯市。項(xiàng)目為多用途散貨碼頭，擬新建4個(gè)泊位。包括糧食裝船泊位1個(gè)(18萬(wàn)t級(jí))、化肥卸船泊位1個(gè)(4.5萬(wàn)t級(jí))、液體油品卸船泊位1個(gè)(8萬(wàn)t級(jí))和紙漿裝船泊位1個(gè)(6.5萬(wàn)t級(jí))。

碼頭結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)為離岸式高樁梁板式結(jié)構(gòu)，T型布置，雙側(cè)靠船，引橋長(zhǎng)約1085 m，寬約22 m；碼頭長(zhǎng)約600 m，寬約42 m。項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)階段，應(yīng)水工設(shè)計(jì)單位要求，需要對(duì)項(xiàng)目碼頭及引橋區(qū)域進(jìn)行地勘鉆孔。碼頭區(qū)域13個(gè)孔位，引橋區(qū)域10個(gè)孔位，總計(jì)23個(gè)孔位。

2 項(xiàng)目前期資料

本項(xiàng)目附近約600 m處，有以前的地勘資料。考慮地層連續(xù)，項(xiàng)目所在地的覆蓋層厚度預(yù)估為4～5 m，下部為工程性質(zhì)較好的砂層或巖層。

2.1 水文條件

2.1.1 水深

本項(xiàng)目參考基面為Zero DHN(巴西當(dāng)?shù)氐囊环N高程體系)。本項(xiàng)目前期有水深圖，碼頭縱斷面的平均泥面標(biāo)高為-22～-24 m。

2.1.2 潮差

項(xiàng)目所在區(qū)域潮汐為規(guī)則半日潮，平均潮差4.6 m，最大潮差可達(dá)7.4 m。潮差不超過5.5 m約占全年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

項(xiàng)目所在地波浪波高約為1.1 m，周期6 s。水流平均速度為1.5 m/s，最大流速為2.5 m/s。

2.2 地勘輔助設(shè)備情況

地勘單位現(xiàn)有船舶設(shè)備有平板駁船36 m長(zhǎng)，14 m寬；JACK-UP船18 m長(zhǎng)，5.7 m寬，有效工作水深不超過9 m；小型拖輪一艘；交通小船一艘。

地勘現(xiàn)有JACK-UP船工作能力受限，只能在引橋段對(duì)水深不超過9 m左右的區(qū)域進(jìn)行地勘鉆孔工作。

由于現(xiàn)場(chǎng)水文條件較差，無(wú)法使用現(xiàn)有平板駁船直接進(jìn)行地勘鉆孔作業(yè)。

因此，結(jié)合安全可靠、保證質(zhì)量、施工便捷可行、造價(jià)節(jié)省等原則，提出了一種簡(jiǎn)易的單樁平臺(tái)方案，用于碼頭區(qū)域和引橋深水區(qū)域進(jìn)行地勘鉆孔作業(yè)。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)介紹

平臺(tái)采用鋼護(hù)筒(鋼管樁)作為支撐，帶四根錨纜保證其穩(wěn)定，上部采用可整體吊裝的工作平臺(tái)。此設(shè)計(jì)方案主要有以下幾點(diǎn)考慮：

(1)上部工作平臺(tái)應(yīng)滿足地勘鉆孔作業(yè)空間需求，采用6.5 m邊長(zhǎng)的正方形鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，四周用1.5 m高護(hù)欄保證安全。

(2)為方便現(xiàn)有設(shè)備操作，上部工作平臺(tái)需要整體吊裝，與鋼護(hù)筒連接方式考慮為抱箍連接。

(3)地勘鉆孔作業(yè)在鋼護(hù)筒內(nèi)部進(jìn)行操作，可避免水文條件對(duì)作業(yè)的影響。

(4)鋼護(hù)筒采用液壓振動(dòng)錘進(jìn)行沉設(shè)，嵌入深度只有4～5 m左右厚度的覆蓋層內(nèi)，對(duì)地勘結(jié)果影響不大，可以不予考慮。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

3.2.1 計(jì)算條件

根據(jù)水文條件以及鉆孔要求，平臺(tái)幾何尺寸如下。

(1)工作平臺(tái)標(biāo)高按+6.5 m考慮。

(2)鋼護(hù)筒采用直徑1.8 m，壁厚12.7 mm，參照ASTM A36；長(zhǎng)度按35 m考慮。

(3)拉錨纜繩采用鋼絲繩；鋼絲繩與鋼護(hù)筒夾角不小于47°，固定點(diǎn)位于平臺(tái)下方3 m位置。

(4)海底標(biāo)高按-24 m考慮，鋼護(hù)筒按入覆蓋層4.5 m，下部按著巖考慮。

圖1 平臺(tái)簡(jiǎn)圖

3.2.2 荷載情況

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目前期資料，荷載情況如下。

(1)工作平臺(tái)為鋼結(jié)構(gòu)，加上鉆孔設(shè)備以及操作人員，荷載按15 t考慮。

(2)水流荷載按平均流速1.5 m/s，最大流速按2.5 m/s考慮。

(3)偶然荷載，考慮船舶貼靠，按25 kN考慮。

(4)鋼護(hù)筒底部考慮鉸接。

(5)風(fēng)載影響較小，不考慮。

3.3 施工實(shí)際情況

平臺(tái)安裝過程中，錨塊的相對(duì)位置對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定影響較大。假定如下6種布置見圖2(第一排從右到右分別為布置1、2、3，第二排從左到右分別為布置4、5、6，荷載均從圖示左側(cè)施加)。

圖2 錨塊的不同布置

3.4 計(jì)算結(jié)果

(1)鋼護(hù)筒頂部位移情況。計(jì)算鋼護(hù)筒頂部位移結(jié)果：布置1到布置6， 鋼護(hù)筒頂最大位移分別為89 mm、 118 mm、 197 mm、89 mm、135 mm、252 m。

鋼護(hù)筒頂部(即工作平臺(tái))最大位移出現(xiàn)在錨塊的第6種布置，約為25 cm。

(2)鋼護(hù)筒應(yīng)力情況。計(jì)算鋼護(hù)筒應(yīng)力結(jié)果：布置1到布置6，鋼護(hù)筒最大應(yīng)力分別為23 MPa、23 MPa、24 MPa、23 MPa、24 MPa、25 MPa。

鋼護(hù)筒最大應(yīng)力出現(xiàn)在錨塊的第6種布置，約為25 MPa。

(3)鋼護(hù)筒端承力大小。計(jì)算鋼護(hù)筒端承力大小結(jié)果如下：布置1到布置6，鋼護(hù)筒最大端承力分別為521 kN、566 kN、591 kN、565 kN、596 kN、663 kN。

鋼護(hù)筒最大端承力出現(xiàn)在錨塊的第6種布置，約為66 t。

(4)拉索受拉力大小。 計(jì)算拉索受拉力結(jié)果如下：布置1到布置6，拉索最大受拉力分別為151.9 kN、161.7 kN、186.4 kN、107.3 kN、146.5 kN、179.8 kN。

拉索受最大拉力出現(xiàn)在錨塊的第3種布置，約為18.6 t；在錨塊的第6種布置中，拉索拉力約為18 t。

3.5 計(jì)算結(jié)果分析及材料選型

(1)工作平臺(tái)的位移。平臺(tái)最大位移約為25 cm，位移較大。但考慮到本平臺(tái)為臨時(shí)工程，此位移大小對(duì)地勘鉆孔工作影響較小，可以接受。

(2)鋼護(hù)筒。按計(jì)算結(jié)果，鋼護(hù)筒按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)可選為ASTMA36，直徑1.8 m，壁厚12.7 mm，長(zhǎng)度為35 m。鋼護(hù)筒應(yīng)力滿足要求。

鋼護(hù)筒底部荷載66 t，因模型考慮為下部著巖，下部荷載滿足要求。施工過程中，選擇合適的振動(dòng)錘，以貫入度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沉樁標(biāo)高控制：如實(shí)際鋼護(hù)筒嵌入度較大，則只需要增加鋼護(hù)筒的長(zhǎng)度即可；如實(shí)際嵌入度不夠，則需要重新建模進(jìn)行計(jì)算。

(3)錨塊。鋼索最大拉力為18.6 t，可選錨塊重量20 t。錨塊選用預(yù)制混凝土方塊。

(4)鋼索。錨塊重20 t，考慮安裝過程中起吊，鋼索最大拉力按20 t。按照《建筑施工手冊(cè)》，鋼索作吊索用，安全系數(shù)取5。鋼絲繩的破斷拉力取20×5=100 t。

3.6 施工注意事項(xiàng)

按照計(jì)算結(jié)果，在平臺(tái)施工過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：保證鋼護(hù)筒的嵌入深度；保證鋼護(hù)筒的垂直度；降低錨塊的布置偏差等。

4 平臺(tái)施工

4.1 平臺(tái)安裝及拆除

(1)錨塊沉放。根據(jù)地勘平面布置，考慮現(xiàn)場(chǎng)水流條件，對(duì)錨塊進(jìn)行定位并布置。錨塊沉放由方駁上的200 t吊車進(jìn)行沉放。鋼絲繩上部系浮筒標(biāo)記位置。

(2)鋼護(hù)筒沉設(shè)。方駁端側(cè)焊接龍口。鋼護(hù)筒定位后，用200 t吊車吊液壓振動(dòng)錘對(duì)鋼護(hù)筒進(jìn)行沉放。沉放過程保證垂直度與鋼護(hù)筒嵌入深度。

(3)拉錨。待鋼護(hù)筒沉放完成后，用拖輪將鋼絲繩牽引至鋼護(hù)筒處進(jìn)行連接，束緊。

(4)上部工作平臺(tái)吊裝。上部工作平臺(tái)放置于平板駁上。由200 t吊車進(jìn)行吊裝。

(5)地勘設(shè)備吊裝。地勘設(shè)備放置于平板駁上。由200 t吊車吊致工作平臺(tái)上。進(jìn)行地勘鉆孔工作。

(6)平臺(tái)拆除。待一個(gè)孔位地勘工作完成后，按安裝順序進(jìn)行逆序拆除。并移位到下一個(gè)孔位，重復(fù)上述操作。

(7)平臺(tái)作業(yè)效果。平臺(tái)安裝及拆除簡(jiǎn)單便捷，提高了地勘作業(yè)的速度。通過監(jiān)測(cè)，地勘作業(yè)過程中平臺(tái)穩(wěn)定，基本不受水文條件的影響，目前已順利地完成了所有水上地勘鉆孔工作。

4.2 平臺(tái)分析

(1)平臺(tái)優(yōu)點(diǎn)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)節(jié)省，平臺(tái)施工容易，對(duì)船機(jī)設(shè)備需求不高。地勘作業(yè)過程中，水文條件對(duì)地勘作業(yè)影響小。

(2)平臺(tái)不足。平臺(tái)結(jié)構(gòu)需要鋼護(hù)筒有一定的嵌入度，對(duì)覆蓋層較薄的區(qū)域不適用。鋼護(hù)筒嵌入部分，對(duì)地質(zhì)有擾動(dòng)，該部分地勘結(jié)果準(zhǔn)確性受影響。鋼護(hù)筒要有一定的嵌入深度，嵌入深度不夠，對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定性影響較大，所以該平臺(tái)不適合無(wú)覆蓋層或覆蓋層較小的區(qū)域；鋼護(hù)筒的嵌入深度會(huì)影響平臺(tái)的高度，平臺(tái)也不適宜覆蓋層變化較大的區(qū)域。

(3)改進(jìn)及推廣。考慮到覆蓋層變化較大的區(qū)域，可使用鋼護(hù)筒接長(zhǎng)裝置。但平臺(tái)穩(wěn)定性需要重新核算。

考慮到文中錨塊布置6中，各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果(位移、應(yīng)力、拉力)均偏大，條件合適的情況下可將4個(gè)錨塊增加至5個(gè)錨塊，均勻布置，增加其穩(wěn)定性，降低風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本平臺(tái)是基于特定條件下而設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易工作平臺(tái)，適用于船機(jī)設(shè)備不充裕、潮差變化大、有一定覆蓋層區(qū)域的水上地勘工作。平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)節(jié)省，但平臺(tái)使用范圍較為局限。通過拓展思路，結(jié)合實(shí)際情況，平臺(tái)有望在其它領(lǐng)域得以使用，為解決不利條件的方案提供參考。