海上引桥钢护筒式钻孔平台的设计与施工

海上引桥钢护筒式钻孔平台的设计与施工商凯（中国铁建港航局集团有限公司浙江宁波邮编315000）摘要：结合宁波象山港公路大桥北引桥低墩区P24P31号墩钻孔桩施工，介绍采用钢护筒作 为钢平台的主要受力结构、并且利用打桩船沉放钢护筒的钻孔平台的设计方案和施工工艺。关键词：象山港大桥钻孔平台设计施工1引言从施工角度讲，海上搭设钻孔施工平台和实施灌注型嵌岩桩，均为较常规的施工工艺， 但传统的施工工艺为先搭设施工平台，后沉放钢护筒，再开始钻孔施工。引桥区采用钢护筒 作为主要受力结构，并且利用大型打桩船沉放钢护筒的施工平台则比较少见。象山港大桥 P24P31号墩成功运用了打桩船沉放钢护筒并将护筒做为主要受力结构。2工程概况宁波象山港公路大桥位于宁波市和象山县之间、横山码头和西泽码头西侧的象山港水域， 桥梁全长6.761km。P24P31号墩为60m预应力混凝土连续箱梁引桥低墩区，承台采用整体 式哑铃形承台，平面尺寸为22.45X7.6m，厚度为3m，系梁平面尺寸为4.05X4.5m，厚度为 2.5m。承台顶高程为3.2m，底面高程为0.2m。根据受力需要，一个基础下设8根直径为2.0m 混凝土钻孔灌注桩，按支撑桩进行设计，桩长为56.685m，桩底进入中风化岩深不小于4m。2.1水文条件象山港内潮汐属非正规半日浅海潮，受地形影响，潮波运动以驻波为主。桥区附近多年 平均潮差约3.08m，最大潮差达5.65m。落潮流速较涨潮流速大，最大流速约1.66m/s，涨潮 历时长于落潮近1小时。涨、落潮流主轴方向约有20。30。左右的不对称性。桥区平均波 高0.4m，最大波高为1.8m。5年一遇极高水位+3.65m，极低水位-2.58m，施工区域水深12 14m。2.2地质条件引桥区地质条件差，基岩表面覆盖层主要为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、亚粘 土，覆盖层顶部标高变化不大，淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土类软土较厚，施工时应 防止塌孔现象，地质情况参见图1。200 -20 |-40 -60 -80 -100高程-L M*fpiLJL0.200h 3.200T740 J 宁波市区象山II亚粘土巨忑粉砂图例:淤泥质亚粘土I :蚀变凝灰岩I 熔结凝灰岩中砂粗砂含砾粘- - /性土fe质卵石凝灰质 砂岩士:立M安山玢岩 上英安岩图1桥型布置图3钢护筒最小埋深计算桥址处水深较大，且覆盖层中淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土类软土较厚，所以最小埋置深度采用下式计算：L=（h+H）Yw-HY0/（Yd -Yw）式中：w WL-护筒埋置深度（m）；H-施工水位至河床表面深度（m）；（见图2）h-护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差（m）；Y护筒内泥浆容重（KN/m3）；Y0-海水的容重（KN/m3）；Y护筒外河床土的饱和容重（KN/m3）；Yd=（A+e）Y0/（1+e）钢护筒泥浆面护筒外水面泥面图2最小埋深计算简图其中：-土粒的相对密度，当护筒穿过几种不同的土质时，护筒外河床土的饱和容重取 平均值，即Yd=Yid5L式中：Yd-几种不同土的平均饱和容重；Yid-每种不同土的饱和容重；1-每种不同土的厚度，根据桥区工程地质勘察报告提供地质数据，考虑1.5倍安全 i系数，计算出钢护筒最小埋深Ls=13m。4钻孔平台方案选择4.1设计思路P24P31号墩位于海中间，其中P24号墩距岸侧最近，距离约1km。由于P14P23号墩 为打入钢管桩基础，承台、墩身均已施工完成，预应力混凝土箱梁尚未架设，若考虑栈桥施 工方案，栈桥需避开架梁作业区域，投入成本太大，若等待架梁结束，工期无法保证。结合 施工单位现有的机具设备及水上施工经验，综合考虑P24P31号墩所处的水文、地质、施工 环境情况，同时考虑工程进度、成本、安全等多方面因素，决定采用独立式型钢平台，8个承 台同时施工。独立式型钢平台有两种形式：（1）钢管桩钢平台，打设p 800X10的钢管桩作为基础，利 用钢管桩承重，再安装钢管平联和上部结构，然后利用定位架下沉钢护筒的常规施工方法。（2） 钢护筒钢平台，利用钻孔桩p 2332X16钢护筒作为主要受力基础，配以少量钢管桩辅助受力， 先利用大型打桩船沉放钢护筒及钢管桩，然后在钢护筒及钢管桩之间焊接平联，再设置上部 梁系做为钻孔桩施工工作平台的施工方法。4.2方案比较（1）结构安全、受力情况比较钢管桩平台的优点是：钢管桩是临时结构，精度要求低，平台搭设难度小。钢护筒在临 时平台上打设，精度高，施工安全、方便。钢护筒在钻孔桩施工过程中不受竖向载荷作用。钢护筒平台优点是：钢护筒的抗弯截面模量大，刚度大，其单桩支承力也比钢管桩大， 结构施工过程中的安全性显著加强。根据钢护筒最小埋深计算，通过适当增加钢护筒长度， 将钢护筒做为受力基础是完全可行的。缺点是：插打钢护筒定位难度大，精度稍差，设备能 力要求高。（2）施工工期比较钢管桩平台是先期利用常规起重船打设钢管桩，在钢管桩上搭设型钢做主梁、分配梁， 钢板满铺作为工作平台，然后打设钢护筒作为钻孔时的护壁，工程量大且为常规工艺，工效 较低。钢护筒钢平台则减少了工程量且利用大型打桩船一次性沉放全部钢护筒及钢管桩，施 工工效明显提高。（3）经济性比较钢护筒平台虽增加了大型打桩船费用，但由于充分利用了钢护筒结构，节省了钢管桩材 料和打、拆费用，并且工效提高后，人员及船机管理费均大大减少，所以经济性优于钢管桩 平台，直接经济费用分析见表1。钻孔平台经济分析表表1平台类型材料名称规格（mm）数量（根）长度（m）总重（T）单价（万元）材料费（万元）沉桩单价（万元）沉桩费用（万元）总计（万元）钢管桩钢平台钢管桩p 800X101842147.280.3855.9660.35.4215.564钢护筒p 2332X 16835.8261.720.58151.7970.32.4钢护筒钢平台钢管桩p 800X1064249.090.3818.6540.84.8200.584钢护筒p 2332X 16838277.810.58161.130216备注仅计算单个钢平台基础用料，上部用料未考虑，钢管桩单价巳考虑回收利用收益，故较低，钢管桩式钢 平台沉桩方式为起重船及导向架利用振动锤方式，故较低。方案比选结果：虽然采用钢护筒钢平台方案，需加长钢护筒2.2m，且打桩费用明显增加， 但一个平台减少12根钢管桩，比钢管桩钢平台减少用钢量82吨，减少成本投入近15万元， 8个平台则减少成本近150万元。由此可见：采用钢护筒钢平台既减少了钢平台的用钢量，降低了施工成本，又减少了钢管桩施工数量，提高了施工工效，具有良好的经济效益。5钢平台的设计5.1设计基础资料1、设计水位：考虑到平台使用周期仅为4个月左右，取重现期5年水文资料。2、设计流速：V=1.66 m/s。3、原泥面标高：一12一14m，根据前期对钢管桩施工期间海床面监测，引桥区未发现 有明显的冲刷发生，但基于安全考虑，确定冲刷深度为3m。4、风速：正常工作V0=13.8m/s，最大风速V=33.9m/s。5、海床覆盖层:淤泥、淤泥质粘土。5、设计荷载：平台上KP-3000型钻机1台，单台钻机荷重833KN，其它设备荷载：泥浆 泵、空压机重量为150KN。平台施工均布荷载：q=10kN/m2。7、施工船系缆力：不允许施工船舶停靠施工平台，仅考虑200t级交通船靠泊接送作业 人员。5.2钢平台结构形式支撑梁钢管桩承台轮廓线mm钻孔平台采用独立式型钢平台，尺寸为24.85mX11m。平台顶面标高为6.3米，8根钢 护筒为主要支撑结构，另外在平台南北两侧各设3根辅助桩，通过上下两层平联结构（上层 平联底标高为+4.892m，下层平联标高为+1m）将钢护筒和辅助桩连成刚性较大的整体，梁系 布置由下而上依次为支撑梁及牛腿，上设钻机梁、钻机梁上设次梁，面层系为8mm厚钢板。 整个钢平台结构布置见图3和图4。牛腿1钢护筒 钻机梁1rn m mrn图3钻孔平台平面布置图钢面板纵向次梁横向次梁钻机梁I高护筒底标1 .5JM1顺 .11：乃11 i/J11101.5JK： J|瑚|图4钻孔平台立面图5.3设计要点1、钢护筒钢护筒为钻孔平台的主要受力结构。钢护筒设计直径比钻孔灌注桩的直径大30cm，即护 筒内径为2.3米。钢护筒壁厚16mm，底部以与钢护筒同材质同厚度钢板设置50cm宽加强箍， 以满足插打时的局部受力要求。钢护筒在存放、运输及吊装过程中应严格控制变形。钢护筒 采用两点起吊，为防止起吊变形，钢护筒每只吊耳处增焊一块16mmX700mmX774mm贴板并进 彳亍塞焊。2、横向联系钻孔平台横向联系包括钢管桩间的联系、护筒间的联系以及钢管桩与护筒间的联系。钢 管桩之间及钢管桩与钢护筒之间平联采用9600X8钢管，钢护筒之间设置两层平联，均采用 2HN600X200型钢，护筒间上层顺桥向平联同时做为钻机梁的支撑梁，钻机梁、支撑梁及牛腿 均设置加劲板补强，各型钢节点用加劲肋补强。5.4钢平台结构验算1、单桩验算分别对钢管桩、钢护筒单桩受力进行分析。单桩最不利受力工况是桩打前即将接近海床 面和施打完成后平联尚未形成阶段，此时桩呈悬臂状态。单桩按流固耦合有限元法，ANSYS分 析单桩受力，将河床冲刷面作为嵌固点，荷载按流体单元，桩按固体单元分析，得出钢管桩 桩顶最大位移和各种应力，并进行稳定性分析确定其合理性。具体计算过程从略。2、整体结构计算应用ANSYS结构分析程序建立空间模型，嵌固点按照港口工程桩基规范采用假想m 法计算，钢管桩及钢护筒在嵌固点处固接，支撑梁与钻机梁顶部铰接，牛腿与钢护筒固接， 钢管桩与平联间为固接。主要按以下两个工况进行计算。工况一：整个平台正常工作正常工作时，考虑。自重、堆载、钻机荷载、其它设备荷载、O波浪力（一般情 况）水流力、风荷载等组合。标准组合：1.0 (+O+G+)基本组合：1.2 (+)+1.4 (+)+1.0 (+)工况二、整个平台整体抗台台风来袭时，平台停止正常工作。为保证钻孔平台安全，若钻孔尚未完成，将中断钻孔， 除钻机外其余设备、堆载物等均吊离平台。在该工况下，考虑自重、钻机荷载、波浪 力(台风情况)、水流力、风荷载(台风情况)等组合。标准组合：1.0(+)基本组合：1.2+1.4 (+)+1.5 (+)根据计算，在最不利工况下，钢管桩、钢护筒的单桩承载力、稳定性、强度、刚度均满 足平台强度和变形要求。具体结果从略。6钢平台施工工艺流程图5钻孔平台施工流程图7施工程序及注意事项7.1钢护筒及钢管桩沉放1、打桩船性能介绍选用国内先进的“海力801”打桩船进行沉桩施工，打桩船主要性能参数见表2。海力801打桩船主要性能参数表表2性能船型尺寸桩架型式桩架高(m)吊桩重(t)沉桩桩长 (m)桩锤定位方式参数80X30X6X2.8m全旋回式9510080+水深S-280液压锤GPS定位 系统“海力801”打桩船施打钢护筒具有以下优势:(1) 驻位稳定性好：“海力801”打桩船锚碇系统配备7台50t锚机和相应的7个10t铁 锚，另外还有四根1.5mX1.5mX30m液压锚碇桩，打桩船驻位稳定性好，移船便捷。(2) 全旋转桩架(360)吊桩便利：“海力801 ”抛锚驻位后，运桩船可以直接停靠打 桩船，不需要抛锚，吊桩时，只要桩架旋转90即可直接进行，吊桩快捷方便。(3) 沉桩适应性强：全旋转桩架可以伸出船艏30m左右，沉桩顺序灵活，可以根据钢管 桩及钢护筒的落驳情况随意调整打桩顺序，既减少了运桩驳的配置又可避免频繁更换打桩替 打，提高作业工效。(4) 配备Trimble-5700 GPS定位系统，定位准确，满足外海施工精度要求。(5) 打桩船配备先进的双作用IHC S-280液压锤(荷兰)。2、钢护筒及钢管桩施工注意事项钢护筒施工是钻孔平台的核心内容。其关键是确保钢护筒的平面位置、垂直度和打入深 度。(1) 、钢护筒、钢管桩均在专业钢管厂 一次加工成型，驳船直接运至施工水域，为 防止钢护筒变形，必须在驳船甲板上设置稳 桩支架，并且在钢护筒内设置内支撑。本项 目每根钢护筒内设置三道十字支撑，分别布 置在钢护筒支垫处及钢护筒顶口，内支撑设 计规格为 2X O100X6X2300。(2) 、钢护筒椭圆度偏差过大对检测钢护筒垂直度影响很大，沉放前必须检查钢护图6钢护筒照片筒椭圆度，不满足规范要求时进行校正处理，必要时返厂处理。(3) 、打桩船通过调整锚缆进行船体定位，下插定位锚碇桩，在钢护筒定位下桩前启动 调平系统调平船体，确保桩架竖直。(4) 、虽然打桩船配置有GPS定位系统，但为确保钢护筒沉放精度，在附近已完成的施 工平台上架设了一台高精度无棱镜测距全站仪(徕卡TCRA1201 R1000型)，通过切边观测及 桩中心线上下测距比对，实时监控钢护筒的垂直度及平面偏位，出现偏差及时纠正解决，保 证垂直度及偏位控制在容许范围内。(5) 、根据地质条件，钢护筒及钢管桩进入地层主要为淤泥层及淤泥质粘土层，海力801 为液压锤，锤及配套附件重量约50吨，在压锤过程中，大钩必须带劲，且锤击过程能量不能 超过80KJ，防止溜桩。钢护筒及钢管桩沉放以标高控制为主，贯入度仅供参考，沉桩完毕后， 对钢护筒进行承载力试验，以验证设计长度能否满足承载力要求，通过对P25-左3#钢护筒进行的高应变动力检测，钢护筒的极限承载力能满足设计要求。(6) 、打桩船在移锚、抛锚及绞船定位过程中，所有的锚缆不得影响已经施打完毕的桩。(7) 、钢护筒沉放到位后，在钻孔平台完成之前，必须及时焊接钢护筒之间平联，以便 使之形成整体，提高其在水流及波浪条件下的稳定性。7.2钢平台搭设按照先下层平联，后上层平联的顺序施工。型钢在均在岸上加工场加工、材料船运输至 现场安装，钢平台搭设步骤：1、钢护筒之间下平联安装，采用2HN600X200型钢，一个承台的钢护筒沉放完成后，利 用作业船上的起重设备及吊篮吊人用10#槽钢焊接临时操作平台，现场量好平联尺寸，在作 业船下好料，在平联位置的下口先平焊一块搁置平联的托板，用起重设备一点吊吊起平联， 先安放一头，再安放另一头。2、钢管桩之间及钢管桩与钢护筒之间的下平联安装，采用600X8钢管，由于钢管桩及 钢护筒在沉放过程中与设计施工图存在一定偏差，为提高作业效率，平联之间的连接采用“哈 佛接头”焊接连接。具体施工方法如下：a、加工场制作哈佛接头，内径比钢管外径大1cm， 长度按照45cm下料，每个哈佛接头一分为二，编号运至现场；b、平联钢管一端相贯线在加 工场制作，按照比设计长度缩短25cm左右下料，运至现场；c、现场定位安装下哈佛接头；d、 以下哈佛接头为支撑，将平联钢管放在哈佛接头上；e、平联相贯线一端焊接在钢管桩上，再 将上哈佛接头盖在平联的直线端上，哈佛接头与钢管桩，哈佛接头与平联之间的环向焊缝及 纵向焊缝均满焊并控制焊缝质量。3、上平联及牛腿安装，采用双肢2HN600X200H型钢，具体施工方法为：首先在靠近作业 船的一根钢护筒上用测量仪器放出钢牛腿及平联的安装线，其余的同一个平台的钢护筒可用 水平管测量并进行标注，确保安装线在同一高程面，然后用作业船上的起重设备将事先加工 好的钢牛腿按照安装线安装、焊接，再将事先加工好的上层平联按照安装线安装、焊接，为 防止钢护筒变形过大，钢护筒与牛腿的横梁及斜撑连接位置加焊贴板。4、支撑梁安装，采用双肢2HN600X200H型钢。施工方法如下：首先在钢管桩上放出支 撑梁轴线及下边线位置，实施钢管桩顶部开槽，起吊安装支撑梁，焊接连接板及劲板。图7钻孔平台5、钻机梁安装，采用双肢2HN600X200H型钢。在牛腿及支撑梁上横桥向铺设3道钻机 梁。6、在钻机梁上均布49根工20 型钢，间距0.5m，铺设8mm厚钢板 作为施工平台。7、加设安全栏杆进行平台封 闭，保证施工人员和机械设备作业 安全。栏杆高度1.2m，立柱使用50 钢管与平台焊接牢固，横杆采用 50钢管与立柱焊接固定。8、在平台一侧设置爬梯及防撞缓 冲结构，并辅以旧轮胎等作为消能 装置缓冲交通船的靠泊力。9、在平台四周设立红旗及夜间警示灯，以免外来船只碰撞。7.3钢平台使用注意事项1、钢平台在搭设及使用过程中，为防止铁件落入钢护筒，钢护筒孔口应用钢板或钢筋网 片覆盖。2、钻孔平台搭设完成后，在平台上布置沉降、位移观测点，定期观测。3、在施工过程中安排专人负责测量各平台桩位处冲刷深度并作记录，当钢管桩（钢护筒） 位置海床冲刷较大时，及时抛砂袋等进行防护，确保平台整体稳定及钢管桩（钢护筒）的入土 深度满足设计荷载要求。4、加强平台的日常检查维修，检查其钢管桩及联结系、钻机梁、分配梁及节点焊缝等各 部位的情况是否处于正常状态，出现异常应立即处理。5、严禁施工船舶直接撞击平台，应先行抛锚，然后再通过绞锚向平台靠拢。8施工体会1、根据实际施工情况，一个平台的钢护筒及钢管桩沉放仅两天时间，平台搭设约10天 时间，钻孔平台的搭设效率高，为后续的钻孔施工创造了有利条件，降低了工期的风险，确 保了钻孔桩的施工进度。2010年8月份开始钻孔平台搭设，2010年12月底，8个承台64根 钻孔桩施工任务全部顺利结束，受到监理及业主单位的好评，取得了良好的社会效益。2、通过对钢护筒的椭圆度控制及采取对护筒定位进行校核等各种措施，打桩船沉放的钢 护筒垂直度及平面位置均满足设计和规范要求。3、通过对沉降、位移观测结果的统计分析，钻孔平台无沉降现象，平面位置的摆动在10mm 以内。钢平台在使用过程中没有异常情况，证明平台结构安全，钢护筒入土深度在结构上合 理。4、不足之处：平台面积略小，在承台边桩钻进施工时，钻机底座悬出平台外侧约30cm， 虽然在结构受力上经验算没有影响，但对操作人员存在一定安全隐患。钢护筒入土深度略短， 由于覆盖层完全为淤泥及淤泥质粘土，有两根桩在施工过程中出现严重漏浆、窜水现象，对 施工进度造成一定影响。9结语采用钢护筒作为钢平台的主要受力结构，并利用打桩船沉放钢护筒及辅助钢管桩，施工 进度快，质量可以保证，具有较好的经济性，在同类施工中有较强的推广价值。参考文献：1. 交通部第一公路工程总公司，公路施工手册桥涵，2000；2. JTJ025-86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范；3. JTJ254-98，港口工程桩基规范。4.