深海有覆蓋層獨(dú)立鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

樊立龍

內(nèi)容提要：本文依托新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋主墩基礎(chǔ)獨(dú)立鉆孔平臺(tái)施工，從獨(dú)立平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的比選，鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算，以及施工工藝三個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)，為以后類似深海橋梁工程施工提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：深海 有覆蓋層 獨(dú)立鉆孔平臺(tái) 施工技術(shù)

1.工程概況

1.1工程簡介

新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋北東口段全長3712m，公鐵主跨均采用92m+2×168m+92m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，其中B39#～B41#為主跨墩。

1.2施工條件

1.2.1水文條件

1.2.1.1氣象

橋位處屬于亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，百年重現(xiàn)期10分鐘平均最大風(fēng)速V10=45.8m/s；5月中旬～11月中旬受臺(tái)風(fēng)影響大，平均風(fēng)速和級(jí)速12級(jí)，年平均3.8次，全年≥6級(jí)大風(fēng)天數(shù)達(dá)到309天；5～6月為雨季，月最高雨日18天。

1.2.1.2潮汐、潮流

海域潮型屬正規(guī)半日潮，最大潮差達(dá)7m；為往復(fù)流，最大流速為2.23m/s，正常流速為1.03m/s。

1.2.1.3浪高

波浪系由風(fēng)成浪和涌浪組合的混合浪，100年重現(xiàn)期H1%波高4.65m，周期7.1s，50年重現(xiàn)期H1%波高4.3m周期6.8s，歷史出現(xiàn)最大波高為16m，周期9.3s。

1.2.2地質(zhì)條件

橋址區(qū)的巖土層按其成因分類主要有：第四系坡積層（Q4dl）塊石土，第四系全新統(tǒng)沖海積層（Q4al+m）淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、礫砂、塊石土等土層，第四系殘坡積層（Qel+dl）粉質(zhì)黏土夾碎石，白堊系下統(tǒng)石帽山組（K1sh）凝灰?guī)r，燕山晚期（γδ5）花崗巖。

1.3工程特點(diǎn)

橋位區(qū)水深、浪高、流急的影響較大，鉆孔樁施工平臺(tái)的搭設(shè)，鋼護(hù)筒的沉放，以及鉆孔樁施工過程中鋼平臺(tái)的整體穩(wěn)定與安全控制難度高。

主墩水深最深達(dá)43m，海床面不平整，高差起伏大，覆蓋層從2m～12m不等，給管樁的沉放難度較大。

9月至次年3月份為季風(fēng)期，季風(fēng)及臺(tái)風(fēng)的影響貫穿施工全過程，鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮季風(fēng)、臺(tái)風(fēng)的影響，考慮相應(yīng)的抗風(fēng)、浪的沖擊。

2.鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)的比選

2.1鉆孔平臺(tái)的布設(shè)

鉆孔平臺(tái)需滿足沖擊鉆成孔、吊放鋼筋籠、樁基混凝土灌注、承臺(tái)及墩身施工等功能，滿足150t履帶吊圍繞承臺(tái)邊線作業(yè)，考慮在承臺(tái)橫橋向兩側(cè)分別設(shè)置兩排鋼管樁形成支棧橋，兩側(cè)支棧橋之間通過貝雷梁連接形成整體獨(dú)立鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

2.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)的選定

獨(dú)立鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)由鋼管樁組成支撐體系，鋼管樁之間采用聯(lián)結(jié)系縱橫連接，在鋼管樁頂設(shè)置橫梁，橫梁上放置承重梁，主梁鋪設(shè)分配梁，頂面鋪設(shè)花紋鋼板形成整體平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

2.2.1應(yīng)力分析

通過采用Midas Civil建模計(jì)算分析兩種結(jié)構(gòu)形式，受力結(jié)果如下表2-1：

通過建模計(jì)算結(jié)果分析鋼護(hù)筒參與受力結(jié)構(gòu)在同等受力條件下，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件應(yīng)力偏小，平臺(tái)頂位移較小，平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好。

3.鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鉆孔平臺(tái)主要由平臺(tái)鋼管樁、管樁連接系、樁頂橫梁、貝雷梁、平臺(tái)面板等組成。在承臺(tái)橫軸線兩側(cè)分別設(shè)置兩排鋼管樁，形成支棧橋形式，橫軸線兩側(cè)支棧橋通過貝雷梁跨越承臺(tái)區(qū)域，跨越間距根據(jù)承臺(tái)順橋向的寬度控制，兩側(cè)鋼管樁中側(cè)內(nèi)排中心與承臺(tái)邊緣線的間距不小于2000mm，便于安裝鋼吊箱。

鋼管樁采用直徑φ1420×16mm鋼管，鋼管樁之間縱橫向間距為8000mm，鋼管樁縱橫向之間采用直徑φ630×10mm鋼管連接形成支撐體系；樁頂設(shè)置橫梁，橫梁采用2拼HN900×300mmH型鋼；上部結(jié)構(gòu)梁部采用貝雷梁，貝雷梁間距為90cm，并采用花窗連接成整體，分配梁采用工20b，面板采用δ=10mm花紋鋼板。考慮現(xiàn)場吊裝、減小海上施工時(shí)間、縮短工期、提高施工效率平板面板采用制式板結(jié)構(gòu)即分配梁和面板設(shè)計(jì)成統(tǒng)一尺寸的平臺(tái)板并統(tǒng)一在加工廠加工制作運(yùn)輸至現(xiàn)場吊裝。

3.2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3.2.1標(biāo)高的確定

3.2.2鋼管樁的計(jì)算厚度

鋼管樁管壁的厚度包括有效厚度和預(yù)留腐蝕厚度。有效厚度為管壁在外力作用下所需要的厚度，滿足強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性驗(yàn)算；預(yù)留腐蝕厚度為建筑物在使用年限內(nèi)管壁腐蝕所需要的厚度。鋼管樁計(jì)算時(shí)，使用期管壁計(jì)算厚度應(yīng)取有效厚度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際考慮計(jì)算厚度=設(shè)計(jì)壁厚-2mm

3.2.3設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

⑴ 設(shè)計(jì)使用年限：5年

⑵ 鉆孔平臺(tái)根據(jù)鋼筋籠等吊重選擇150t履帶吊通行、吊裝作業(yè)

⑶設(shè)計(jì)條件

⑷設(shè)計(jì)方法

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

⑸材料的選用

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)中貝雷梁采用Q345，其它構(gòu)件如鋼管樁、鋼護(hù)筒、聯(lián)結(jié)系、橫梁、平臺(tái)板等均采用Q235。Q345、Q235材料參數(shù)取值詳見《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS152-2012）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》（GB50010-2010）。

3.2.4荷載計(jì)算及組合

作用在結(jié)構(gòu)上的荷載分為恒載和活荷載。對恒載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值作為代表值，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)時(shí)，對活荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值或組合值為代表值。

3.2.4.1荷載計(jì)算

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，荷載種類及計(jì)算如下：

⑴ 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定；

⑵ 平臺(tái)布置4臺(tái)沖擊鉆；

⑶ 150t履帶吊起吊鋼筋籠或鋼護(hù)筒：2-7200×1100mm；

⑷ 管線荷載：2.0kN/m；

⑸ 施工人員、施工機(jī)具荷載：2.5kN/m2

⑹風(fēng)荷載：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）第11“風(fēng)荷載”作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

⑺水流力：根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）第13“水流力”作用于港口工程結(jié)構(gòu)上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值：

⑻波浪力：管樁波浪力按《海港水文規(guī)范》（JTS 145-2-2013）第8.3“波浪對樁基和墩柱的作用”來計(jì)算。H/d≤0.2且d/L≥0.2，按《海港水文規(guī)范》（JTS 145-2-3013）8.3.2.2計(jì)算：

⑼ 船舶及漂浮物沖擊荷載：平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)按規(guī)定設(shè)置臨時(shí)防撞結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身不考慮承受撞擊力

3.2.4.2荷載工況

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮以下工況及各種工況下參數(shù)的取值見表3-2。

3.2.4.3荷載組合

對于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行荷載（效應(yīng)）組合，基本組合下結(jié)構(gòu)的荷載分項(xiàng)系數(shù)，采用表3-3。

3.2.5驗(yàn)算準(zhǔn)則

施工狀態(tài)下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足自身施工過程中的安全。

在工作狀態(tài)下，平臺(tái)應(yīng)滿足正常車輛通行的安全和適用性的要求、并具良好的安全儲(chǔ)備；7級(jí)風(fēng)以上應(yīng)停止平臺(tái)上的吊裝施工作業(yè)，8級(jí)風(fēng)以上平臺(tái)禁止通行。

在正常非工作狀態(tài)下，平臺(tái)應(yīng)能滿足整體安全性的要求，在極限非工作狀態(tài)下，平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)不被破壞。

3.3鉆孔平臺(tái)建模分析

3.3.1分析原則

鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用Midas Civil有限元分析軟件進(jìn)行，建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體模型。其中橫梁、貝雷梁、管樁等結(jié)構(gòu)內(nèi)力及穩(wěn)定性采用空間有限元計(jì)算分析，根據(jù)彈性理論，采用有限元對平臺(tái)板進(jìn)行應(yīng)力分析，按兩輪荷載作用下連續(xù)板計(jì)算；管樁根部采用彈簧單元模擬土對樁的作用，其作用通過各種不同剛度的彈簧單元來模擬。

3.3.2數(shù)據(jù)分析結(jié)果

通過計(jì)算模型分四個(gè)工況計(jì)算結(jié)果如下：

根據(jù)上表中數(shù)據(jù)顯示該鉆孔平臺(tái)各構(gòu)件強(qiáng)度、剛度滿足施工要求。

3.3.3管樁嵌巖深度計(jì)算

管樁參數(shù)：鋼管φ1420×16mm，為摩擦樁，樁底為敞開式，假定嵌入巖層7m。

3.3.3.1單樁豎向承載力

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》計(jì)算單樁極限承載力設(shè)計(jì)值：

經(jīng)計(jì)算管樁φ1420×16mm： Qd=3987.81 kN>2426kN

3.3.3.2單樁水平承載力

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》計(jì)算單樁水平承載力

經(jīng)計(jì)算管樁φ1420×16mm：Rha =335.2（kN）

3.3.3.3單樁抗拔承載力

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》計(jì)算單樁極限抗拔承載力設(shè)計(jì)值：

經(jīng)計(jì)算管樁φ1420×16mm： Td=1534.2 kN

經(jīng)計(jì)算管樁嵌巖達(dá)到7m，滿足施工要求。

3.3.4平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

3.3.5結(jié)論

經(jīng)計(jì)算分析該鋼護(hù)筒參與受力結(jié)構(gòu)形式的鉆孔平臺(tái)滿足施工要求。本設(shè)計(jì)中的組焊結(jié)構(gòu)，施工過程中要求制定合理的加工工藝，減少其焊接變形和焊接應(yīng)力，經(jīng)校正后各種變形公差滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）規(guī)定的允許值。貝雷片、管樁等型鋼構(gòu)件采用防腐處理。

4.鉆孔平臺(tái)施工

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙資料提供的墩位覆蓋層厚度情況及現(xiàn)場試樁情況采用打樁船直接插打法施工，打樁船選用雄程1號(hào)配德爾瑪克D260-32柴油打樁錘。

雄程1號(hào)主要尺度尺數(shù)：船長88×型寬36×型深6.2m、水線長：78m、最大吃水：4m、樁架高度128m（水線至樁架大平臺(tái)頂）、樁架最大安全工作負(fù)荷（0?到前傾9?時(shí)）：500t、可作業(yè)最大樁重：500t、沉樁能力：100m+水深、可施工最大樁徑：Φ5000mm。

德爾瑪克D260-32柴油打樁錘，技術(shù)參數(shù)：上活塞重量重26000kg；每次打擊能量為556kj。

4.1施工工藝流程

打樁船直接插打法施工工藝流程圖詳見圖4-3：

4.2主要施工方法

4.2.1施工準(zhǔn)備

管樁、鋼護(hù)筒統(tǒng)一在廠內(nèi)加工制作而成，采用海駁船運(yùn)輸至相應(yīng)墩位處，管樁、護(hù)筒堆放形式應(yīng)使駁船在裝卸、運(yùn)輸、起吊時(shí)保持平穩(wěn)，同時(shí)避免產(chǎn)生軸向變形和局部壓曲變形。

插打管樁、護(hù)筒前充分了解打樁墩位的海床沖刷、流速和潮汐變化情況，并認(rèn)真復(fù)核管樁、護(hù)筒中心坐標(biāo)。每次管樁、護(hù)筒插打開工前一周，必須充分了解本海域的海洋海況及氣候情況。

4.2.2管樁、護(hù)筒的插打

4.2.2.1施工步驟

鋼管樁插打采用打樁船插打，其主要施工步驟如下：

⑴利用打樁船自帶GPS系統(tǒng)對管樁進(jìn)行樁位及垂直度調(diào)整，再用全站儀復(fù)核管樁的位置及垂直度，調(diào)整精確定位；

⑵緩慢下放鋼絲繩，利用樁錘自重將管樁下壓迅速著床至管樁不再下滑為止。記錄管樁的樁頂標(biāo)高，以確定管樁在樁錘自壓下插入的深度以及管樁的垂直度復(fù)核；

⑶管樁在壓錘穩(wěn)定后，松開抱樁器，啟動(dòng)打樁錘錘擊沉樁。錘擊沉樁時(shí)，樁錘、樁帽、管樁應(yīng)保持在同一軸線上，避免產(chǎn)生偏心錘擊，在沉樁過程中，如發(fā)現(xiàn)貫入的異常，應(yīng)立即停止成樁，及時(shí)查明原因，采取有效措施解決。管樁插打以貫入度和標(biāo)高來控制，以標(biāo)高控制為主，貫入度控制為輔助。

4.2.2.2插打注意事項(xiàng)

⑴打樁船利用船載GPS定位測量系統(tǒng)測量進(jìn)行初步定位，啟動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平船體，然后通過調(diào)整錨定系統(tǒng)，將打樁船船樁架精確定位在樁位上；

⑵當(dāng)打樁船將管樁豎起后，利用GPS定位系統(tǒng)調(diào)整船位，使管樁的平面位置到達(dá)設(shè)計(jì)樁位處，滿足設(shè)計(jì)要求后下樁、穩(wěn)樁、壓錘，調(diào)整船位，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后，開始沉樁；

⑶在沉樁過程中要進(jìn)行測量監(jiān)控，并做好沉樁記錄。鋼管樁沉放以標(biāo)高控制為主，貫入度控制為輔。打樁過程應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)層的貫入度控制錘的力度，防止將鋼管頂部打卷；

⑷管樁須定位及調(diào)整好垂直度后才可開始打入下沉，貫入過程中，通過不同地質(zhì)層時(shí)要對樁的垂直度進(jìn)行復(fù)測，避免出現(xiàn)斜樁。

4.2.3聯(lián)結(jié)系安裝

管樁插打后，未焊聯(lián)結(jié)系形成群樁前其單樁穩(wěn)定性很差，管樁聯(lián)結(jié)系必須快速及時(shí)安裝、焊接，使已打入的管樁形成群樁增強(qiáng)水平穩(wěn)定性。

聯(lián)結(jié)系選用φ630×8mm鋼管，廠內(nèi)統(tǒng)一加工成構(gòu)件運(yùn)輸至現(xiàn)場，待單排鋼管樁施打就位后，即可開始進(jìn)行聯(lián)結(jié)系的安裝工作。由于管樁在插打過程中與施工圖有一定偏差，聯(lián)結(jié)系與管樁間的相貫線不是很好控制，故須采用“哈佛接頭”連接方式，哈佛接頭分為兩片，“哈佛接頭”的內(nèi)徑比鋼管平聯(lián)外徑大1cm，聯(lián)結(jié)系兩端均設(shè)置哈佛接頭。具體操作方法：將兩端下哈佛板與管樁焊接好后，利用浮吊起吊聯(lián)結(jié)系，將聯(lián)結(jié)系兩端掛在下哈佛板上進(jìn)行焊接，哈佛接頭與聯(lián)結(jié)系之間的環(huán)向焊縫及縱向焊縫均要求滿焊，嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量。

4.2.4橫梁、支撐梁安裝

橫梁、支撐梁采用2HN900×300H型鋼組拼，以及牛腿在加工廠內(nèi)組拼焊接運(yùn)至樁位處。管樁安裝聯(lián)結(jié)系穩(wěn)定后，根據(jù)樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高切除多余的鋼管并調(diào)平，安裝整體樁帽，在樁帽上標(biāo)識(shí)橫梁的設(shè)計(jì)位置，采用浮吊將橫梁吊至設(shè)計(jì)位置處進(jìn)行焊接固定。

在支撐梁安裝之前在護(hù)筒相應(yīng)標(biāo)高處焊接牛腿，在牛腿上標(biāo)識(shí)支撐梁的設(shè)計(jì)位置，采用浮吊將支撐梁吊至設(shè)計(jì)位置處進(jìn)行焊接固定。

4.2.5貝雷梁安裝

橫梁安裝完畢，可在橫梁上標(biāo)識(shí)出貝雷梁位置。為吊裝方便，貝雷梁在平駁或碼頭上拼裝成型，根據(jù)實(shí)際需要將貝雷梁拼接成單層雙排貝雷梁或單層三排貝雷梁，用支撐架拼成整體，采用浮吊或150t履帶吊安裝就位。貝雷梁的節(jié)點(diǎn)應(yīng)放置在橫梁頂面，各組貝雷梁之間用支撐架聯(lián)結(jié)成整體，全部貝雷梁安裝就位后，用14mm厚鋼板卡焊固定在橫梁上。

4.2.6面板安裝

為了便于現(xiàn)場面板安裝，面板在廠內(nèi)加工制作成制式平臺(tái)板運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)，面板加工制作時(shí)，分配梁間距必須按圖紙標(biāo)識(shí)的間距進(jìn)行布置加工制作，同時(shí)在圖紙的基礎(chǔ)上盡量按照貝雷梁的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鋪設(shè)。若由于安裝誤差造成面板與貝雷梁不能緊密接觸時(shí)，必須在面板與貝雷梁頂之間加墊薄鋼板的方法進(jìn)行施焊調(diào)平處理。

5.結(jié)論

平潭海峽公鐵兩用大橋是公鐵合建的跨海大橋，橋位處處于季風(fēng)施工長，受風(fēng)、浪、流等惡劣性環(huán)境影響大，特別水深最深的三個(gè)主墩施工是本橋施工難點(diǎn)之一。通過對平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行計(jì)算對比分析，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙地層資料及現(xiàn)場試樁情況，選用了鋼護(hù)筒參與受力的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，解決了水深、受風(fēng)、浪、流等環(huán)境下施工難的問題。

主墩40#獨(dú)立鉆孔平臺(tái)于2014年5月2日開始施沉首根鋼管樁，39#于7月6日施沉首根管樁，并于10月10日完成平臺(tái)的搭設(shè)并予以多家單位聯(lián)合驗(yàn)收，41#平臺(tái)至目前已搭設(shè)完一側(cè)支棧橋以及護(hù)筒沉樁完畢。期間主墩獨(dú)立鉆孔平臺(tái)安全順利度過了“海鷗”、“鳳凰”兩次臺(tái)風(fēng)的侵襲及季風(fēng)期施工的考驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

1.中華人民共和國交通運(yùn)輸部.水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTS152-2012）.北京：人民交通出版社，2012

2.中華人民共和國交通運(yùn)輸部.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）.北京：人民交通出版社，2010

3.中華人民共和國交通運(yùn)輸部.港口工程荷載規(guī)范（JTS144-1-2010）.北京：人民交通出版社，2010

4.中華人民共和國交通運(yùn)輸部.海港水文規(guī)范（JTS145-2-2013）.北京：人民交通出版社，2013

5.中華人民共和國交通運(yùn)輸部.港口工程樁基規(guī)范（JTS167-4-2012）.北京：人民交通出版社，2012