f海上引橋鋼護筒式鉆孔平臺的設計與施工

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。f海上引橋鋼護筒式鉆孔平臺的設計與施工海上引橋鋼護筒式鉆孔平臺的設計與施工海上引橋鋼護筒式鉆孔平臺的設計與施工商 凱（中國鐵建港航局集團有限公司 浙江寧波 郵編315000）摘要：結(jié)合寧波象山港公路大橋北引橋低墩區(qū)P24P31號墩鉆孔樁施工，介紹采用鋼護筒作為鋼平臺的主要受力結(jié)構(gòu)、并且利用打樁船沉放鋼護筒的鉆孔平臺的設計方案和施工工藝。關鍵詞：象山港大橋 鉆孔平臺 設計 施工1 引言從施工角度講，海上搭設鉆孔施工平臺和實施灌注型嵌巖樁，均為較常規(guī)的施工工藝，但傳統(tǒng)的施工工藝為先搭設施工平臺，后沉放鋼護筒

2、，再開始鉆孔施工。引橋區(qū)采用鋼護筒作為主要受力結(jié)構(gòu)，并且利用大型打樁船沉放鋼護筒的施工平臺則比較少見。象山港大橋P24P31號墩成功運用了打樁船沉放鋼護筒并將護筒做為主要受力結(jié)構(gòu)。2 工程概況寧波象山港公路大橋位于寧波市和象山縣之間、橫山碼頭和西澤碼頭西側(cè)的象山港水域，橋梁全長6.761km。P24P31號墩為60m預應力混凝土連續(xù)箱梁引橋低墩區(qū)，承臺采用整體式啞鈴形承臺，平面尺寸為22.45×7.6m，厚度為3m，系梁平面尺寸為4.05×4.5m，厚度為2.5m。承臺頂高程為3.2m，底面高程為0.2m。根據(jù)受力需要，一個基礎下設8根直徑為2.0m混凝土鉆孔灌注樁，按支撐

3、樁進行設計，樁長為56.685m，樁底進入中風化巖深不小于4m。2.1 水文條件象山港內(nèi)潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮，受地形影響，潮波運動以駐波為主。橋區(qū)附近多年平均潮差約3.08m，最大潮差達5.65m。落潮流速較漲潮流速大，最大流速約1.66m/s，漲潮歷時長于落潮近1小時。漲、落潮流主軸方向約有20°30°左右的不對稱性。橋區(qū)平均波高0.4m，最大波高為1.8m。5年一遇極高水位+3.65m，極低水位-2.58m，施工區(qū)域水深1214m。2.2 地質(zhì)條件引橋區(qū)地質(zhì)條件差，基巖表面覆蓋層主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、亞粘土，覆蓋層頂部標高變化不大，淤泥、淤泥質(zhì)粘土及

4、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土類軟土較厚，施工時應防止塌孔現(xiàn)象，地質(zhì)情況參見圖1。圖1橋型布置圖3 鋼護筒最小埋深計算橋址處水深較大，且覆蓋層中淤泥、淤泥質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土類軟土較厚，所以最小埋置深度采用下式計算：L=（h+H）w-H0/(d -w)式中：L-護筒埋置深度（m）；H-施工水位至河床表面深度（m）；（見圖2） h-護筒內(nèi)水頭，即護筒內(nèi)水位與施工水位之差（m）；w-護筒內(nèi)泥漿容重（KN/m3)；0-海水的容重（KN/m3)；d-護筒外河床土的飽和容重（KN/m3)；d=（+e）0/(1+e) 圖2 最小埋深計算簡圖其中：-土粒的相對密度，當護筒穿過幾種不同的土質(zhì)時，護筒外河

5、床土的飽和容重取平均值，即d=idli/li式中：d-幾種不同土的平均飽和容重；id-每種不同土的飽和容重；li-每種不同土的厚度，根據(jù)橋區(qū)工程地質(zhì)勘察報告提供地質(zhì)數(shù)據(jù)，考慮1.5倍安全系數(shù)，計算出鋼護筒最小埋深 Ls=13m。4 鉆孔平臺方案選擇4.1 設計思路P24P31號墩位于海中間，其中P24號墩距岸側(cè)最近，距離約1km。由于P14P23號墩為打入鋼管樁基礎，承臺、墩身均已施工完成，預應力混凝土箱梁尚未架設，若考慮棧橋施工方案，棧橋需避開架梁作業(yè)區(qū)域，投入成本太大，若等待架梁結(jié)束，工期無法保證。結(jié)合施工單位現(xiàn)有的機具設備及水上施工經(jīng)驗，綜合考慮P24P31號墩所處的水文、地質(zhì)、施工環(huán)境

6、情況，同時考慮工程進度、成本、安全等多方面因素，決定采用獨立式型鋼平臺，8個承臺同時施工。獨立式型鋼平臺有兩種形式：（1）鋼管樁鋼平臺，打設800×10的鋼管樁作為基礎，利用鋼管樁承重，再安裝鋼管平聯(lián)和上部結(jié)構(gòu)，然后利用定位架下沉鋼護筒的常規(guī)施工方法。（2）鋼護筒鋼平臺，利用鉆孔樁2332×16鋼護筒作為主要受力基礎，配以少量鋼管樁輔助受力，先利用大型打樁船沉放鋼護筒及鋼管樁，然后在鋼護筒及鋼管樁之間焊接平聯(lián)，再設置上部梁系做為鉆孔樁施工工作平臺的施工方法。4.2 方案比較（1）結(jié)構(gòu)安全、受力情況比較 鋼管樁平臺的優(yōu)點是：鋼管樁是臨時結(jié)構(gòu)，精度要求低，平臺搭設難度小。鋼護筒

7、在臨時平臺上打設，精度高，施工安全、方便。鋼護筒在鉆孔樁施工過程中不受豎向載荷作用。鋼護筒平臺優(yōu)點是：鋼護筒的抗彎截面模量大，剛度大，其單樁支承力也比鋼管樁大，結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性顯著加強。根據(jù)鋼護筒最小埋深計算，通過適當增加鋼護筒長度，將鋼護筒做為受力基礎是完全可行的。缺點是：插打鋼護筒定位難度大，精度稍差，設備能力要求高。（2）施工工期比較 鋼管樁平臺是先期利用常規(guī)起重船打設鋼管樁，在鋼管樁上搭設型鋼做主梁、分配梁，鋼板滿鋪作為工作平臺，然后打設鋼護筒作為鉆孔時的護壁，工程量大且為常規(guī)工藝，工效較低。鋼護筒鋼平臺則減少了工程量且利用大型打樁船一次性沉放全部鋼護筒及鋼管樁，施工工效明顯提高

8、。（3）經(jīng)濟性比較鋼護筒平臺雖增加了大型打樁船費用，但由于充分利用了鋼護筒結(jié)構(gòu)，節(jié)省了鋼管樁材料和打、拆費用，并且工效提高后，人員及船機管理費均大大減少，所以經(jīng)濟性優(yōu)于鋼管樁平臺，直接經(jīng)濟費用分析見表1。鉆孔平臺經(jīng)濟分析表 表1平臺 類型材料 名稱規(guī)格(mm）數(shù)量(根)長度(m)總重(T)單價 (萬元）材料費(萬元）沉樁單價(萬元）沉樁費用(萬元）總計 (萬元)鋼管樁鋼平臺鋼管樁800×101842147.280.3855.9660.35.4215.564鋼護筒2332×16835.8261.720.58151.7970.32.4鋼護筒鋼平臺鋼管樁800×1064

9、249.090.3818.6540.84.8200.584鋼護筒2332×16838277.810.58161.130216備注 僅計算單個鋼平臺基礎用料，上部用料未考慮，鋼管樁單價已考慮回收利用收益，故較低，鋼管樁式鋼平臺沉樁方式為起重船及導向架利用振動錘方式，故較低。方案比選結(jié)果：雖然采用鋼護筒鋼平臺方案，需加長鋼護筒2.2m，且打樁費用明顯增加，但一個平臺減少12根鋼管樁，比鋼管樁鋼平臺減少用鋼量82噸，減少成本投入近15萬元，8個平臺則減少成本近150萬元。由此可見：采用鋼護筒鋼平臺既減少了鋼平臺的用鋼量，降低了施工成本，又減少了鋼管樁施工數(shù)量，提高了施工工效，具有良好的經(jīng)濟

10、效益。5 鋼平臺的設計5.1設計基礎資料1、設計水位：考慮到平臺使用周期僅為4個月左右，取重現(xiàn)期5年水文資料。2、設計流速：V=1.66 m/s。3、原泥面標高：1214m，根據(jù)前期對鋼管樁施工期間海床面監(jiān)測，引橋區(qū)未發(fā)現(xiàn)有明顯的沖刷發(fā)生，但基于安全考慮，確定沖刷深度為3m。4、風速：正常工作V0=13.8m/s,最大風速 V=33.9m/s。5、海床覆蓋層:淤泥、淤泥質(zhì)粘土。5、設計荷載：平臺上KP-3000型鉆機1臺，單臺鉆機荷重833KN，其它設備荷載：泥漿泵、空壓機重量為150KN。平臺施工均布荷載：q10kN/m2。7、施工船系纜力：不允許施工船舶?？渴┕て脚_，僅考慮200t級交通船

11、靠泊接送作業(yè)人員。5.2 鋼平臺結(jié)構(gòu)形式鉆孔平臺采用獨立式型鋼平臺，尺寸為24.85m×11m。平臺頂面標高為6.3米， 8根鋼護筒為主要支撐結(jié)構(gòu)，另外在平臺南北兩側(cè)各設3根輔助樁，通過上下兩層平聯(lián)結(jié)構(gòu)（上層平聯(lián)底標高為+4.892m，下層平聯(lián)標高為+1m）將鋼護筒和輔助樁連成剛性較大的整體，梁系布置由下而上依次為支撐梁及牛腿，上設鉆機梁、鉆機梁上設次梁，面層系為8mm厚鋼板。整個鋼平臺結(jié)構(gòu)布置見圖3和圖4。圖3鉆孔平臺平面布置圖圖4 鉆孔平臺立面圖5.3 設計要點1、鋼護筒鋼護筒為鉆孔平臺的主要受力結(jié)構(gòu)。鋼護筒設計直徑比鉆孔灌注樁的直徑大30cm，即護筒內(nèi)徑為2.3米。鋼護筒壁厚1

12、6mm，底部以與鋼護筒同材質(zhì)同厚度鋼板設置50cm寬加強箍,以滿足插打時的局部受力要求。鋼護筒在存放、運輸及吊裝過程中應嚴格控制變形。鋼護筒采用兩點起吊，為防止起吊變形，鋼護筒每只吊耳處增焊一塊16mm×700mm×774mm貼板并進行塞焊。2、橫向聯(lián)系鉆孔平臺橫向聯(lián)系包括鋼管樁間的聯(lián)系、護筒間的聯(lián)系以及鋼管樁與護筒間的聯(lián)系。鋼管樁之間及鋼管樁與鋼護筒之間平聯(lián)采用600×8鋼管，鋼護筒之間設置兩層平聯(lián)，均采用2HN600×200型鋼，護筒間上層順橋向平聯(lián)同時做為鉆機梁的支撐梁，鉆機梁、支撐梁及牛腿均設置加勁板補強，各型鋼節(jié)點用加勁肋補強。5.4 鋼平臺結(jié)

13、構(gòu)驗算1、單樁驗算分別對鋼管樁、鋼護筒單樁受力進行分析。單樁最不利受力工況是樁打前即將接近海床面和施打完成后平聯(lián)尚未形成階段，此時樁呈懸臂狀態(tài)。單樁按流固耦合有限元法，ANSYS分析單樁受力，將河床沖刷面作為嵌固點，荷載按流體單元，樁按固體單元分析，得出鋼管樁樁頂最大位移和各種應力，并進行穩(wěn)定性分析確定其合理性。具體計算過程從略。2、整體結(jié)構(gòu)計算應用ANSYS結(jié)構(gòu)分析程序建立空間模型，嵌固點按照港口工程樁基規(guī)范采用假想m法計算，鋼管樁及鋼護筒在嵌固點處固接，支撐梁與鉆機梁頂部鉸接，牛腿與鋼護筒固接，鋼管樁與平聯(lián)間為固接。主要按以下兩個工況進行計算。工況一：整個平臺正常工作正常工作時，考慮自重、

14、堆載、鉆機荷載、其它設備荷載、波浪力（一般情況）水流力、風荷載等組合。標準組合：1.0（+）基本組合：1.2（+）+1.4（+）+1.0（+）工況二、整個平臺整體抗臺臺風來襲時，平臺停止正常工作。為保證鉆孔平臺安全，若鉆孔尚未完成，將中斷鉆孔，除鉆機外其余設備、堆載物等均吊離平臺。在該工況下，考慮自重、鉆機荷載、波浪力（臺風情況）、水流力、風荷載（臺風情況）等組合。標準組合：1.0（+）基本組合：1.2+1.4（+）+1.5（+）根據(jù)計算，在最不利工況下，鋼管樁、鋼護筒的單樁承載力、穩(wěn)定性、強度、剛度均滿足平臺強度和變形要求。具體結(jié)果從略。6 鋼平臺施工工藝流程下一根護筒沉放下一個墩護筒沉放鋪

15、設次梁及面板、護欄等打樁船拋錨定位定位吊樁運樁船就位開始沉樁單根樁沉樁結(jié)束單墩護筒沉設完成測量放樣安裝下層平聯(lián)安裝鉆機梁焊接牛腿及上層平聯(lián)GPS定位全站儀定位復核施工籌備實時檢測護筒垂直度及偏位 圖5 鉆孔平臺施工流程圖7施工程序及注意事項7.1 鋼護筒及鋼管樁沉放1 、打樁船性能介紹選用國內(nèi)先進的“海力801”打樁船進行沉樁施工，打樁船主要性能參數(shù)見表2。 海力801打樁船主要性能參數(shù)表 表2性能船型尺寸樁架型式樁架高（m）吊樁重（t）沉樁樁長（m）樁錘定位 方式參數(shù)80×30×6×2.8m全旋回式9510080+水深S-280 液壓錘GPS定位 系統(tǒng) “海力8

16、01”打樁船施打鋼護筒具有以下優(yōu)勢：（1）駐位穩(wěn)定性好：“海力801”打樁船錨碇系統(tǒng)配備7臺50t錨機和相應的7個10t鐵錨，另外還有四根1.5m×1.5m×30m液壓錨碇樁，打樁船駐位穩(wěn)定性好，移船便捷。（2）全旋轉(zhuǎn)樁架（360°）吊樁便利：“海力801”拋錨駐位后，運樁船可以直接停靠打樁船，不需要拋錨，吊樁時，只要樁架旋轉(zhuǎn)90°即可直接進行，吊樁快捷方便。（3）沉樁適應性強：全旋轉(zhuǎn)樁架可以伸出船艏30m左右，沉樁順序靈活，可以根據(jù)鋼管樁及鋼護筒的落駁情況隨意調(diào)整打樁順序，既減少了運樁駁的配置又可避免頻繁更換打樁替打，提高作業(yè)工效。（4）配備Trimb

17、le-5700 GPS定位系統(tǒng)，定位準確，滿足外海施工精度要求。（5）打樁船配備先進的雙作用IHC S-280液壓錘（荷蘭）。2 、鋼護筒及鋼管樁施工注意事項鋼護筒施工是鉆孔平臺的核心內(nèi)容。其關鍵是確保鋼護筒的平面位置、垂直度和打入深度。（1）、鋼護筒、鋼管樁均在專業(yè)鋼管廠一次加工成型，駁船直接運至施工水域，為防止鋼護筒變形，必須在駁船甲板上設置穩(wěn)樁支架，并且在鋼護筒內(nèi)設置內(nèi)支撐。本項目每根鋼護筒內(nèi)設置三道十字支撐，分別布置在鋼護筒支墊處及鋼護筒頂口，內(nèi)支撐設計規(guī)格為2×100×6×2300。（2）、鋼護筒橢圓度偏差過大對檢測鋼護筒垂直度影響很大，沉放前必須檢查鋼

18、護 圖6 鋼護筒照片筒橢圓度，不滿足規(guī)范要求時進行校正處理，必要時返廠處理。（3）、打樁船通過調(diào)整錨纜進行船體定位，下插定位錨碇樁，在鋼護筒定位下樁前啟動調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平船體，確保樁架豎直。（4）、雖然打樁船配置有GPS定位系統(tǒng)，但為確保鋼護筒沉放精度，在附近已完成的施工平臺上架設了一臺高精度無棱鏡測距全站儀（徠卡TCRA1201 R1000型），通過切邊觀測及樁中心線上下測距比對，實時監(jiān)控鋼護筒的垂直度及平面偏位，出現(xiàn)偏差及時糾正解決，保證垂直度及偏位控制在容許范圍內(nèi)。（5）、根據(jù)地質(zhì)條件，鋼護筒及鋼管樁進入地層主要為淤泥層及淤泥質(zhì)粘土層，海力801為液壓錘，錘及配套附件重量約50噸，在壓錘過程

19、中，大鉤必須帶勁，且錘擊過程能量不能超過80KJ，防止溜樁。鋼護筒及鋼管樁沉放以標高控制為主，貫入度僅供參考，沉樁完畢后，對鋼護筒進行承載力試驗，以驗證設計長度能否滿足承載力要求，通過對P25左3#鋼護筒進行的高應變動力檢測，鋼護筒的極限承載力能滿足設計要求。（6）、打樁船在移錨、拋錨及絞船定位過程中，所有的錨纜不得影響已經(jīng)施打完畢的樁。（7）、鋼護筒沉放到位后，在鉆孔平臺完成之前，必須及時焊接鋼護筒之間平聯(lián)，以便使之形成整體，提高其在水流及波浪條件下的穩(wěn)定性。7.2 鋼平臺搭設按照先下層平聯(lián)，后上層平聯(lián)的順序施工。型鋼在均在岸上加工場加工、材料船運輸至現(xiàn)場安裝，鋼平臺搭設步驟：1、鋼護筒之間

20、下平聯(lián)安裝，采用2HN600×200型鋼，一個承臺的鋼護筒沉放完成后，利用作業(yè)船上的起重設備及吊籃吊人用10槽鋼焊接臨時操作平臺，現(xiàn)場量好平聯(lián)尺寸，在作業(yè)船下好料，在平聯(lián)位置的下口先平焊一塊擱置平聯(lián)的托板，用起重設備一點吊吊起平聯(lián)，先安放一頭，再安放另一頭。2、鋼管樁之間及鋼管樁與鋼護筒之間的下平聯(lián)安裝，采用600×8鋼管，由于鋼管樁及鋼護筒在沉放過程中與設計施工圖存在一定偏差，為提高作業(yè)效率，平聯(lián)之間的連接采用“哈佛接頭”焊接連接。具體施工方法如下：a、加工場制作哈佛接頭，內(nèi)徑比鋼管外徑大1cm，長度按照45cm下料，每個哈佛接頭一分為二，編號運至現(xiàn)場；b、平聯(lián)鋼管一端相

21、貫線在加工場制作，按照比設計長度縮短25cm左右下料，運至現(xiàn)場；c、現(xiàn)場定位安裝下哈佛接頭；d、以下哈佛接頭為支撐，將平聯(lián)鋼管放在哈佛接頭上；e、平聯(lián)相貫線一端焊接在鋼管樁上，再將上哈佛接頭蓋在平聯(lián)的直線端上，哈佛接頭與鋼管樁，哈佛接頭與平聯(lián)之間的環(huán)向焊縫及縱向焊縫均滿焊并控制焊縫質(zhì)量。3、上平聯(lián)及牛腿安裝，采用雙肢2HN600×200H型鋼,具體施工方法為：首先在靠近作業(yè)船的一根鋼護筒上用測量儀器放出鋼牛腿及平聯(lián)的安裝線，其余的同一個平臺的鋼護筒可用水平管測量并進行標注，確保安裝線在同一高程面，然后用作業(yè)船上的起重設備將事先加工好的鋼牛腿按照安裝線安裝、焊接，再將事先加工好的上層平

22、聯(lián)按照安裝線安裝、焊接，為防止鋼護筒變形過大，鋼護筒與牛腿的橫梁及斜撐連接位置加焊貼板。4、支撐梁安裝，采用雙肢2HN600×200H型鋼。施工方法如下：首先在鋼管樁上放出支撐梁軸線及下邊線位置，實施鋼管樁頂部開槽，起吊安裝支撐梁，焊接連接板及勁板。5、鉆機梁安裝，采用雙肢2HN600×200H型鋼。在牛腿及支撐梁上橫橋向鋪設3道鉆機梁。6、在鉆機梁上均布49根工20型鋼，間距0.5m，鋪設8mm厚鋼板作為施工平臺。7、加設安全欄桿進行平臺封閉，保證施工人員和機械設備作業(yè)安全。欄桿高度1.2m，立柱使用50鋼管與平臺焊接牢固，橫桿采用50鋼管與立柱焊接固定。8、在平臺一側(cè)設置爬梯及防撞緩沖結(jié)構(gòu)，并輔以舊輪胎等作為消能裝置緩沖交通船的靠泊力。 圖7 鉆孔平臺9、在平臺四周設立紅旗及夜間警示燈，以免外來船只碰撞。7.3 鋼平臺使用注意事項1、鋼平臺在搭設及使用過程中，為防止鐵件落入鋼護筒，鋼護筒孔口應用鋼板或鋼筋網(wǎng)片覆蓋。2、鉆孔平臺搭設完成后，在平臺上布置沉降、位移觀測點，定期觀測。3、在施工過程中安排專人負責測量各平臺樁位處沖刷深度并作記錄，當鋼管樁(鋼護筒)位置海床沖刷較大時，