浮動鉆孔平臺錨碇系統數值解和調整辦法

謝支鋼 張家宇 李澐瓏 楊明秀 黃貴明 呂 寧

（1.宜昌市夷陵區公路管理局 宜昌 443100；2.宜昌市虹源公路工程咨詢監理有限公司 宜昌 443000；3.中鐵十八局集團有限公司 天津 300220）

三峽庫區百歲溪大橋全長368.0 m，設計橋型為95m＋170m＋95m 連續剛構橋，橋梁全寬10.0m。下構主墩采用雙薄壁形式，墩高39m，主墩承臺尺寸為順橋向12.4m，橫橋向10.5m，承臺高4m，主墩設置4根直徑2.5m 的鉆孔樁，樁長37m。在每年的10月初至次年的3月底，庫區水位在175m，4月初至9月底，庫區水位在175m～145m～175m 漲落，在汛期7月至8月初，庫區水位在145～160m，漲落頻繁，日最大漲落3.0m。

1 浮動平臺和龍門吊的制作

浮動平臺采用2 艘600t駁船拼接而成，間距15.5m，在每艘駁船承重梁上順船向鋪2條寬30cm、厚10mm 的鋼板，鋼板上面鋪縱梁（縱梁由I40b工字鋼組成），焊接穩定。在縱梁上搭設6條貝雷梁，貝雷梁與駁船縱梁采用U 形扣接，在貝雷梁上鋪設間距1.3m22b工字鋼做平臺分配梁，分配梁上滿鋪竹跳板形成鉆孔平臺［1］。在船頭、船尾的橫向貝雷梁間搭設豎向貝雷梁架，高1 2m，在豎向貝雷梁上再搭設加強型貝雷梁形成2個龍門架，做龍門吊基礎軌道，設計龍門吊吊重50t，吊高12m。根據樁間距及鉆機的尺寸，每個承臺安排2臺鉆機對角進行鉆孔，見圖1。

圖1 浮動平臺操作圖

2 浮動平臺錨碇系統

浮動平臺錨碇系統由混凝土錨塊、錨桿（岸上）、鋼絲繩、卷揚機等組成。錨碇分為主錨、岸錨及安全錨。錨碇系統是6個混凝土錨塊和4個岸錨，每個混凝土錨塊重15t，岸上設置4臺岸錨，其中2個為方向錨，另2個為安全錨。岸錨采用機械鉆孔入巖，并用直徑30 mm 鋼筋做膨脹錨桿，深約3m。選用鋼絲繩直徑22mm、長約250 m 的8t可調速卷揚機。錨碇系統按4個方向8個錨繩固定，基本按“井字型”布置，見圖2［2］。

圖2 浮動平臺錨碇示意圖

3 錨碇系統的數值解法

浮動平臺在某一水位就位后，錨碇系統形成，但由于水位變化，卷揚機松動鋼絲繩，浮平臺產生位移，這時通過8個方向的卷揚機的松放，逐步調整浮動平臺的位置，使位于新水位時的浮平臺準確就位。而采用這種一邊測量一邊調整的方法往往使浮平臺左右擺動，前后移動，現場操作4～5d還難以準確就位。

為解決這一施工難題，假設浮動平臺在某一水位準確就位后，錨碇系統平衡，取其中一塊錨碇為例進行分析。設錨塊至卷揚機水平距離為200 m，卷揚機至錨塊高程差為25 m，卷揚機拉力為T，錨塊重10t，欲求得錨碇系統在新的水位時浮平臺的水平位置不變，豎直位置變化后，該錨定鋼絲繩通過長度收放，達到浮動平臺垂直移動而不

發生水平位移。計算模式見圖3。

圖3 計算模式圖

解法如下。設水底是水平的，水深為h，錨鏈固定于o點。設錨鏈位于一垂直平面內，不考慮錨鏈的三維變形；水流沒有垂直分量，水平流速也位于錨鏈所在平面內，且流速大小恒定，不隨水深變化。設o點處錨鏈的張力為T0，力的作用線與x 軸成α 角，其水平分力記為R；系船處張力為T1，其力的作用線與水平方向的夾角記為β，T1在水平方向上的分力即為船舶的錨泊力，見圖4。

圖4 鋼絲繩受力分析圖

錨鏈單位長度在水中的重量為q，水面上的部分鏈長度較短，其單位長度自重近似為q，懸鏈線部分長度為L 。在有錨鏈臥底的情況下，即在懸鏈線方程特例情況下，該坐標系原點相當于建立在臥底直線和懸鏈線的分界處。可以求出一般狀態下的懸鏈線方程［3］：

懸鏈線的長度為：

在本題中，系船處張力T1保持不變，小于50 kN，不妨設為40kN。錨泊力R 決定了懸鏈線方程中的重要參數a。

對式（1）求導有

在x＝200m 處

綜上有，式（1）確定了方程f（y，a，α）＝0，式（3），（4），（5）確定了另一個方程g（a，α）＝0。只要將垂直高度y 值帶入再聯立這兩個方程組即可解出參數a 和α，繼而代入到式（2），算出鏈長。

在初始條件下，x＝200m，y＝25m，T1＝50 kN。當錨鏈夠長，錨干水平貼地，即起錨角α＝0時，可將α，x，T1帶入計算，這時y＝12.4m＜25 m，說明此時有起錨角。已知條件為x＝200 m，y＝25m，T1＝50kN，利用計算機容易求出α0＝0.0779°，a＝2142.4。再帶入式（2）求出初試狀態下錨鏈長度為L0＝201.63m。

如此反復帶入垂直高度y值，即可求出各個高度下錨鏈長度L，相減即可算出放鏈長ΔL與垂直高度y之間的關系，并做出函數圖，見表1，圖5、圖6。

圖5 張力40kN 時的放鏈長與垂直高函數圖

由圖5、圖6可見，鋼絲繩的水平張力對在同一垂直高度下的放鏈長度影響數據不大。

4 平臺位置調整方法

（1）主動掌握水位變化情況，每天根據三峽官網的水位變化做好記錄，同時在靠岸邊設置一個水位尺，隨時觀察水位變化，并做好記錄。

（2）根據每個錨碇系統的放鏈長ΔL與垂直高度y之間的函數關系圖，在對應的垂直高區間，采用內插法計算。

（3）在第一次浮平臺錨碇系統的卷揚機端頭鋼絲繩做好初始標識，根據漲落情況直接松放和拉緊每個錨碇的放鏈長度，浮平臺水平位置不變。

5 結論

（1）采用放張鋼絲繩的方式，將浮平臺測量－就位－復測的調整過程簡化，方便及時準確調整浮動平臺位置，這種思路值得在今后同類施工中借鑒。

（2）通過建立錨碇系統每根鋼絲繩一般狀態下的懸鏈線方程，求解鋼絲繩的鏈長與高度的關系，在施工過程中，根據計算的結果進行控制定位，實踐證明，所做的計算假定與工程實踐符合較好，能達到施工所要求的精度。

表1 放鏈長ΔL 與垂直高度y計算表

圖6 張力30kN 時的放鏈長與垂直高函數圖

（3）本工程位于三峽庫區，風浪小，文中建立模型時未考慮水力、風力的影響，適用范圍有限。若風浪較大時，則需考慮水流動力及風力作用影響，情況更加復雜，該假定及由此推導的方程將會發生改變。

［1］涂長平.浮動式平臺鉆孔樁施工工法［J］.西部探礦工程，2002（Z1）：59－61.

［2］彭 程，孫春梅，劉仲平，等.一種新型SPAR 平臺系泊系統設計［Z］.第十四屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集：上冊.中國會議，2009（8）：60－63.

［3］王 丹，劉家新.一般狀態下懸鏈線方程的應用［J］.船海工程，2007，36（3）26－28.