深水急流強感潮水域大規(guī)模樁基群鉆孔平臺方案

丁志鋒，姚清濤，劉寅瑩，陳倩茜，陳哲

深水急流強感潮水域大規(guī)模樁基群鉆孔平臺方案

丁志鋒1，姚清濤2，劉寅瑩1，陳倩茜1，陳哲1

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京210008；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430040）

長江下游江心水域，往往具有深水、大流速、強感潮等特點，在此區(qū)域建造大規(guī)模樁基群基礎(chǔ)，施工難度及安全風(fēng)險較大。樁基鉆孔平臺在搭設(shè)和使用期間沖刷風(fēng)險大，結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性問題凸顯。以長江下游某越江輸電塔的基礎(chǔ)施工為背景，從結(jié)構(gòu)形式、搭設(shè)方法、施工工期及成本等方面對大直徑鋼管樁平臺方案和導(dǎo)管架平臺方案進行比選研究。結(jié)果表明，大直徑鋼管樁平臺方案不但結(jié)構(gòu)受力滿足要求，而且施工組織相對容易，成本低，是比較合理的鉆孔平臺方案。

深水；大流速；強感潮；樁基群；鉆孔平臺；方案比選

0 引言

樁基群+承臺組合基礎(chǔ)是江、海水域橋梁工程常用基礎(chǔ)形式，而對于大型跨江越海輸電塔工程，在水中采用此類基礎(chǔ)形式，規(guī)模一般更為龐大，樁基數(shù)量多，分布區(qū)域廣。鉆孔平臺設(shè)計及施工是水中基礎(chǔ)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其受水文、地質(zhì)、成本、工期、設(shè)備等因素制約[1-2]。在流速大且有潮位漲落的深水域，大規(guī)模樁基群施工難度大，人力、材料及設(shè)備投入多，鉆孔平臺方案選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計及現(xiàn)場搭設(shè)均比較困難，平臺管樁自由懸臂長，河床泥面沖刷風(fēng)險高，結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性問題凸顯[3-4]。以下依托長江下游某越江輸電線塔基礎(chǔ)工程，對深水、大流速、強感潮水域鉆孔平臺方案選型及施工技術(shù)進行研究，并對關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析。

1 工程概況

1.1 工程總體布置

某長江大跨越項目為1 000 kV特高壓交流輸變電工程的關(guān)鍵節(jié)點工程，跨越檔距為1 140 m+ 2 600 m+1 340 m，均跨越航道。該項目南、北2個主電塔均立于江中。大跨越項目總體布置如圖1所示。

電塔基礎(chǔ)為巨型中空深水高樁承臺結(jié)構(gòu)，布置176根樁徑為2.5耀2.8 m鉆孔灌注樁（不包括內(nèi)部附屬設(shè)施樁基）。承臺外輪廓平面尺寸為120 m伊130 m。中空部分為八邊形，平面尺寸為90 m伊88 m，承臺厚度8 m。電塔基礎(chǔ)總體布置見圖2。

圖1 大跨越項目總體布置（m）Fig.1General arrangement of large crossing project（m）

圖2 電塔基礎(chǔ)布置（尺寸：mm；標(biāo)高：m）Fig.2Foundation layout of electricity transmission tower（Dimension：mm；Elevation：m）

1.2 水文及地形地質(zhì)條件

1）水文條件

20年一遇設(shè)計高潮（水）位為+5.2 m，設(shè)計低潮（水）位為-1.5 m，設(shè)計水流速為3.84 m/s（落潮），設(shè)計波高為3.0 m。

2）地形地質(zhì)條件

工程位于長江沖積平原的新長江三角洲，陸域地勢平坦開闊，地面自西向東微傾，兩岸向江邊低傾。南、北塔位于長江主航道兩側(cè)，原始河床泥面標(biāo)高分別為-4.6 m和-10.4 m。

南、北塔區(qū)松散層巨厚，塔基影響深度范圍內(nèi)均為第四系沖洪積地層，部分地層分布情況如表1和表2所示。

表1 南塔處部分地層分布情況Table 1Distribution of part of stratum under south tower

表2 北塔處部分地層分布情況Table 2Distribution of part of stratum under north tower

河床頂部為松散的粉砂和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在水流作用下極易形成沖刷。鉆孔平臺鋼管樁和樁基鋼護筒下沉完成后，江中形成阻水結(jié)構(gòu)物，必然加劇河床的沖刷。施工階段的最大局部沖刷深度可達20 m以上。

2 鉆孔平臺方案

2.1 鉆孔平臺總體布置

根據(jù)電塔樁基布置、工程水文及地質(zhì)條件、通航條件以及施工工藝布置要求等，鉆孔平臺總體采用鋼護筒及鋼管樁聯(lián)合支撐平臺方案，主要由鋼護筒、鋼管樁、平聯(lián)、斜撐、主梁、上下分配梁以及面板等組成。

塔基主體部分的鉆孔平臺共劃分為3個區(qū)域：上游部分為功能區(qū)，分臨時材料堆存區(qū)、倉庫、人員辦公及休息區(qū)、發(fā)電機及變電機房等；中間部分為鉆孔作業(yè)區(qū)；下游及兩側(cè)部分為履帶吊工作通道。內(nèi)部管理用房樁基鉆孔作業(yè)區(qū)通過棧橋與外圍主體部分相連。鉆孔平臺功能分區(qū)如圖3所示，總體平面布置如圖4所示。

2．3 農(nóng)村留守兒童社會適應(yīng)得分與其心理韌性得分的相關(guān)性 農(nóng)村留守兒童社會適應(yīng)各維度得分與其心理韌性各因子得分大都存在顯著負相關(guān)。見表3。

2.2 兩種鋼管樁布置形式的平臺方案

在不改變平臺總體平面布置的前提下，針對鋼管樁支撐部分，提出兩種結(jié)構(gòu)布置方案：大直徑鋼管樁方案和導(dǎo)管架方案。以北塔主體部分鉆孔平臺為對象，兩種方案的主要構(gòu)件設(shè)計參數(shù)如表3所示。其中，河床沖刷后泥面標(biāo)高按-20.0 m考慮（整體沖刷約10 m），平臺頂標(biāo)高為+7.5 m。

兩種平臺結(jié)構(gòu)立面布置如圖5和圖6所示。

圖3 鉆孔平臺功能分區(qū)布置（mm）Fig.3Function partition layout of drilling platform（mm）

圖4 平臺總體平面布置（mm）Fig.4Overall plane layout of drilling platform（mm）

3 兩種平臺方案比選分析

3.1 結(jié)構(gòu)受力性能

采用midas/civil建立兩種平臺的整體有限元模型，鋼護筒、鋼管樁、連接系及梁系采用梁單元模擬，梁系結(jié)構(gòu)進行簡化處理，各構(gòu)件之間固接，鋼護筒與鋼管樁在理想嵌固點處進行固結(jié)處理[5]。分析在最不利工況鉆孔平臺受波流荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載以及鉆機、履帶吊、臨時堆載等施工荷載作用下的整體結(jié)構(gòu)行為。

表3 兩種平臺主要構(gòu)件設(shè)計參數(shù)Table 3Design parameters of main components of two platforms

圖5 大直徑鋼管樁平臺立面布置（尺寸：mm；標(biāo)高：m）Fig.5Profile layout of large diameter steel pipe pile platform（Dimension：mm；Elevation：m）

圖6 導(dǎo)管架平臺立面布置（尺寸：mm；標(biāo)高：m）Fig.6Profile layout of steel pipe pile frame platform（Dimension：mm；Elevation：m）

兩種平臺的有限元模型分別如圖7和圖8所示。經(jīng)過計算，大直徑鋼管樁平臺最大應(yīng)力約159 MPa，出現(xiàn)于鋼護筒斜撐處，最大變形約103 mm，出現(xiàn)于兩側(cè)外圍鋼管樁頂部。鋼護筒群抗推剛度大于鋼管樁群，二者通過平聯(lián)、斜撐及樁頂梁連接而協(xié)同受力，減小了鋼管樁的受荷效應(yīng)。

導(dǎo)管架平臺最大應(yīng)力約163 MPa，出現(xiàn)于定位錨固樁處，最大變形約80 mm，出現(xiàn)于下游側(cè)鋼護筒頂部。導(dǎo)管架抗推剛度大于鋼護筒群，二者分離設(shè)置，在保證鋼護筒及其連接系受力安全的前提下，減小了導(dǎo)管架的受荷效應(yīng)。

圖7 大直徑鋼管樁平臺有限元模型Fig.7Finite element model of large diameter steel pipe pile platform

圖8 導(dǎo)管架平臺有限元模型Fig.8Finite element model of steel pipe pile frame platform

兩種方案結(jié)構(gòu)受力均滿足要求[6]，其中，水流荷載產(chǎn)生效應(yīng)占總效應(yīng)比均超過80%。

3.2 施工組織及方法

1）大直徑鋼管樁方案

鋼管樁及鋼護筒在加工廠制作完成后，水運至現(xiàn)場，利用2艘打樁船（60 m以上深度）進行沉放，如圖9所示，后續(xù)利用2艘200 t全回轉(zhuǎn)浮吊進行上部結(jié)構(gòu)安裝。鋼護筒區(qū)平臺具備條件后，及時安裝鉆機進行鉆孔施工，形成流水式作業(yè)。

圖9 大直徑鋼管樁平臺施工示意（1/2）Fig.9Construction outline of large diameter steel pipe pile platform（1/2）

2）導(dǎo)管架方案

導(dǎo)管架平臺分成4個分離式導(dǎo)管架，在碼頭或加工廠制作完成后，水運至現(xiàn)場，利用2艘600 t浮吊按照淤、于、盂、榆的順序依次抬吊安裝，如圖10所示，并采用1艘200 t全回轉(zhuǎn)浮吊配振動錘進行定位錨固樁的施工并安裝平臺上部結(jié)構(gòu)，然后在水下安裝抱箍將各導(dǎo)向架首尾連接成整體。同時，利用1艘打樁船進行鋼護筒沉放，利用1艘200 t全回轉(zhuǎn)浮吊在后續(xù)進行上部結(jié)構(gòu)安裝。鋼護筒區(qū)平臺具備條件后，及時安裝鉆機進行鉆孔施工，形成流水式作業(yè)。

圖10 導(dǎo)管架平臺施工示意圖Fig.10Construction outline of steel pipe pile frame platform

3.3 施工工期及成本

兩種方案工期均為從平臺搭設(shè)開始至結(jié)束為止；施工成本只作定性分析，主要包括材料量以及設(shè)備投入數(shù)量和時間，不考慮鋼護筒及上部結(jié)構(gòu)的材料量（兩者相同），只考慮大直徑鋼管樁平臺部分和導(dǎo)管架平臺部分的材料量，如表4所示。

綜上可知，兩種方案結(jié)構(gòu)受力均滿足要求，導(dǎo)管架平臺剛度較大，但其對定位錨固樁要求較高；導(dǎo)管架方案施工組織相對復(fù)雜，而且考慮到河床沖刷不確定性，其尺寸不易提前確定；導(dǎo)管架方案總體工期稍短，具備開鉆條件的時間相對較早，但投入設(shè)備及材料量較高，成本較大。因此，推薦選用大直徑鋼管樁平臺方案。

4 結(jié)語

1）根據(jù)項目特點，提出了鋼護筒及鋼管樁聯(lián)合支撐平臺總體方案，闡述了鉆孔平臺各分區(qū)功能，并針對鋼管樁支撐部分，提出兩種結(jié)構(gòu)布置方案：大直徑鋼管樁方案和導(dǎo)管架方案。

2）從結(jié)構(gòu)整體受力、施工組織、施工工期及成本上對大直徑鋼管樁方案和導(dǎo)管架方案進行了綜合分析比較。大直徑鋼管樁平臺方案不但結(jié)構(gòu)受力滿足要求，而且施工組織相對容易，成本低，滿足深水急流強感潮水域大規(guī)模樁基群的施工要求，是比較合理的鉆孔平臺方案。

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OUYANG Xiao-yong,REN Hui-xing,XU Wei.Key techniques for deep water bridge pile foundation construction[M].Beijing:China Communications Press,2006:5-33,56-66.

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LI Jia-ming.Key technology for constructing steel casings of large diameter piles in the river with strong tide and rapid flow[J]. Highway,2013(9):109-112.

[5]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

[6]GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

Drilling platform program for large-scale pile group in deep water with high velocity of flow and strong tide

DING Zhi-feng1,YAO Qing-tao2,LIU Yin-ying1,CHEN Qian-qian1,CHEN Zhe1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210008,China; 2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

It has the characteristics of great water depth,high velocity of flow and strong tide in the lower reaches of the Yangtze River where building the large-scale pile group is with high difficulty and great security risk.Drilling platform of pile foundation during erection and use is with great risk of erosion and serious structural safety and stability problems.Foundation construction project of one electricity transmission tower across the lower reaches of the Yangtze River as the background,we analyzed and compared two kinds of drilling platform programs of large diameter steel pipe piles and steel pipe pile frames from the aspects of structural arrangement,erection method,construction period and cost,the results show that the platform program of large diameter steel pipe pile is the more reasonable program,whose structural performance meets the requirement, construction organization is relatively easier and construction cost is lower.

deep water;high velocity of flow;strong tide;pile group;drilling platform;program comparison and selection

U445.55

A

2095-7874（2017）09-0044-06

10.7640/zggwjs201709009

2016-12-12

2017-01-23

丁志鋒（1976—），男，江蘇江陰人，高級工程師，主要從事電網(wǎng)建設(shè)研究與管理工作。E-mail：ring_ding76@sina.com