深水大直徑鉆孔作業平臺的設計與施工

蓋青山,郝曉冬

(1.中鐵十三局集團第四工程有限公司;2.黑龍江省公路勘察設計院)

1 工程概況

國道主干線哈爾濱繞城公路東北段松花江大橋全長2324.92m,橋跨總體布置形式為 2×40m+3×40m+4×40m簡支轉連續梁(南引橋)+90.5m+3×138m+90.5m變截面大跨度預應力混凝土連續梁(主橋)+4×40m+10×(3×40m)簡支轉連續梁(北引橋)。大橋位于松花江下游 11 km處,起訖里程為K077+704.72～K 080+029.64,大橋全寬 28m,雙向四車道,設計洪水頻率為 P=1/300,通航標準為Ⅲ級航道,抗震荷載按Ⅶ度設防。主橋主墩采用鋼筋混凝土實體墩,墩身采用上、下分離式,墩身截面尺寸為橫橋向 6m,順橋向 4.58～5m。承臺為整體式,承臺平面形狀為六邊形,結構尺寸為 29.5m×13.9m×4m。每個承臺下設 16根 Ф2.0m的鉆孔灌注樁,樁長為 70m、75m。鉆孔灌注樁按梅花形布置,間距 5.2m。主橋 36#、37#二個主墩常年位于松花江主河道中,河床水深 14m,汛期水深可達20m。以該橋 36#、37#墩為例,著重介紹作業平臺的設計與施工情況。

2 平臺設計

2.1 方案比選

由于 36#、37#二個主墩常年位于松花江主河道中,河床水深 14m,汛期水深可達 20m,為深水基礎,因此采用搭設水上作業平臺的方案,同時鉆孔樁長 75m,深入基巖,承臺位于常水位以下,施工工期較長,采用浮式平臺勢必長期占用大量舟橋器材,對全橋工作面展開不利,而且不能抵抗流冰的沖擊,而采用固定平臺可節省作業時間,既可抵抗冰排的沖擊,又對繁忙的航道運營較為有利,同時可減少航運安全事故的發生。

2.2 設計依據

根據現場進度情況安排,36#、37#二個水中主墩的施工要經歷一個汛期和一個流冰期,按照設計院提供的汛期水位,300年一遇設計水位 120.33 m,100年一遇水位119.69m,20年一遇水位為 118.69 m,通過到當地水文部門調查了解近十年松花江水位和流速的統計數字,考慮松花江水位漲落,平臺施工設施和材料的垂直運輸及平臺可利用時間等綜合因素,最后確定平臺頂標高 117.20m,根據平臺支架結構形式推算鋼管樁頂面標高為 115.70m,洪水期施工設計采用的最大流速為Vmax=2.68m/s。

作業平臺確定上三臺GM20鉆機,實際重量 60 t,鉆機在平臺上移動方式確定為順水方向平移,即垂直于橋軸線方向,平臺設計一臺 25 t吊車,重量為 30 t。

36#、37#墩墩位處河床面標高為 100.966m,覆蓋層為淤泥 1.83 m,中粗砂層厚 16.23 m,全風化泥巖層厚為3.30m,基層為弱風化砂巖。

2.3 平臺結構形式

作業平臺設在鋼圍堰內部,結構尺寸為 29.5×13.9m,平臺基礎采用鋼管樁排架墩,鋼管樁直徑 Ф325 mm(標件、壁厚10mm),共計 24根;鋼管樁間用L100×100×10角鋼進行橫縱向聯撐以形成排架。鋼管樁頂部順平臺方向(即水流方向)設置橫梁主梁,主梁采用六四式軍用梁,間距 2.7m;縱向次梁采用20b工字鋼,間距 1.2m;橫梁上設置 15 cm鼓形木,鼓形木的布置要考慮護筒的位置以及大小,留出鉆孔的足夠尺寸即可,另外考慮封口,以保證平臺上鉆機、吊車以及堆放機具的使用面積。平臺和便橋作可靠連接。

平臺的設計思路:

在確定了平臺的頂面標高、平面尺寸、結構形式以后,可以根據其受力情況,檢算各個構件。

2.4 平臺結構檢算

(1)荷載

①恒載

鋼管樁自重 N1為 Ф325為 0.0776 t/m,縱梁 N2為 64式軍用梁及連接結構荷載 1.5 t/m;橫梁 N3為 20b工字鋼0.0311 t/m;面板 N4為 15×15鼓形木 0.018 t/m。

②活載

鉆機 S1為 60 t

人群荷載 S2為3.5 kN/m2

吊車 S3為 30 t

水流阻力:P=K×A×γ×V2/2 g(kN)

式中:K為阻水系數,由于圍堰為圓形,取值為 0.8;A為阻水面積(m),自水面算至沖刷線;γ為水的容重;V為設計流速(m/s),300年一遇洪水流速為 2.68m/s,施工檢算采用江水流速為 1.5m/s;G為重力加速度,取 9.8(m/s2)

水流阻力作用點在水面以下 1/3處

風力F

式中:W0為基本風壓值(Pa),當有可靠風速記錄時,按W0=V2/1.6計算,V為設計風速(m/s);K1設計風速頻率換算系數,取 1.0;K2為風載體系系數,取 1.3;K3風壓高度變化系數,取 1.0;K4為地形地理條件系數,取 1.3。

A為為迎風面積。

風力作用點在迎風面積的形心上。

鉆機扭距T:

T為鉆機設計最大扭距 80 kNm,一般在順水流方向可不考慮該項。

(2)單樁承載力檢算

①可按樁的入土部分和外露部分來計算對于外露部分,單根樁受力。

式中:∑Ni為全部荷載之和;n為鋼管樁根數;M為水平力矩與活載的偏心距;W為載面抵抗矩。

計算 325mm鋼管樁受力情況,求出 Nmax與 Nmin,其中Nmin不能出現負值,否則平臺的整體穩定性無法保證。

②單樁應力驗算 σ=N/φA＜[σ]。

③鋼管樁的穩定性由長細比λ來確定。

式中:d為鋼管樁直徑;t為鋼管樁壁厚。

計算中 L0=12m,λ=107

④單樁允許承載力檢算

式中:[P]為單樁容許承載力;d為鋼管樁直徑 0.325m;ai為震動下沉系數,取 1.1;fi為土層極限摩擦力,取 1.0;Ii為局部沖刷線至向樁底各土層的厚度,m;σ為樁底允容許承載力。

通過[P]來選擇震動荷載,從而選擇振動錘額定功率。

式中:Pmax為振動打樁機額定最大振動力;y為振動沖擊系數。

通過計算的[P]=294.5 kN,搭設平臺共用 24鋼管樁,每根樁承載力為:2 325/24=96.8 kN＜[P]=294.5kN,分析單樁的最不利荷載組合情況,施工過程中,吊車與鉆機同時作用于 4根樁,其作用力 P1=(300+200)/4+96.8=221.8 kN＜[P]=294.5 kN,即表明單樁在最不利荷載組合情況下其承載力滿足要求。由上可見,施工作業平臺承載力安全可靠。

(3)平臺的整體穩定性檢算

鋼管樁位于雙壁鋼圍堰內部,可不考慮水流的沖擊作用,其單樁可按壓桿穩定進行檢算:軸向力 N=222 kN,截面面積 A=31.5 cm2。

考慮軸心受壓桿件穩定系數 φ,施工過程中冰面以上4m部分可加固,故在計算樁的長細比時計樁長為 12m,樁的回轉半徑 i=0.112 25,長細比 λ=107,得 φ=0.517。

單樁應力 σ=N/φA=136.3MPa＜[σ]=140MPa,施工過程中在樁頂 4m范圍內施加可靠連接,使樁頂接近剛性連接,平臺穩定性滿足要求。

(4)平臺橫梁檢算

作為橫梁的軍用梁直接作用于樁頂,存在的彎矩與撓度均很小,故不用驗算。

(5)平臺縱梁檢算

按簡支梁進行檢算 M=q恒×L2/8+P活/4L式中:L為跨間凈距。

計算的 σ=M/W=72.6MPa＜[σ]=140MPa滿足要求。

3 平臺施工要點

3.1 工藝流程(見圖 1)

3.2 施工要點

(1)施工準備

根據所確定鋼管樁的規格和設計數量在現場搭建的暖棚中加工,并下技術交底書,嚴格焊接質量。利用冬季冰面做為打樁工作平臺,平臺上停放一臺自制小型龍門吊,一臺30 t振動錘,一臺 120 kW發電機作為電源。作為主梁的軍用梁在岸上拼節后頂推架設,盡量避免吊車及其它大噸位車輛上冰,以確保施工安全。

(2)鋼管樁打設過程

通過岸上架設的全站儀根據鋼管樁的平面布置,將導向架粗定位,在導向架處利用單棱鏡在岸上全站儀的指揮下進行調整定位。導向架適當高度做水平撐擺放木板,作為棱鏡支腿,手工移動調整。導向架一旦確定后,全站儀視鏡者立即通過對講機通知經緯儀照準方向后鎖定,然后將已焊接好的鋼管樁利用龍門吊提起來。將導向架開啟門打開,鋼管樁移入導向架內,關上并鎖定臨時開啟門,此時要通過全站儀和經緯儀交會定位,不僅能控制鋼管樁的準確位置,而且還能保證鋼管樁的垂直度,符合要求后,將錨繩鎖緊,然后利用龍門吊將固定有導向樁帽的30 t振動錘提升至鋼管樁頂,將導向樁帽準確放入樁孔內,如有偏差,通過拴在樁頂鉤環上的軟繩,人工在平臺上分方向拉緊來調整,再次觀察鋼管樁的垂直度,是否符合要求,無誤后起動振動錘,送油振打,直到振不下去為止,然后將振動錘連同導向樁帽提下來,打開導向架開啟門,準備下一根鋼管樁定位,鋼管樁的打設的順序為順水方向,每排樁從上游逐根順序進行,所有打設的鋼管樁進入河床的深度,滿足設計要求。

為防止單樁失穩,第一根樁打設到位后,首先依托冰面的作用力,采取防護措施,待第二根及以后各根打設完畢,及時進行聯接橫梁與縱梁接觸的側緣,在縱梁頂焊接擋塊防止撐,以形成排架,增強整體穩定性。

(3)平臺搭設

鋼管樁按設計要求打設完畢后,利用 L100×100×10角鋼做管樁橫向剪刀聯撐桿件,直接焊在管樁側壁。根據確定的管頂標高統一割至設計位置,然后焊樁帽。將在岸上拼裝好的縱梁、橫梁、墊梁按照施工的先后順序安裝在相應的位置上.然后縱梁與樁帽以點焊進行連接、橫梁直接搭在縱梁頂,并在橫梁與縱梁接觸的側緣,在縱梁頂焊接擋塊防止橫梁滑移。

圖 1 平臺施工工藝流程圖

4 結 論

(1)通過平臺所經受的冰排、洪峰的沖擊及鉆孔施工的檢驗,該平臺設計合理實用。

(2)在深水基礎施工中,該作業平臺從使用效果來看,不但節省材料,縮短工期,對工程質量的保證也比較理想。實踐證明,該平臺施工方便,安全經濟。