高樁碼頭水上施工平臺的選型與設計

吳壯，張永嶺

（1.上海交通建設總承包有限公司，上海 200136；2.上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

1 某碼頭旋噴樁工程概況

某碼頭泊位工程建設規模為建設10000 噸級液體化工品泊位4個，5000 噸級液體化工品泊位2個，設計年吞吐量為360萬噸。碼頭總長1019m，泊位沿岸線呈“一”字形布置，自西向東依次布置2個5000噸級泊位（1#、2#）、4個10000噸級泊位（3#～6#）。碼頭采用離岸式布置，碼頭平臺為連片式，與后方陸域通過引橋連接。碼頭前沿線與護岸前沿線距離65m。碼頭面頂高程4.5m。碼頭主體結構為高樁梁板結構，樁基礎為Φ1200預應力混凝土大管樁，碼頭共114個結構排架，排架軸線間距9m，結構段處排架軸線間距5m。設計單位選用高壓旋噴樁作為碼頭基礎土體加固方式。本工程高壓旋噴樁布置主要范圍位為：碼頭長度（1019m）加東側外36m加西側外30m，共1085m長；碼頭面下18m寬。縱向分7排；橫向分5段。旋噴樁采用縱向橫向臺階式布置，旋噴樁單根樁直徑Φ800，間距600mm，共21550根，51245m。具體樁位布置及結構形式如圖1所示。

2 高壓旋噴樁施工工況

2.1 旋噴樁施工工序安排

按照整個結構的施工工序流程，本工程基礎土體加固高壓旋噴樁應在碼頭結構預應力混凝土大管樁沉樁結束后展開，在完成高壓旋噴樁施工之后才能展開現澆樁帽及后續上部結構施工。

2.2 旋噴樁施工客觀環境條件

本工程碼頭主體結構寬度18m，前沿線距離后方陸域擋墻65m。碼頭結構區原泥面標高約為-1.40m，土質為粉土。預應力混凝土大管樁的沉樁設計頂標高為+2.00m，每個排架有4～6根大管樁，每個排架現澆樁帽3只。工程所在海域的設計高水位為+1.86m，設計低水位為+0.08m。

工程沉樁施工時段為6月至9月，高壓旋噴樁施工從7月開始，工程所在海域受東北風影響較大，而根據當地自然環境資料，9、10月以東北風為主。

2.3 旋噴樁施工平臺設計選型的重要性

（1）影響施工質量。旋噴樁施工平臺首先就是能夠為高壓旋噴樁施工提供穩定可靠的作業面，確保旋噴樁施工能夠保質保量地完成。因此，在施工平臺方案制定時，需要充分考慮當地環境條件的制約情況以及平臺搭設與施工荷載等不同工況條件下的平臺結構穩定情況。

（2）影響施工進度。前面已經提到，旋噴樁施工平臺的搭設與拆除在一定程度上增加了旋噴樁施工工序與其緊前緊后工序的銜接難度，換言之，就是旋噴樁施工平臺搭設與拆除的難易程度，將直接決定旋噴樁的施工展布效率以及緊后工序的施工進度安排。合理的平臺搭設方案應該是可以兼顧到旋噴樁施工進度以及相鄰工序的有效銜接的，這樣才能最大限度地減小平臺搭設對整體施工進度的影響。

（3）影響施工成本。不同的施工平臺搭設方案，投入的設備、材料與人工情況也不盡相同，這就直接形成了施工平臺搭設的成本差異，在條件可行的情況下，我們需要選擇綜合成本較低的平臺搭設方案，這樣才有利于整體工程的成本管控。

3 旋噴樁平臺設計比選

3.1 比選評價標準

3.1.1 可靠性

高壓旋噴樁施工選用能達到成樁技術要求，且外型尺寸較小的小型旋噴樁機。施工區受風浪等客觀環境影響較大，擬建碼頭標高較低，施工階段受潮位、風浪的因素影響明顯，故需要保證在整個旋噴樁施工階段，除了平臺自身需要具備足夠的穩定性以外，還需要為旋噴樁施工提供可靠的施工環境。

3.1.2 施工效率

這里所提出的施工效率，包括多個方面：（1）旋噴樁平臺自身搭設與拆除的效率；

（2）平臺搭設對高壓旋噴樁施工效率的影響；

（3）平臺拆除對現澆樁帽施工效率的影響。

妥當的旋噴樁平臺搭設方案應該從施工效率上盡可能地達到以下兩點：

（1）在沉樁施工結束后，能高效地完成平臺搭設，形成旋噴樁作業面，且搭設的平臺應滿足旋噴樁的連續施工作業；

（2）在旋噴樁施工結束后，能迅速地實現平臺拆除，騰出現澆樁帽作業面，避免現澆樁帽工序的施工等待。

3.1.3 平臺搭設成本

在平臺滿足可靠性與施工效率的前提下，還應綜合分析平臺搭設與拆除的綜合成本，因為成本控制應體現在工程施工的每一個環節中。

3.2 平臺方案擬定

參考以往工程經驗，并結合工程實際情況綜合分析考慮，我們初步擬定了4種具備基本可行的旋噴樁平臺搭設方案：①常規腳手架平臺搭設方案；②槽鋼框架平臺搭設方案；③浮體式平臺搭設方案；④移動式平臺搭設方案。

3.3 平臺方案評估比選

在比選方案初擬完成后我們對各擬定方案在實際工況環境下的優勢和劣勢進行仔細分析，并用可靠性、施工效率、平臺搭設成本等三項比選標準對各個方案進行對比評估，從中選定綜合最優的平臺搭設方案。初擬方案的施工簡述及評估比選分析情況具體如表1所示。

表1 高壓旋噴樁施工平臺搭設方案評估比選分析表

3.4 平臺方案選定

綜合分析各個方案的優勢與劣勢，同時采用三項比選標準綜合評估，我們認為采用移動式平臺搭設方案更為妥當。

4 選定方案細化設計

4.1 設計標準

在選定了旋噴樁平臺搭設的方案之后，接下來就需要對選定的移動式平臺搭設方案進行細化設計，細化設計時也制定了相應標準用以確保最終設計的合理性和實用性。

（1）平臺自身穩定性及剛度。平臺自身穩定性是最基本的設計標準，這也是平臺搭設方案首先要解決的問題。穩定性解決的是施工基礎可靠性的問題，剛度解決的是保證施工安全和施工質量的問題。基于平臺結構穩定性和剛度設計標準，我們需要對平臺基礎支撐、平臺結構槽鋼選型、平臺結構剛度、平臺起吊吊點設置等進行反復的力學驗算。

（2）平臺承載能力。平臺搭設完成后，最為重要的使命就是能讓高壓旋噴樁施工設備能在平臺上面穩定施工和自由移動，這就要求我們對平臺結構的承載能力進行細化設計。

（3）施工可行性及高效性。這里所述的施工可行性及高效性主要是指施工平臺的搭設對高壓旋噴樁施工的干擾和影響。我們所設計的是滿足旋噴樁施工設備可以穩定實現施工的水上作業平臺，而旋噴樁施工需要完成的是水下高壓旋噴樁墻體結構，因此我們所設計的施工平臺應該需要兼具提供水上設備行動平臺和水下旋噴樁施工空間的功能。

（4）平臺抗風浪能力。由于本工程基礎大管樁樁頂標高與設計高水位標高相差不大，直接利用樁頂標高來安放平臺可能會使旋噴樁在施工階段受風浪影響較為明顯，因此需要采取一定的措施抬高移動式平臺的安放高度，以減小風浪環境對旋噴樁施工的不利影響。

（5）平臺水上大型吊裝。移動式平臺最明顯的一個劣勢就是需要大型水上起吊設備配合完成平臺的移動，這個問題不僅關系到平臺結構吊裝移運時的安全性，還涉及到平臺搭設方案的成本問題。

（6）平臺施工安全性。作為水上施工作業平臺，施工階段的安全保證也是平臺設計時需要考慮的，為了確保施工設

備和作業人員上下平臺的安全，防止墮水等危險狀況的發生，平臺結構還需要增加附屬的安全防護設施。

4.2 平臺結構受力計算

我們在平臺結構受力計算時，對每個結構層進行了最不利荷載分析，并對此工況條件進行了力學模型設計、計算和材料選型及受力核算。

考慮平臺計算過程相對簡單，這里以最關鍵的底層受力主梁結構計算作為案例進行簡要說明。

最不利荷載狀態選取：施工機具處于主梁中間時

荷載：自重及均布常荷載q= 6kN/m，施工設備點荷載F=35kN

力學計算結果分析：

支座反力：F1= F2=76kN最大彎矩Mmax=273.38kN·m擬建平臺所需的截面抵抗矩

式中，f為允許彎曲應力值，也可以理解為安全系數，取值為f=170N/mm4。

查閱材料特性，取兩組雙拼[32b型槽鋼，Wx=509cm3，Ix=8144cm4。

結構受力最大撓度值

可知選兩組用雙拼[32型槽鋼即可同時滿足結構強度及剛度需求，因此選型確定為兩組雙拼[32型槽鋼。

其他結構層受力計算均參照此計算形式完成。

4.3 平臺結構設計成果

我們遵照自己制定的上述設計基本標準，通過詳細的力學分析和受力計算，最終設計完成了具備綜合實用效能的移動式平臺結構。

平臺主體結構大致可以分為三層：底層受力鋼梁結構、中層均布力鋼梁結構、頂層鋼板網平面結構。

（1）底層受力主梁結構。根據槽鋼受力和剛度計算結果，最終我們選用了4組雙拼[32型槽鋼作為主受力框架結構，同時采用[25型槽鋼形成支撐框架。我們選用了與碼頭結構排架都一致的前后沿兩排直樁作為平臺結構的基礎支撐點，在每個支撐點位處均采用尺寸放大為2500mm×2500mm×30mm鋼板作為支撐基礎和平臺起吊結構，這樣既可以消減樁位偏差對平臺安裝的影響，也可以為平臺結構的起吊提供穩定的吊點結構，達到了安放與起吊的綜合穩定要求。

（2）中層均布力次梁結構。中層鋼梁結構的主要作用就是將旋噴樁施工設備的點荷載通過這一層分解為均布荷載傳遞到基礎受力框架中，實現平臺結構的穩定承載效能。根據受力計算，同時考慮避開旋噴樁施工孔位的鋼梁布置間距，最終我們選用了[25型槽鋼形成均布力鋼梁框架。

（3）頂層鋼板網平面結構。作為頂層形成施工機械施工平臺作業面的結構，我們綜合考慮了平面結構的自身重量、剛度、旋噴樁開孔等因素，最終選用剛度大、自重小的10mm鋼板網作為頂層平面結構。鋼板網按照旋噴樁機鉆孔孔徑和旋噴樁結構以間距600mm、孔徑150mm完成孔位布置。

4.4 平臺結構應用效果

在實際施工生產中，我們搭設了兩個移動式旋噴樁作業平臺，每個平臺上放置3臺旋噴樁機同步施工24小時作業，除大風等惡劣天氣及夜間平臺移動不便等因素影響外，高壓旋噴樁均保持了較高的施工效率。該分項工程自2015年6月30日開始施工，至2015年10月15日完成全部施工任務，較原進度計劃提前了大約1個月時間。

高壓旋噴樁在整個周期內施工進度始終處于追趕大管樁沉樁施工狀態，同時施工效率也一直超前于緊后的現澆樁帽關鍵節點工序，沒有因為平臺結構的原因造成旋噴樁施工進度滯后、現澆樁帽施工等待等后果，達到了匹配工序銜接效能的預期要求。

從對工期節點的保證、緊后工序的銜接、平臺搭設吊運的成本估算等方面綜合考慮，我們認為在實際生產中采用移動式的平臺結構還是經濟合理的。

5 結束語

高樁碼頭水上施工平臺的選型與設計其實是結合實際工程情況采用創新思想和發散思維進行施工管理的一種管理理念的體現，這種管理理念需要我們認真總結以往的工程實際經驗，注重自身基礎學科的掌握運用和工程知識的消化和積累。本文借助工程實際遇到的碼頭基礎高壓旋噴樁施工為切入點，對水上施工平臺進行了選型與設計，而在如外海、離岸等工況條件較差的水工項目中，移動式鋼平臺兼具了整體平臺的穩定安全性和船舶平臺的機動靈活性，能夠良好地適應多種復雜的工況條件。因此，移動式鋼平臺是具有一定的普適性和推廣性。