深水鉆孔平臺(tái)施工技術(shù)

高海林

(湖北秭興長(zhǎng)江大橋建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司 宜昌 443000)

湖北香溪長(zhǎng)江公路大橋工程[1]是擬建的湖北省骨架公路網(wǎng)中第六縱第二條支線跨越長(zhǎng)江的節(jié)點(diǎn)工程，其中，香溪河大橋采用主跨470 m的雙塔雙索面組合混合梁斜拉橋，橋跨布置為(2×48 m+78 m+470 m+78 m+2×48 m)+(3×35 m+6×20 m)，橋梁全長(zhǎng)1 079.5 m。設(shè)4，5號(hào)2個(gè)主塔。

4號(hào)墩承臺(tái)為直徑30 m的圓形整體式承臺(tái)，其下設(shè)置18根直徑為3 m的樁基，采用行列式布置，樁長(zhǎng)83 m，主塔樁基在水上鉆孔平臺(tái)[2]上利用反循環(huán)回旋鉆機(jī)(KTY4000)進(jìn)行施工。

1 水位、地質(zhì)情況

香溪河大橋位于三峽庫(kù)區(qū)，根據(jù)三峽大壩蓄水調(diào)度方案，正常蓄水期壩前水位按175～145～155 m(吳淞高程)進(jìn)行調(diào)度，水位變化幅度達(dá)30 m。

4號(hào)墩處為順向坡，地形坡角26°～28°，基巖大范圍裸露，地層傾角大于地形坡角，斜坡整體穩(wěn)定性較好，地層巖性為灰?guī)r地層，巖石承載力高。

2 平臺(tái)施工

2.1 結(jié)構(gòu)概況

4號(hào)墩施工平臺(tái)頂標(biāo)高為177.5 m，施工時(shí)水位為172 m，平臺(tái)基礎(chǔ)河床標(biāo)高最低為133 m，水深高達(dá)39 m左右，平臺(tái)平面尺寸為33.4 m×41.4 m，重約6 000 kN。上部結(jié)構(gòu)采用高2 m材質(zhì)為Q345B的鋼板梁，面板采用6 mm厚花紋鋼板；下部結(jié)構(gòu)設(shè)置8根支撐樁，同時(shí)利用2根主體鋼護(hù)筒樁(4-9號(hào)，4-10號(hào))及中心樁(0號(hào))。平臺(tái)荷載通過(guò)下部結(jié)構(gòu)傳遞至河床，平臺(tái)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 平面布置圖(單位：mm)

2.2 平臺(tái)拼裝

受場(chǎng)地及水位的限制，選擇將2艘平板鐵駁拋錨停靠在5號(hào)墩岸邊，利用浮吊完成拼裝船的組裝，同時(shí)在岸邊拼裝貝雷梁支架，并將4組支架吊裝至拼裝船上固定；再將4組鋼板梁A、4組鋼板梁B分別焊接[3]成整體，然后將鋼板梁對(duì)稱(chēng)吊裝，并利用倒鏈調(diào)整對(duì)位，再焊接與鋼板梁A、B垂直的鋼板梁C，以及板梁間的小分配梁及鋼板梁的限位裝置。鋼板梁拼裝見(jiàn)圖2。

圖2 鋼板梁在駁船上拼裝示意圖

2.3 平臺(tái)浮運(yùn)、系錨拋錨、移船定位

拖輪牽引拼裝船離開(kāi)5號(hào)墩，運(yùn)輸機(jī)駁船輔助配合，拼裝船行駛至東岸3號(hào)墩附近靠幫，并岸邊地龍鋼絲繩連接，同時(shí)利用浮吊完成水上拋錨及過(guò)繩工作。移船定位時(shí)，測(cè)量人員要持續(xù)觀測(cè)，保證定位偏差小于10 cm[4]。

2.4 下部結(jié)構(gòu)施工

利用浮吊及振動(dòng)錘進(jìn)行支撐樁鋼護(hù)筒的插打，注意控制鋼護(hù)筒垂直度偏差<0.5%，且頂面偏差≤15 cm。支撐樁直徑1.8 m、長(zhǎng)12 m，樁底入巖深度不小于6 m，護(hù)筒入巖深度為1 m，支撐樁采用正循環(huán)沖擊鉆機(jī)施工[5]，施工中注意地質(zhì)變化并做好地質(zhì)取樣工作，成孔后采用成孔檢測(cè)儀對(duì)孔深、孔形進(jìn)行檢查，清孔后要保證孔底沉渣厚度小于5 cm。下放12 m鋼筋籠，在澆筑混凝土過(guò)程中,保證鋼立柱錨固長(zhǎng)度不小于7 m。

其余支撐樁及鋼護(hù)筒樁按此工藝進(jìn)行施工，不同的是，鋼護(hù)筒樁直徑為3 m，樁底入巖深度不小于4.5 m，護(hù)筒入巖深度為1 m，保證鋼護(hù)筒錨固長(zhǎng)度不小于6.5 m。

2.5 平臺(tái)提升、下放

選擇4根角樁、0號(hào)鋼護(hù)筒樁作為平臺(tái)提升樁。平臺(tái)提升過(guò)程中要注意控制鋼板梁底與水面之間的高差，留出分配梁、牛腿的安裝高度，高度應(yīng)大于3 m，同時(shí)注意觀察拼裝船上浮情況，平臺(tái)提升到位后，需保證平臺(tái)底與拼裝船脫離高度大于20 cm。平臺(tái)提升到位后，臨時(shí)鎖定平臺(tái)，安裝分配梁及牛腿，同時(shí)拼裝船解體并退出工作。

平臺(tái)下放同提升過(guò)程。平臺(tái)下放完畢后，根據(jù)實(shí)際水位情況，及時(shí)完成下部結(jié)構(gòu)水位以上的連接系，完成棧橋與平臺(tái)的連接，然后鋪設(shè)平臺(tái)面板及欄桿等安全防護(hù)設(shè)施[6]。至此，4號(hào)墩樁基鉆孔平臺(tái)形成。

3 結(jié)構(gòu)檢算

3.1 計(jì)算荷載及鉆機(jī)循環(huán)

鉆孔樁施工期間，平臺(tái)結(jié)構(gòu)受到結(jié)構(gòu)自重(通過(guò)設(shè)置自重系數(shù)由模型自動(dòng)考慮)、鉆機(jī)荷載、履帶吊荷載、龍門(mén)吊機(jī)荷載、風(fēng)荷載及施工荷載的作用，由于處于三峽庫(kù)區(qū)，不考慮水流的影響。

根據(jù)荷載計(jì)算，平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要承受鉆機(jī)豎向荷載，按3輪循環(huán)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，樁基編號(hào)見(jiàn)圖3，鉆機(jī)循環(huán)見(jiàn)表1。

圖3 4號(hào)樁基編號(hào)

循環(huán)編號(hào)樁基第1輪4?4，4?5，4?6，4?11，4?13，4?15第2輪4?1，4?7，4?8，4?16，4?17，4?18第3輪4?2，4?3，4?9，4?10，4?12，4?14

計(jì)算采用有限元模型，在模型上施加荷載，有限元模型見(jiàn)圖4。

圖4 midas有限元模型

3.2 鋼板梁結(jié)構(gòu)承載力檢算

鋼板梁通過(guò)槽鋼連接系連接成整體，需對(duì)每一輪循環(huán)中鋼板梁結(jié)構(gòu)截面強(qiáng)度及局部穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，，由于鋼板梁頂部受壓翼緣有密鋪的橋面板結(jié)構(gòu)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，其整體穩(wěn)定性可不用計(jì)算。

3.2.1鋼板梁截面強(qiáng)度檢算

工字形板梁截面強(qiáng)度檢算主要對(duì)其截面組合應(yīng)力及剪應(yīng)力進(jìn)行檢算，截面強(qiáng)度準(zhǔn)則應(yīng)以鋼板梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)為前提條件。

第1輪鉆孔循環(huán)中鋼板梁截面組合應(yīng)力等值線計(jì)算見(jiàn)圖5。

圖5 第1輪鉆孔循環(huán)中鋼板梁截面組合應(yīng)力等值線

截面最大組合應(yīng)力為170 MPa，小于210 MPa，截面最大剪應(yīng)力為50 MPa，截面強(qiáng)度滿足要求。

同樣根據(jù)第2輪鉆孔循環(huán)中鋼板梁截面組合應(yīng)力等值線計(jì)算截面最大組合應(yīng)力為145 MPa，小于210 MPa，截面最大剪應(yīng)力為76 MPa(位于鋼護(hù)筒支撐牛腿位置處)，截面強(qiáng)度滿足要求；根據(jù)第3輪鉆孔循環(huán)中鋼板梁截面組合應(yīng)力等值線計(jì)算截面最大組合應(yīng)力為68 MPa，小于210 MPa，截面最大剪應(yīng)力為41 MPa，截面強(qiáng)度滿足要求。

3.2.2鋼板梁局部穩(wěn)定性檢算

1) 受壓翼緣局部穩(wěn)定計(jì)算。翼緣達(dá)到強(qiáng)度極限承載力且不會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)的寬厚比限值為

2) 工字形腹板局部穩(wěn)定計(jì)算。在受壓翼緣與縱向加勁肋之間設(shè)有短加勁肋的區(qū)格，其局部穩(wěn)定性按下式計(jì)算。

式中：σ為所計(jì)算腹板區(qū)格內(nèi)，由平均彎矩產(chǎn)生的腹板計(jì)算高度邊緣的彎曲壓應(yīng)力，MPa；τ為所計(jì)算腹板區(qū)格內(nèi)，由平均剪力產(chǎn)生的腹板平均剪應(yīng)力，MPa；σc為腹板計(jì)算高度邊緣的局部壓應(yīng)力，MPa；σcr1，τcr1,σc,cr1為各種應(yīng)力單獨(dú)作用下的臨界應(yīng)力，MPa。

加勁肋布置見(jiàn)圖6。

圖6 加勁肋布置示意

a1=500 mm，h1=506 mm，h2=1 446 mm，h0=1 952 mm，h=2 000 mm，腹板厚度tw=16 mm。

當(dāng)梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)受到約束時(shí)：

此時(shí)σcr1=f=310 MPa

式中：λb1為用于腹板受彎計(jì)算時(shí)的通用高厚比；f為抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

當(dāng)a1/h1≤1.0時(shí)：

此時(shí)，τcr1=fv=180 MPa

式中：λs為用于腹板受剪計(jì)算時(shí)的通用高厚比。

當(dāng)梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)受到約束時(shí)：

此時(shí)σc,cr1=f=310 MPa

式中：λc1為用于腹板受局部壓力計(jì)算時(shí)的通用高厚比。

式中：F為集中荷載，kN；ψ為集中荷載增大系數(shù)，取1.0；lz為集中荷載在腹板計(jì)算高度上邊緣的假定分布長(zhǎng)度，mm；a為集中荷載沿梁跨度方向的支承長(zhǎng)度，mm；hy為自梁頂面至腹板計(jì)算高度上邊緣的距離，mm。

由于第3輪循環(huán)工況鋼板梁應(yīng)力相對(duì)較小，此處主要檢算前2輪循環(huán)腹板穩(wěn)定性。

第1輪循環(huán)工況下腹板穩(wěn)定性計(jì)算。

由軟件計(jì)算得σ=170 MPa，τ=50 MPa，將計(jì)算數(shù)值，代入穩(wěn)定性計(jì)算公式：

滿足要求。

第2輪循環(huán)工況下腹板穩(wěn)定性計(jì)算。

由軟件計(jì)算得σ=132 MPa，τ=76 MPa，將計(jì)算數(shù)值，代入穩(wěn)定性計(jì)算公式：

滿足要求。

綜上所述，在各工況荷載組合作用下，4號(hào)墩鉆孔平臺(tái)鋼板梁的受力滿足要求。

4 結(jié)論

1) 鉆孔平臺(tái)在駁船上拼裝時(shí)，必須從中間向兩端拼裝，以保證拼裝船均勻受力。

2) 平臺(tái)在浮運(yùn)過(guò)程中，必須加強(qiáng)與地方海事等部門(mén)的溝通，以確保整個(gè)浮運(yùn)過(guò)程中通航船舶的安全。

3) 平臺(tái)在提升及下放過(guò)程中，需加強(qiáng)測(cè)量觀測(cè)，要統(tǒng)一指揮，緊密配合，分次進(jìn)行，確保整個(gè)過(guò)程的安全。

4) 要保證鋼板梁之間、支撐牛腿與鋼護(hù)筒之間、提升裝置吊點(diǎn)焊縫等的焊接質(zhì)量，并對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)和評(píng)定。

5) 樁基施工過(guò)程中必須加強(qiáng)對(duì)鋼管樁、平臺(tái)的變形及位移監(jiān)測(cè)。

4號(hào)墩鉆孔平臺(tái)的施工過(guò)程順利，同時(shí)結(jié)構(gòu)受力滿足施工要求，從而為下一步樁基施工打下基礎(chǔ)。香溪河大橋4號(hào)墩樁基施工鉆孔平臺(tái)經(jīng)驗(yàn)可為以后類(lèi)似工程提供參考。

[1] 湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.宜昌香溪長(zhǎng)江公路大橋兩階段施工圖設(shè)計(jì)[Z].武漢：湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2014.

[2] 梅瑞泰.深水樁基鋼管樁鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)與施工[J].交通科技，2013(2):42-44.

[3] 鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范：GB 50661-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 工程測(cè)量規(guī)范：GB 50026-2007[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008.

[5] 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范：JTG/T F50-2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6] 公路工程施工安全技術(shù)規(guī)范：JTG F90-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.