強(qiáng)浪條件下一體夾樁施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

◎ 楊武 中交四航局第二工程有限公司

為了加強(qiáng)沉樁后樁基的穩(wěn)定性，改善施工期受力狀態(tài)，避免單根鋼管樁由于受到水流、風(fēng)浪影響造成樁基傾覆、偏位。通常設(shè)計(jì)單位會(huì)要求施工單位及時(shí)對(duì)鋼管樁進(jìn)行縱橫向夾樁，使鋼管樁連成整體，增加已沉鋼管樁抗水流、風(fēng)浪的能力，施工單位也會(huì)為了方便上部結(jié)構(gòu)施工而搭建臨時(shí)施工平臺(tái)。

目前，高樁碼頭夾樁連接方式有4種:（1）吊筋方式。（2）牛腿方式。（3）鋼板抱箍方式。（4）吊掛方式。以上4 種夾樁形式，雖能滿足夾樁要求但傳統(tǒng)方法實(shí)施時(shí)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)浪條件要求均較為苛刻。所以，尋找一種適用于強(qiáng)風(fēng)浪作用條件且安全、高效的一體夾樁施工平臺(tái)是提高碼頭施工功效的關(guān)鍵。

1.工程概況

某在建某原油碼頭工程項(xiàng)目主要包括原油碼頭、島式深水防波堤、引橋、疏浚、港池、航道、錨地和工作船?？坎次坏葍?nèi)容。其中原油碼頭建設(shè)規(guī)模為：建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)原油泊位1個(gè)（水工結(jié)構(gòu)按靠泊40萬(wàn)噸油輪設(shè)計(jì)）及相應(yīng)配套設(shè)施。原油碼頭泊位總長(zhǎng)420m，采用蝶形高樁墩式布置。原油碼頭設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為2000萬(wàn)噸。

表1 施工平臺(tái)內(nèi)邊沿尺寸表（mm）

該原油碼頭工程結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，水上施工工序多、工期長(zhǎng)，所處區(qū)域自然條件較為惡劣，所處海域具有風(fēng)浪大、水深流急、季風(fēng)明顯、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)等特點(diǎn)，水上作業(yè)受天氣影響大，全年可作業(yè)時(shí)間短，風(fēng)浪和季候風(fēng)影響時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣。根據(jù)自然資料分析，其中每年4～9月可作業(yè)天數(shù)約為95d、10月至次年3月可作業(yè)天數(shù)約為18d，全年水上可作業(yè)天數(shù)約為113d，可作業(yè)天數(shù)不足全年的31%。

該工程施工墩臺(tái)離水面距離較高，在夾樁過(guò)程中人員極易踩空落水，存在極大安全風(fēng)險(xiǎn)且施工效率極慢。

2.施工平臺(tái)設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

2.1 施工平臺(tái)設(shè)計(jì)

由于該工程每個(gè)墩臺(tái)的樁基均不同，因此不同樁基的施工平臺(tái)尺寸需根據(jù)實(shí)際樁基布置情況以及實(shí)際夾樁選定標(biāo)高計(jì)算取值，以QD14墩臺(tái)樁基為例，8根鋼管樁均存在斜度且斜度不盡相同，因此可利用樁的斜度設(shè)計(jì)一體化框架式施工平臺(tái)，通過(guò)起重船（或駁船+履帶吊的形式）將該平臺(tái)吊框在已打好的鋼管樁基上，然后再通過(guò)登上施工平臺(tái)逐層燒焊鋼牛腿、縱橫平聯(lián)型鋼和斜拉型鋼來(lái)加固樁基加固施工平臺(tái)，進(jìn)而完成夾樁，最后完成支撐上部墩臺(tái)底膜等結(jié)構(gòu)，為墩臺(tái)澆筑創(chuàng)造條件。

施工海區(qū)有關(guān)設(shè)計(jì)水位取值如下：

極端高水位（50年一遇）：3.12m；設(shè)計(jì)高水位：1.87m；設(shè)計(jì)低水位：0.30m；極端低水位（50年一遇）：-0.16m。

（1）設(shè)計(jì)要點(diǎn)。結(jié)合上述施工水域水位情況以及樁基情況，并充分考慮施工人員上下平臺(tái)的便利性以及夾樁的穩(wěn)定性，來(lái)決定施工平臺(tái)的層數(shù)，以QD14鋼管樁基為例，考慮設(shè)計(jì)三層施工平臺(tái)用于輔助夾樁；設(shè)計(jì)的框架式施工平臺(tái)框套在鋼管樁基上時(shí)，應(yīng)盡量使4個(gè)內(nèi)邊沿與鋼管樁外壁相切，以便充分利用樁基鋼管樁的斜度，使初步吊框在樁基上的施工平臺(tái)保持穩(wěn)定狀態(tài)，方便后續(xù)的加固和夾樁作業(yè)；施工平臺(tái)需滿足自身吊裝強(qiáng)度，最高層施工平臺(tái)需在夾樁完成后滿足承載底膜及混凝土載荷的要求。

（2）尺寸計(jì)算。根據(jù)該施工海域潮流及波浪等水位特征，以及后續(xù)施工的需要，最底層施工平臺(tái)底標(biāo)高取+3.5m，中間層施工平臺(tái)底標(biāo)高取+6.5m，最高層施工平臺(tái)底標(biāo)高取+9.45m（兼上部墩臺(tái)澆筑底模支撐），根據(jù)最終的實(shí)際沉樁記錄結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙建立三維數(shù)據(jù)模型，在模型中通過(guò)量取上述不同標(biāo)高處平臺(tái)的內(nèi)邊沿尺寸，可發(fā)現(xiàn)均為不規(guī)則四邊形，具體尺寸見表1。

（3）基本結(jié)構(gòu)。施工平臺(tái)主要基本結(jié)構(gòu)為四邊形，由I30工字鋼焊接而成，[20槽鋼用于制作防護(hù)欄底座，使護(hù)欄外飄方便施工人員行走，安全護(hù)欄使用φ16mm鋼筋焊接。施工平臺(tái)所用主要材料及規(guī)格見表2，安裝示意圖如圖1。

2.2 施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

最底層和中間層施工平臺(tái)主要承載平臺(tái)自身的重量和作業(yè)人員的重量，最高層施工平臺(tái)除承載平臺(tái)自身的重量和作業(yè)人員的重量外，加強(qiáng)后的施工平臺(tái)還需承載縱橫平聯(lián)型鋼的重量以及墩臺(tái)模板和現(xiàn)澆混凝土的重量（本文簡(jiǎn)略認(rèn)為以上載荷是均布載荷）。

（1）工況1：平臺(tái)吊裝時(shí)，四點(diǎn)受力且四個(gè)受力點(diǎn)均在施工平臺(tái)四個(gè)角時(shí)為平臺(tái)吊裝階段可能出現(xiàn)的最不利工況（實(shí)際吊裝設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)），對(duì)此進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建?？芍?，最低層施工平臺(tái)（+3.5m標(biāo)高）自重約3.3t，中間層施工平臺(tái)（+6.5m標(biāo)高）自重約3.1t，最高層施工平臺(tái)（+9.45m標(biāo)高）自重約2.8t。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后進(jìn)行有限元計(jì)算可得出如圖2-（a）～（c）所示結(jié)果：

表2 施工平臺(tái)所用主要材料及規(guī)格表

如圖2所示，標(biāo)高3.5m施工平臺(tái)最大應(yīng)力為195MPa，最小安全系數(shù)為1.2，標(biāo)高6.5m施工平臺(tái)最大應(yīng)力為173MPa，最小安全系數(shù)為1.3，標(biāo)高9.45m施工平臺(tái)最大應(yīng)力為155MPa，最小安全系數(shù)為1.5，在此吊裝工況下，施工平臺(tái)可滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

（2）工況2：平臺(tái)使用階段，最高層平臺(tái)上需承載施工人員以及夾樁所需平聯(lián)型鋼、底膜和現(xiàn)澆混凝土的重量，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可按上部結(jié)構(gòu)重量約2000t計(jì)算（現(xiàn)澆混凝土為1980t，其余暫估為20t），且為了能承載上述載荷，需在該層平臺(tái)下燒焊牛腿以將力更有效的傳遞給鋼管樁，此時(shí)為平臺(tái)使用階段的最不利工況。三維建模計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

采用原設(shè)計(jì)I3 0工字鋼建模計(jì)算，結(jié)果顯示最大應(yīng)力部位應(yīng)力為1018 MPa，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度235MPa，且加固后的施工平臺(tái)最大位移變形35mm，不滿足使用要求。選取I55工字鋼（Q345）建模，并對(duì)應(yīng)力最大節(jié)點(diǎn)處重新進(jìn)行細(xì)化計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。

圖1 三層施工平臺(tái)安裝總示意圖

圖2 不同標(biāo)高施工平臺(tái)應(yīng)力及安全系數(shù)云圖

圖3 9.45m標(biāo)高施工平臺(tái)承重應(yīng)力云圖與安全系數(shù)云圖

圖4 優(yōu)化后9.45m標(biāo)高施工平臺(tái)承重應(yīng)力云圖與位移云圖

綜上，加大選材后重新計(jì)算的結(jié)果為最高層施工平臺(tái)最大應(yīng)力部位應(yīng)力為318MPa，低于材料屈服強(qiáng)度345MPa，且最大變形處位移為6.8mm，低于1/1000最大跨距的規(guī)范要求，滿足實(shí)際使用強(qiáng)度。

3.現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

3.1 施工平臺(tái)制作

一體吊裝框架式施工平臺(tái)框架型鋼、平聯(lián)型鋼、牛腿型鋼、吊耳板、安全防護(hù)欄及斜拉型鋼等用料需在岸上按規(guī)格尺寸開好料，在岸上將平臺(tái)制作成型并安裝好防護(hù)欄，制作時(shí)除焊接框架4條工字鋼還需焊接縱橫兩條工字鋼用于增加一體吊裝框架式施工平臺(tái)的剛度，其余材料轉(zhuǎn)運(yùn)到駁船或起重船上用于平臺(tái)加固。

3.2 施工工藝流程

施工平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)吊裝時(shí)，起重船（或駁船+履帶吊的形式）先在待夾樁樁基位置附近就位，定好位后，起重船（或駁船+履帶吊的形式）起吊平臺(tái)，施工人員通過(guò)溜尾繩子調(diào)整平臺(tái)姿態(tài)和位置，將其按設(shè)計(jì)標(biāo)高和方向框套在樁基鋼管樁上，三層平臺(tái)逐層吊裝穩(wěn)后，最后焊接牛腿，加焊平聯(lián)型鋼和斜拉型鋼，加固樁基，完成夾樁。

4.應(yīng)用效果

在施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用中，采用一體吊裝框架式施工平臺(tái)輔助夾樁后，單個(gè)墩臺(tái)由傳統(tǒng)輔助夾樁時(shí)的14d/墩臺(tái)功效，提高為7d/墩臺(tái)功效，提高了夾樁效率的同時(shí)也保障了作業(yè)安全，較好的滿足了施工現(xiàn)場(chǎng)的需求。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文以在建某原油碼頭工程為依托，根據(jù)主體碼頭墩臺(tái)樁基的特點(diǎn)，針對(duì)外海惡劣海況，提出一體式框架式施工平臺(tái)整體吊裝的輔助夾樁施工思路。經(jīng)實(shí)施，該工藝可有效消除傳統(tǒng)施工工藝所帶來(lái)的功效低、風(fēng)險(xiǎn)高等弊端，提高了夾樁施工的整體功效和安全性。本文的相關(guān)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，可為今后同類海況下樁基夾樁施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供借鑒。