水上樁基施工鋼護(hù)筒平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

王 安，張 凱

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

鉆孔平臺是水中橋梁鉆孔樁施工的臨時輔助設(shè)施，它的作用是承受機(jī)械重量和施工荷載，為水中鉆孔樁施工提供作業(yè)面。水中鉆孔樁施工的順利完成，能夠為后續(xù)作業(yè)打下堅實的基礎(chǔ)，因此，鉆孔平臺的搭設(shè)十分必要。

目前水中鉆孔平臺的主要形式有鋼管樁平臺以及鋼管樁與鋼護(hù)筒共同承重鉆孔平臺。李小青等[1]以南陽市宛坪高速公路重陽水庫大橋鉆孔灌注樁水上施工平臺為研究背景，運用ANSYS軟件進(jìn)行鋼管樁支撐固定式水上施工平臺的力學(xué)行為分析，研究水上樁基施工平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，并且探討平臺結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵施工技術(shù)；何樹凱[2]介紹了以鋼管樁為基礎(chǔ)的水上作業(yè)平臺，及其在獨塔雙索面斜拉橋閬中嘉陵江四橋中應(yīng)用的計算結(jié)果及具體施工流程；羅超云等[3]以嘉紹跨江大橋為例，確定了鋼管樁與鋼護(hù)筒聯(lián)合承重的平臺結(jié)構(gòu)，分析了橋位處的平臺受力，保證了樁基順利施工。

從以上研究成果可以看出，對于鉆孔平臺的介紹多為設(shè)計依據(jù)及施工方法。本文以國道108線禹門口黃河公路大橋的水上鋼平臺為例，通過介紹鋼管樁與鋼護(hù)筒聯(lián)合平臺的施工方法，對施工中的荷載進(jìn)行分析，驗證平臺的安全性及合理性，采用鋼護(hù)筒的基礎(chǔ)及鋼管連通的泥漿循環(huán)裝置，提高空間和材料的利用率，為類似的工程提供參考。

1 工程概況

擬建禹門口黃河公路大橋位于舊橋下游420 m處，主橋為一座主跨565 m雙塔雙索面半漂浮體系的鋼混結(jié)合梁斜拉橋，跨徑組成為245 m+565 m+245 m，跨徑全長1 055 m，橋面寬30.25 m[4]。主橋11#墩采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，單樁直徑為2.0 m，樁長65 m，承臺尺寸為49 m×29 m，樁基沿順橋向布設(shè)6排，每排10根樁，共60根。主橋11#墩位于黃河主河槽內(nèi)，根據(jù)橋位地質(zhì)勘察報告，地層自上而下依次為：第1層0～18.6 m為細(xì)砂；第2層18.6～27 m為粗砂；第3層27～34.8 m為卵石；第4層34.8～47.5 m為中砂；第5層47.5～60 m為卵石；第6層60～67.2 m為中砂；第7層67.2～83.7 m為卵石，具體地層分布情況見表1。

表1 主塔11#墩地層巖性分布

黃河在禹門口上游，屬峽谷型河道，常年有流水，水流量較大，季節(jié)性變化明顯, 枯水期水量較小，雨季洪水暴漲，水位及流量變化較大[5-6]。橋址區(qū)河道冰情于每年11月中、下旬開始，歷時80～130 d，最大冰塊直徑為10.0 m、厚2.5 m。

為避免11#主塔樁基施工期間被洪水和冰凌淹沒，需要搭設(shè)一座鋼平臺。

2 鋼平臺設(shè)計

2.1 平臺組成

主橋11#墩鋼平臺單跨標(biāo)準(zhǔn)跨度為5 m，共14跨，鋼平臺寬、長分別為56、36 m，總面積為2 016 m2。

鉆孔平臺主要由鋼護(hù)筒、鋼管樁、橫向聯(lián)系、牛腿、平臺面板和護(hù)欄組成。鋼平臺下采用11榀單層3排90貝雷梁，各榀貝雷梁間采用10 cm×10 cm角鋼進(jìn)行連接[7]。鋼平臺橫向每10 m、縱向間距榀間雙拼I40a工字鋼作為橫梁連成整體；分配橫梁采用雙拼I25a型工字鋼，間距為0.5 m；橋面系鋪倒扣20#槽鋼縱梁和1 cm厚壓花鋼板；鋼平臺下基礎(chǔ)采用Φ630×10 mm鋼管樁作為支撐主體[8-9]。為確保鋼筒受力均勻，在鋼筒頂端設(shè)置蓋帽鋼板，尺寸為1 m×1 m×2.0 cm，鋼管柱頂端與蓋帽鋼板間設(shè)置加勁板，數(shù)量為4塊，布置形式為雙對角十字。加勁板尺寸為30 cm×20 cm×1.6 cm，鋼管樁上部枕梁為橫向雙拼I40a，承擔(dān)上部荷載[10]。11#墩鉆孔平臺布置見圖1、2。

圖1 11#墩鉆孔平臺平面布置

圖2 11#墩鉆孔平臺立面布置

鋼護(hù)筒之間通過Φ630×10 mm鋼管聯(lián)通管連接成整體，連通管作為泥漿回路。

2.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

鋼平臺設(shè)計荷載采用單臺160 t重460型履帶式旋挖鉆機(jī)。鋼平臺橋面底部(貝雷梁下弦底部)標(biāo)高按施工期間設(shè)計洪水位加1.0 m考慮(標(biāo)高為383.7 m)[11]。

2.3 平臺平面布置

為確保鉆孔平臺布局合理，方便施工，對11#墩鉆孔平臺主要機(jī)械設(shè)備進(jìn)行布置，見圖3。

圖3 11#墩鉆孔平臺主要機(jī)械設(shè)備布置

2.4 平臺檢算

2.4.1 荷 載

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計計算荷載分為恒載和活載。

(1)恒載。平臺結(jié)構(gòu)總重123 kN(按寬6 m、長5 m計算，靜載系數(shù)取1.2)。

(2)活載。160 t旋挖鉆履帶輪距520 cm，行駛接地長度為685 cm，履帶板寬度為90 cm，如圖4所示。載重量計自重140 t，吊重20 t。由于旋挖鉆通過次數(shù)較少且慢速前行，故不考慮沖擊系數(shù)，旋挖鉆的安全系數(shù)取1.4；按均布荷載考慮，由于旋挖鉆車寬超出鋼平臺寬度，行走時有一半重量位于橋梁中部時，為最不利工況，見圖5。施工荷載及人群荷載取2.5 kN·m-2。

2.4.2 貝雷梁、分配梁驗算

(1)貝雷梁驗算。計算貝雷片在靜荷載、活荷載和施工荷載作用下的最大彎矩、剪切力、最大撓度，與容許值進(jìn)行比較，可知貝雷梁受力滿足規(guī)范要求。

圖4 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 旋挖鉆荷載分布

(2)20#槽鋼驗算。20#槽鋼為滿鋪，其下工字鋼間距50 cm，見圖6。車輛在行駛過程中，履帶板將重量均勻分配到下方10根槽鋼，則每根槽鋼的受力為22.9 kN·m-1，經(jīng)計算20#槽鋼滿足施工荷載要求。

(3)I25a工字鋼橫梁驗算。根據(jù)鋼平臺的特點，荷載均傳遞在雙拼I25a的工字鋼橫梁上[12]。旋挖鉆重1 568 kN，行駛中至少由15根工字鋼共同承重，則單根工字鋼受力為104.53 kN，I25a按支承于相鄰貝雷片上受集中荷載的連續(xù)跨進(jìn)行強度和剛度驗算，計算結(jié)果滿足施工荷載要求。

圖6 槽鋼荷載分布

圖7 分配梁荷載分布

(4)雙拼I40a枕梁驗算。樁頂橫向雙拼I40a工字鋼，支承著Φ630鋼管樁上所受集中荷載，上方重量通過6片貝雷傳遞到枕梁上，由4根工字鋼共同承重(圖7)，活載安全系數(shù)取1.4。經(jīng)計算I40a工鋼滿足施工荷載要求。

2.4.3 鋼管樁、鋼護(hù)筒受力驗算

(1)承載力驗算。地面以下16.1 m為細(xì)砂層，樁側(cè)摩阻力為55～70 kPa；16.1～39.6 m為卵石層，樁側(cè)摩阻力為220～400 kPa，設(shè)計樁的長度為27.784 m，考慮沖刷面以上鋼管樁長8.784 m、鋼護(hù)筒為8.39 m，鋼管樁的入土深度為19 m，鋼護(hù)筒的入土深度為16.5 m，樁端進(jìn)入細(xì)砂層。不計鋼管樁自重，根據(jù)規(guī)范取樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3 500 kPa。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63—2007)計算單樁承載力，即

式中：[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值(kN)，樁身自重與置換土重(當(dāng)自重計人浮力時，置換土重也計入浮力)的差值作為荷載考慮；U為樁身周長(m)；n為土的層數(shù)；Li為承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度(m)；Qik為與Li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，宜采用單樁摩阻力試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當(dāng)無試驗條件時按規(guī)范選用；Qrk為樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，宜采用單樁試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當(dāng)無試驗條件時按規(guī)范選用；αi、αr分別為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)，按規(guī)范選用；對于錘擊、靜壓沉樁均值取為1.0。

(2)穩(wěn)定性驗算。鋼管樁樁頂至嵌固點的距離為8.784m，樁一端嵌固另一端為可縱向移動的鉸接，自由長度計算系數(shù)取1.3，計算柔度并查表可知鋼管樁和鋼護(hù)筒的應(yīng)力滿足設(shè)計要求。

3 鉆孔平臺施工

鉆孔平臺的施工順序如圖8所示。鋼平臺施工采用50 t履帶吊配合振動錘打設(shè)鋼護(hù)筒，并安裝上部結(jié)構(gòu)，通過平板車運輸鋼護(hù)筒、型鋼、橋面板等材料。

圖8 施工流程

(1)鋼平臺下部結(jié)構(gòu)施工。利用履帶吊將鋼護(hù)筒吊裝至平板車上，運至鋼平臺前端。鋼護(hù)筒下沉是履帶吊配合振動錘施工，接樁一次打設(shè)到位。在已經(jīng)拼裝完成的鋼平臺上，用懸臂導(dǎo)向架對確定樁位后，起吊鋼護(hù)筒，在測量人員的控制下對鋼護(hù)筒進(jìn)行精確定位。導(dǎo)向架的垂直度和平面位置經(jīng)測量復(fù)核滿足設(shè)計要求后，進(jìn)行沉樁施工[13-14]。在打設(shè)鋼護(hù)筒的過程中，不斷檢測樁位及樁的垂直度，及時發(fā)現(xiàn)偏差并糾正。實際施工過程中各個樁位處地質(zhì)情況復(fù)雜，用DZ90振動錘將鋼護(hù)筒打入地基土層中，直至樁底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計高程且DZ90振動錘3 min無進(jìn)尺為止。按照上述步驟，完成鋼護(hù)筒的施工。鋼平臺一個墩位處鋼護(hù)筒施工完成后，立即進(jìn)行該墩鋼護(hù)筒間的橫向聯(lián)系、樁頂承重梁施工[15]。

(2)泥漿循環(huán)裝置。水中樁基的泥漿池受工作面的限制，造成工程質(zhì)量和進(jìn)度無法滿足施工要求。若將泥漿池設(shè)置在水中，泥漿倒運不方便；若將泥漿池設(shè)置在平臺上，則會增加平臺施工成本，且干擾施工。綜合考慮現(xiàn)場諸多因素，將60根樁基劃分為10個區(qū)域，每6根樁基為1個區(qū)域，樁基護(hù)筒之間通過Φ630×10 mm鋼管相連，利用平聯(lián)鋼管及護(hù)筒進(jìn)行泥漿循環(huán)。

在施工過程中，由樁基鉆孔及清孔產(chǎn)生的鉆渣，隨泥漿通過鋼管流入鄰近未施工的樁基護(hù)筒內(nèi)。泥漿中攜帶的鉆渣在護(hù)筒內(nèi)沉淀，再由泥漿泵將沉淀后的泥漿抽回到施工樁基所在護(hù)筒內(nèi)，形成泥漿循環(huán)。當(dāng)鉆渣填滿護(hù)筒時，通過挖機(jī)配合運輸車將廢渣運至指定棄渣場[16]。

(3)鋼平臺上部結(jié)構(gòu)安裝。鋼平臺上部結(jié)構(gòu)的安裝采用橋面履帶吊進(jìn)行[17]。

貝雷梁的拼裝應(yīng)按組進(jìn)行，每組貝雷長12 m，貝雷片之間用支撐架連接成整體。將拼裝完成的一組貝雷主桁片運送到鋼平臺前端。用履帶吊先安裝1組貝雷梁，準(zhǔn)確就位后將其牢固捆綁在橫梁上；然后焊接限位器，再安裝另一組貝雷梁；安裝好的2組貝雷梁之間用剪刀撐進(jìn)行連接加固，依此類推完成整跨貝雷梁的安裝。

在履帶吊的配合下，按設(shè)計間距安裝雙拼I25a工字鋼橫梁，并用U型螺栓固定好。

(4)橋面系施工。單跨鋼平臺上部結(jié)構(gòu)安裝完成后進(jìn)行平臺橋面系施工，采用履帶吊安裝平臺頂面鋼板，橋面板縱梁與橫梁接觸點均要滿焊焊接，焊縫質(zhì)量要滿足設(shè)計和規(guī)范要求，在面板間設(shè)置1 cm的伸縮縫，以防止因溫度變化而造成的橋面翹曲起伏。

橋面系施工時，需注意預(yù)留樁位處鋼護(hù)筒鉆孔位置?？紤]到施工期間各種機(jī)械設(shè)備須上鋼平臺，故在鋼平臺橋面系上預(yù)留2條施工通道，以保證施工車輛的正常通行。

(5)鋼平臺施工技術(shù)措施。鋼護(hù)筒與I40a工字鋼承重梁連接時，鋼護(hù)筒頂端側(cè)面各安裝一套小牛腿，并滿焊連接。每個小牛腿由1塊Ⅰ號鋼板及2塊Ⅱ號鋼板焊接而成，Ⅰ號鋼板為30 cm×20 cm×1.6 cm的矩形，Ⅱ號鋼板為30 cm×20 cm×1.6 cm的三角形。小牛腿連接I40a工字鋼橫梁，防止鋼護(hù)筒發(fā)生局部壓曲破壞。I40a工字鋼與U型20#槽鋼之間采用焊接，由于I40a工字鋼為雙拼，直接焊接能夠保證其穩(wěn)定性。貝雷梁是定型鋼結(jié)構(gòu)，不容許直接焊接，故I40a工字鋼與貝雷梁架之間采用端限位構(gòu)造，限制貝雷梁移動；每榀貝雷梁架之間采用10 cm×10 cm角鋼橫向連接成整體，保證貝雷梁架的整體穩(wěn)定性。貝雷梁與I25a工字鋼采用U型螺栓連接，I25a工字鋼必須鋪放在貝雷梁架的節(jié)點處。

(6)鋼平臺防冰凌措施。11#鋼平臺位于河道內(nèi)，常年有水，且水流湍急，因此在鋼平臺上游側(cè)每排鋼管樁樁位上方2.5 m處設(shè)置3根防冰凌鋼管樁，頂面高度與鋼平臺鋼管樁及鋼護(hù)筒一致，打入深度10 m，采用20#槽鋼連接成整體，并用1 cm厚鋼板將外露部分2 m高度包裹。

(7)鋼平臺拆除。樁基施工完成后即進(jìn)行鋼平臺的拆除。鋼平臺拆除采用50 t履帶吊配合DZ 90振動錘，從上至下的順序依次為：橋面系鋼板鋪裝、槽鋼拆除，分配梁拆除，貝雷梁、鋼橫梁、鋼護(hù)筒間剪刀撐拆除，割除鋼護(hù)筒。

4 結(jié) 語

國道108線禹門口黃河公路大橋樁基施工平臺為鋼管樁和鋼護(hù)筒共同受力的施工平臺，與常規(guī)的鋼管樁基礎(chǔ)平臺相比，它充分利用鋼護(hù)筒作為平臺支撐系統(tǒng)，在承載能力、安全性、穩(wěn)定性方面更有優(yōu)勢，還大大節(jié)省了工程造價。此外，鋼護(hù)筒之間通過鋼管連接，既可做橫向支撐聯(lián)系，又是泥漿循環(huán)的通道，有效減少了泥漿池的數(shù)量，節(jié)省了成本。鋼平臺搭設(shè)完成后即進(jìn)行鉆孔樁施工，鋼平臺用小塊面板組成，施工時只掀開本樁位處面板，搬運方便，不易對面板造成變形。鋼平臺的搭設(shè)為后續(xù)施工主橋提供了便利，也為類似水中大直徑樁基的施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

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