海上旋挖鉆鉆孔作業(yè)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

王國煒， 唐 楊， 郭延飛， 張茂然

(1.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司，山東 濟(jì)南 250101；2.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所，湖北 宜昌 443413；3.山東高速濟(jì)南至高青高速公路有限公司，山東 濟(jì)南 250101；4.山東華遠(yuǎn)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司，山東 濰坊 261061)

海上鋼平臺(tái)處于海洋環(huán)境之中，其受力情況復(fù)雜，吸引了越來越多的專家學(xué)者對(duì)海上鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，主要涉及靜力強(qiáng)度研究[1-2]、動(dòng)力響應(yīng)研究[3-4]、疲勞壽命研究[5-6]以及安全可靠度研究[7]等。在海上鋼平臺(tái)的施工和設(shè)計(jì)方面，嚴(yán)海寧等[8]依托漳江灣特大橋及連接線工程，對(duì)海上鋼棧橋、鋼平臺(tái)的施工工藝進(jìn)行研究，形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的施工工藝，可推廣至類似工程項(xiàng)目；王國煒等[9]以青島海灣大橋?yàn)槔榻B了海上鋼平臺(tái)的施工要點(diǎn)；張曉元等[10]以蘇拉馬都跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，介紹了海上施工平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)布置及施工方法。

本文以青島海灣大橋?yàn)槔?，?duì)海上鉆孔平臺(tái)的各關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，介紹了海上鉆孔平臺(tái)的施工工藝和施工中的注意事項(xiàng)，可為類似工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 鉆孔平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

青島海灣大橋的橋位地貌類型主要為堆積地貌：山前堆積區(qū)、濱海堆積區(qū)、山前沖積平原區(qū)。橋位區(qū)揭露為前第四紀(jì)中生界白堊系地層，橋位處揭露地層的主要特征如下：①上層，軟土層，全新世濱、淺海相沉積，主要為青灰色淤泥、淤泥質(zhì)亞粘土、淤泥質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂。②中層，粘土層、砂層，主要巖性為灰黃色亞粘土和中、粗砂及礫砂，厚度為 1.60～15.70 m，底板標(biāo)高為-8.25～-35.30 m。③下層，巖層，橋位內(nèi)沉積巖的主要巖性為泥巖、泥質(zhì)砂巖、角礫巖，局部夾玄武巖[9]。

樁基礎(chǔ)全部為鉆孔灌注樁，墩柱分為D類和E類，對(duì)應(yīng)樁徑為?160 cm和?180 cm，最大樁長(zhǎng)分別為70.3 m、69.3 m，混凝土標(biāo)號(hào)均為C35，樁型為摩擦樁，樁底底層為角礫巖。

施工水位采用0.5 m，平均高潮位是1.7 m，平均低潮位是-1.29 m。

在建設(shè)中采用搭設(shè)平臺(tái)進(jìn)行施工，為加快施工進(jìn)度，除了采用常規(guī)的回旋鉆進(jìn)行鉆孔，投入旋挖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工。

平臺(tái)采用全型鋼結(jié)構(gòu)，平臺(tái)基礎(chǔ)由臨時(shí)鋼管樁和鋼護(hù)筒組成，相互間采用平聯(lián)連接，其中上層平聯(lián)鋼管兼做鉆孔施工的泥漿循環(huán)連通管。鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆孔平臺(tái)結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.1 基礎(chǔ)

鉆孔平臺(tái)基礎(chǔ)采用臨時(shí)鋼管樁及鉆孔樁鋼護(hù)筒，均為直樁，材質(zhì)均為Q235A鋼。臨時(shí)鋼管樁樁徑為0.8 m，壁厚為10 mm。鋼護(hù)筒根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)要求選取。鋼管樁與護(hù)筒之間利用平聯(lián)進(jìn)行橫向連接以增強(qiáng)整體穩(wěn)定性，并且直接利用臨時(shí)鋼管樁的樁頂型鋼作為上部結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)，同時(shí)在鋼護(hù)筒的外側(cè)壁焊接鋼板牛腿作為支點(diǎn)。

1.2 平聯(lián)

為增加平臺(tái)樁基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性，設(shè)置兩層樁間水平聯(lián)系，并在水平聯(lián)系內(nèi)設(shè)置斜撐。平聯(lián)采用直徑32 cm、壁厚6 mm的鋼管，斜撐采用[20a。

1.3 型鋼扁擔(dān)梁

平臺(tái)型鋼扁擔(dān)梁采用雙拼HN600×200或HN500×200，順橋向擱置在臨時(shí)鋼管樁樁頂。

1.4 主梁

平臺(tái)主梁采用雙拼HN400×200型鋼，焊接成整體框架。

1.5 分配梁

平臺(tái)分配梁采用I20a，間距按50 cm布置。

1.6 橋面系

平臺(tái)面板采用8 mm厚鋼板鋪設(shè)，平臺(tái)兩側(cè)護(hù)欄高1.2 m，采用小直徑鋼管焊制；豎桿采用直徑為48 mm鋼管，間距3 m，底部焊接在I20a分配梁的端頭；水平橫聯(lián)采用直徑為48 mm的鋼管，在豎桿頂部及中間各一道。

2 鉆孔平臺(tái)的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

在鉆孔平臺(tái)上使用ZR250A旋挖鉆機(jī)鉆孔，整機(jī)設(shè)備總重74.5 t，留置有50 t泥漿池在平臺(tái)上，因此平臺(tái)上的荷載為旋挖鉆機(jī)和泥漿池自重。

2.1 平臺(tái)HN400×200型鋼驗(yàn)算

2.1.1 工況選取及建模方法

鉆機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)的荷載組合為自重和可變荷載作用下的基本組合，自重包括結(jié)構(gòu)本身、鉆機(jī)和泥漿池，可變作用考慮旋挖鉆機(jī)的動(dòng)荷載。選取旋挖鉆機(jī)在鉆孔工作狀態(tài)下作為驗(yàn)算工況，此時(shí)旋挖鉆履帶分別作用在2#、3#梁上，泥漿池作用在4#、5#梁上。具體荷載情況如下：旋挖鉆74.5 t荷載全部作用在平臺(tái)上，考慮1.2的動(dòng)載系數(shù)；泥漿池按50 t滿載考慮，布置在圖2所示位置，在鉆孔過程中不斷向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿。驗(yàn)算工況如圖2所示。

圖2 驗(yàn)算工況(單位：cm)

結(jié)構(gòu)桿件的受力分析采用Midas Civil 2019有限元分析軟件，首先在CAD中繪制鋼梁截面，然后保存為dxf文件，導(dǎo)入Midas Civil中的截面計(jì)算器進(jìn)行截面計(jì)算，然后保存為sec文件，在Midas Civil中將sec文件作為任意截面文件導(dǎo)入，建立鋼梁模型的節(jié)點(diǎn)和單元，邊界條件采用一般約束施加，集中力采用節(jié)點(diǎn)力施加，均布力采用梁?jiǎn)卧奢d施加。

2.1.2 均布荷載計(jì)算

2HN400×200的自重線荷載為：q1=1.32 kN/m。查詢相關(guān)型鋼規(guī)格資料得到I20a分配梁每延米的重量為27.929 kg，已知I20a分配梁的自重荷載由6根2HN400×200型鋼共同承擔(dān)，那么每根2HN400×200型鋼每延米承受的荷載計(jì)算如下：q2=(17.3m/0.5m+1)×27.929 N/m/6=1.66 kN/m。

已知面板荷載按由6根2HN400×200型鋼共同承擔(dān)，則每根2HN400×200型鋼承受的面板自重荷載為：q3=16.2 m×78.5 kN /m3×0.008 m/6=1.70 kN/m。

泥漿及泥漿池荷載按作用在4#、5#梁上，其均布線荷載為：q4=500 kN/(2×4 m) =62.5 kN/m。

旋挖鉆機(jī)履帶作用在2#、3#梁上，考慮1.2的動(dòng)載系數(shù)，其均布線荷載為：q5=745 kN×1.2/(2×4.6 m)=97 kN/m。

2.1.3 1#～6#梁受力計(jì)算

1#、6#梁為2HN400×200型鋼，考慮梁本身自重、分配梁自重及面板自重，通過計(jì)算得到2HN400×200型鋼梁的變形和內(nèi)力如圖3所示。

圖3 1#、6#梁計(jì)算結(jié)果

同理計(jì)算2#、3#梁及4#、5#梁，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 1#～6#梁受力計(jì)算結(jié)果

單組2HN400×200型鋼的材料特性為：抗彎截面系數(shù)W=1 190×2 cm3，橫截面對(duì)中性軸的慣性矩I=23 700×2 cm4，計(jì)算剪應(yīng)力以上毛截面對(duì)中和軸的面積矩S=3.28×10-3m3，容許彎曲正應(yīng)力[σ]=215 MPa，容許剪應(yīng)力[τ]=125 MPa，計(jì)算剪應(yīng)力位置截面寬度t=2×8 mm，最大計(jì)算跨徑L=615 cm。

最大正應(yīng)力σmax=Mmax/W= 45.4 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪應(yīng)力τmax=QS/It=95.3 MPa<125 MPa，最大撓度fmax=2.7 mm

2.2 平臺(tái)HN500×200、HN600×200型鋼驗(yàn)算

根據(jù)2HN400×200的支反力，可得出作用在2HN500×200、2HN600×200上的荷載。對(duì)A#、B#、C#梁進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 A#～C#梁受力計(jì)算結(jié)果

通過A#、B#、C#梁的計(jì)算結(jié)果，分別對(duì)2HN500×200、2HN600×200進(jìn)行驗(yàn)算。

(1)2HN500×200型鋼的材料特性為：W=1 910×2 cm3，I=47 800×2 cm4，S=5.54×10-3m3，[σ]=215 MPa，[τ]=125 MPa。

σmax=49.8 MPa<[σ]=215 MPa，τmax=64.9 MPa<125 MPa，fmax=4 mm

(2)2HN600×200型鋼的材料特性為：W=5 220 cm3，I=156 400 cm4，S=7.82×10-3m3，[σ]=215 MPa，[τ]=125 MPa。

σmax=184.4 MPa<[σ]=215 MPa，τmax= 49.3 MPa<125 MPa，fmax=5 mm

2.3 平臺(tái)I20a型鋼驗(yàn)算

選取旋挖機(jī)履帶作用在平臺(tái)上最大的空格中間工況，此時(shí)對(duì)I20a分配梁最為不利，如圖2所示。履帶荷載由9根I20a分配梁承受，此時(shí)分配梁的最大跨徑為3.9 m，選取履帶下面的單根分配梁作為研究對(duì)象。旋挖鉆74.5 t荷載全部作用在平臺(tái)上，考慮1.2的動(dòng)載系數(shù)。

履帶作用在單根I20a分配梁上的線荷載計(jì)算如下：q履帶=74.5 kN×1.2/(9×2×0.8 m)=6.2 kN/m。同理對(duì)單根I20a分配梁進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

2.4 鋼護(hù)筒牛腿焊縫驗(yàn)算

根據(jù)實(shí)際情況，牛腿主要受剪力和彎矩的影響，因鋼護(hù)筒以及臨時(shí)樁的偏位，貝雷梁可能會(huì)擱放在牛腿頂板的外邊緣，此時(shí)對(duì)牛腿最為不利，受力狀況如圖4所示。牛腿鋼材采用Q235鋼，焊縫厚度以最小母材厚度控制，焊縫厚度取14 mm，牛腿焊縫立面如圖5所示。

圖4 鋼護(hù)筒牛腿結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖5 牛腿焊縫(單位：cm)

由前工況分析計(jì)算，可得知牛腿承受的最大荷載為N0=382 kN。牛腿由2片豎向鋼板組成，即每片鋼板受力191 kN，對(duì)1塊牛腿的豎向焊縫進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，不考慮牛腿頂板、加勁鋼板的水平焊縫，則在1塊豎向鋼板上的荷載為N1=95.5 kN，N2=95.5 kN。豎向焊縫承受的最大剪力為Qmax=191kN。焊縫在彎矩作用下的偏心距為e1=70 cm，e2=25 cm，彎矩為M1=N1×e1=95.5 kN×70 cm=6 685 kN·cm，M2=N2×e2=95.5 kN×25 cm=2 387.5 kN·cm。

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得焊縫應(yīng)力計(jì)算公式為：

2.5 臨時(shí)樁穩(wěn)定性驗(yàn)算

臨時(shí)鋼管樁采用D=80 cm、厚度為1 cm的鋼管樁，樁長(zhǎng)24 m，樁頂標(biāo)高為+3.6 m，樁底標(biāo)高為-20.4 m。鋼材材料為Q235鋼，σp=200 MPa，彈性模量E=206 GPa。

2.5.1 相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算

臨時(shí)樁橫截面面積A= 0.025 m2，臨時(shí)樁慣性矩I= 0.001 93 m4。

2.5.2e值確定

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4-2012)，計(jì)算出鋼管樁和鋼護(hù)筒的假想嵌固點(diǎn)，假想嵌固點(diǎn)以下視為固接。

樁的相對(duì)剛度特征值：

t=ηT=2.2×1.99 m=4.4 m

式中：m為樁側(cè)地基土的水平抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)；b0為樁的換算寬度；t為受彎嵌固點(diǎn)距泥面深度；η為系數(shù)，取1.8～2.2，樁頂鉸接或者自由長(zhǎng)度較大時(shí)取小值，樁頂固結(jié)或者自由長(zhǎng)度較小時(shí)取大值；?800 mm鋼管樁的Ip取值為0.001 93 m4。

考慮4.5 m的沖刷深度，?800 mm鋼管樁起始嵌固點(diǎn)標(biāo)高為：(-5.5-4.5-4.4)m=-14.4 m，則從臨時(shí)樁假想嵌固點(diǎn)到樁頂?shù)拈L(zhǎng)度為：3.39 m+14.4 m≈18 m。需要說明的是，考慮4.5 m的沖刷深度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際的沖刷深度，而且平臺(tái)在海中的使用時(shí)間僅為半年，實(shí)際沖刷很少。固壓桿柔度計(jì)算公式中的e=18 m。

2.5.3 μ值確定

μ為長(zhǎng)度系數(shù)，臨時(shí)鋼管樁為下端固定，上端自由，取μ=2。需要說明的是，μ的取值已經(jīng)忽略了臨時(shí)樁上平聯(lián)鋼管的固定作用，為偏安全考慮，不將臨時(shí)樁頂作為固定端，仍作為自由端考慮。

2.5.4 柔度確定

2.5.5 結(jié)論

根據(jù)平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的自重及平臺(tái)上的荷載，單根臨時(shí)樁的壓力<500 kN，遠(yuǎn)小于臨界壓力Pcr，所以平臺(tái)臨時(shí)樁不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

3 鉆孔平臺(tái)搭設(shè)施工方法

3.1 施工工藝

鉆孔平臺(tái)基礎(chǔ)由臨時(shí)鋼管樁和鋼護(hù)筒組成，臨時(shí)樁采用直徑0.8 m、壁厚1 cm的鋼管樁，樁采用鋼管平聯(lián)連接。臨時(shí)鋼管樁采用浮吊起吊，采用135 kW(或90 kW)電動(dòng)振樁錘插打，GPS測(cè)量定位。

鉆孔平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)采用型鋼結(jié)構(gòu)，臨時(shí)樁樁頭抄平后利用浮吊進(jìn)行平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)的安裝。步驟為：臨時(shí)鋼管樁插打→樁頭超平→臨時(shí)樁之間平聯(lián)、斜撐焊接→2H600×200、2H500×200扁擔(dān)型鋼安裝→鋼護(hù)筒插打→鋼護(hù)筒上牛腿焊接→2H400×200型鋼框架梁安裝→I20a分配梁安裝→8 mm厚面板鋪裝→30 t龍門吊安裝→平臺(tái)防撞設(shè)施、走梯、護(hù)欄等設(shè)施安裝。

3.2 質(zhì)量控制

(1)海上GPS測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定或難以接收到信號(hào)，采取利用有信號(hào)時(shí)段進(jìn)行特征點(diǎn)臨時(shí)鋼管樁的插打，在無信號(hào)時(shí)段可采用“拉線”定位的方法進(jìn)行其它臨時(shí)鋼管樁插打的方式解決。

(2)平臺(tái)搭設(shè)一些安全及附屬設(shè)施可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增設(shè)和適當(dāng)調(diào)整。

(3)在鉆孔施工過程中，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)鋼護(hù)筒上的牛腿、臨時(shí)樁沉降的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

(1)平臺(tái)結(jié)構(gòu)符合相關(guān)規(guī)范要求并在實(shí)地建設(shè)中應(yīng)用，安全可靠。

(2)平臺(tái)采用常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)材料，工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量控制規(guī)范，節(jié)能環(huán)保，為今后的同類型海上項(xiàng)目建設(shè)提供了良好的借鑒參考。

(3)平臺(tái)設(shè)計(jì)為左右幅，兩幅之間由通道連通，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，將左右幅平臺(tái)之間的空間全部鋪滿型鋼、面板，以充分利用平臺(tái)。

(4)平臺(tái)上鋪設(shè)的面板之間留有縫隙，鉆孔時(shí)泥漿可能流入海中，可對(duì)面板之間的縫隙采用3 mm厚鋼板進(jìn)行封焊。

(5)I20a分配梁設(shè)計(jì)布置間距為50 cm，為確保安全，可在鋼護(hù)筒周圍需擱放鉆機(jī)的位置加密分配梁的間距，間距縮小到35 cm左右。