強浪條件下一體夾樁施工平臺的設計及應用

◎ 楊武 中交四航局第二工程有限公司

為了加強沉樁后樁基的穩定性，改善施工期受力狀態，避免單根鋼管樁由于受到水流、風浪影響造成樁基傾覆、偏位。通常設計單位會要求施工單位及時對鋼管樁進行縱橫向夾樁，使鋼管樁連成整體，增加已沉鋼管樁抗水流、風浪的能力，施工單位也會為了方便上部結構施工而搭建臨時施工平臺。

目前，高樁碼頭夾樁連接方式有4種:（1）吊筋方式。（2）牛腿方式。（3）鋼板抱箍方式。（4）吊掛方式。以上4 種夾樁形式，雖能滿足夾樁要求但傳統方法實施時對施工現場的風浪條件要求均較為苛刻。所以，尋找一種適用于強風浪作用條件且安全、高效的一體夾樁施工平臺是提高碼頭施工功效的關鍵。

1.工程概況

某在建某原油碼頭工程項目主要包括原油碼頭、島式深水防波堤、引橋、疏浚、港池、航道、錨地和工作船停靠泊位等內容。其中原油碼頭建設規模為：建設30萬噸級原油泊位1個（水工結構按靠泊40萬噸油輪設計）及相應配套設施。原油碼頭泊位總長420m，采用蝶形高樁墩式布置。原油碼頭設計年通過能力為2000萬噸。

表1 施工平臺內邊沿尺寸表（mm）

該原油碼頭工程結構形式復雜，水上施工工序多、工期長，所處區域自然條件較為惡劣，所處海域具有風浪大、水深流急、季風明顯、臺風頻發等特點，水上作業受天氣影響大，全年可作業時間短，風浪和季候風影響時間長、范圍廣。根據自然資料分析，其中每年4～9月可作業天數約為95d、10月至次年3月可作業天數約為18d，全年水上可作業天數約為113d，可作業天數不足全年的31%。

該工程施工墩臺離水面距離較高，在夾樁過程中人員極易踩空落水，存在極大安全風險且施工效率極慢。

2.施工平臺設計及驗算

2.1 施工平臺設計

由于該工程每個墩臺的樁基均不同，因此不同樁基的施工平臺尺寸需根據實際樁基布置情況以及實際夾樁選定標高計算取值，以QD14墩臺樁基為例，8根鋼管樁均存在斜度且斜度不盡相同，因此可利用樁的斜度設計一體化框架式施工平臺，通過起重船（或駁船+履帶吊的形式）將該平臺吊框在已打好的鋼管樁基上，然后再通過登上施工平臺逐層燒焊鋼牛腿、縱橫平聯型鋼和斜拉型鋼來加固樁基加固施工平臺，進而完成夾樁，最后完成支撐上部墩臺底膜等結構，為墩臺澆筑創造條件。

施工海區有關設計水位取值如下：

極端高水位（50年一遇）：3.12m；設計高水位：1.87m；設計低水位：0.30m；極端低水位（50年一遇）：-0.16m。

（1）設計要點。結合上述施工水域水位情況以及樁基情況，并充分考慮施工人員上下平臺的便利性以及夾樁的穩定性，來決定施工平臺的層數，以QD14鋼管樁基為例，考慮設計三層施工平臺用于輔助夾樁；設計的框架式施工平臺框套在鋼管樁基上時，應盡量使4個內邊沿與鋼管樁外壁相切，以便充分利用樁基鋼管樁的斜度，使初步吊框在樁基上的施工平臺保持穩定狀態，方便后續的加固和夾樁作業；施工平臺需滿足自身吊裝強度，最高層施工平臺需在夾樁完成后滿足承載底膜及混凝土載荷的要求。

（2）尺寸計算。根據該施工海域潮流及波浪等水位特征，以及后續施工的需要，最底層施工平臺底標高取+3.5m，中間層施工平臺底標高取+6.5m，最高層施工平臺底標高取+9.45m（兼上部墩臺澆筑底模支撐），根據最終的實際沉樁記錄結合設計圖紙建立三維數據模型，在模型中通過量取上述不同標高處平臺的內邊沿尺寸，可發現均為不規則四邊形，具體尺寸見表1。

（3）基本結構。施工平臺主要基本結構為四邊形，由I30工字鋼焊接而成，[20槽鋼用于制作防護欄底座，使護欄外飄方便施工人員行走，安全護欄使用φ16mm鋼筋焊接。施工平臺所用主要材料及規格見表2，安裝示意圖如圖1。

2.2 施工平臺結構驗算

最底層和中間層施工平臺主要承載平臺自身的重量和作業人員的重量，最高層施工平臺除承載平臺自身的重量和作業人員的重量外，加強后的施工平臺還需承載縱橫平聯型鋼的重量以及墩臺模板和現澆混凝土的重量（本文簡略認為以上載荷是均布載荷）。

（1）工況1：平臺吊裝時，四點受力且四個受力點均在施工平臺四個角時為平臺吊裝階段可能出現的最不利工況（實際吊裝設置8個吊點），對此進行三維數據建模可知，最低層施工平臺（+3.5m標高）自重約3.3t，中間層施工平臺（+6.5m標高）自重約3.1t，最高層施工平臺（+9.45m標高）自重約2.8t。結構簡化后進行有限元計算可得出如圖2-（a）～（c）所示結果：

表2 施工平臺所用主要材料及規格表

如圖2所示，標高3.5m施工平臺最大應力為195MPa，最小安全系數為1.2，標高6.5m施工平臺最大應力為173MPa，最小安全系數為1.3，標高9.45m施工平臺最大應力為155MPa，最小安全系數為1.5，在此吊裝工況下，施工平臺可滿足結構強度要求。

（2）工況2：平臺使用階段，最高層平臺上需承載施工人員以及夾樁所需平聯型鋼、底膜和現澆混凝土的重量，根據設計圖紙可按上部結構重量約2000t計算（現澆混凝土為1980t，其余暫估為20t），且為了能承載上述載荷，需在該層平臺下燒焊牛腿以將力更有效的傳遞給鋼管樁，此時為平臺使用階段的最不利工況。三維建模計算結果如圖3所示。

采用原設計I3 0工字鋼建模計算，結果顯示最大應力部位應力為1018 MPa，遠大于材料屈服強度235MPa，且加固后的施工平臺最大位移變形35mm，不滿足使用要求。選取I55工字鋼（Q345）建模，并對應力最大節點處重新進行細化計算，結果如圖4所示。

圖1 三層施工平臺安裝總示意圖

圖2 不同標高施工平臺應力及安全系數云圖

圖3 9.45m標高施工平臺承重應力云圖與安全系數云圖

圖4 優化后9.45m標高施工平臺承重應力云圖與位移云圖

綜上，加大選材后重新計算的結果為最高層施工平臺最大應力部位應力為318MPa，低于材料屈服強度345MPa，且最大變形處位移為6.8mm，低于1/1000最大跨距的規范要求，滿足實際使用強度。

3.現場實施

3.1 施工平臺制作

一體吊裝框架式施工平臺框架型鋼、平聯型鋼、牛腿型鋼、吊耳板、安全防護欄及斜拉型鋼等用料需在岸上按規格尺寸開好料，在岸上將平臺制作成型并安裝好防護欄，制作時除焊接框架4條工字鋼還需焊接縱橫兩條工字鋼用于增加一體吊裝框架式施工平臺的剛度，其余材料轉運到駁船或起重船上用于平臺加固。

3.2 施工工藝流程

施工平臺現場吊裝時，起重船（或駁船+履帶吊的形式）先在待夾樁樁基位置附近就位，定好位后，起重船（或駁船+履帶吊的形式）起吊平臺，施工人員通過溜尾繩子調整平臺姿態和位置，將其按設計標高和方向框套在樁基鋼管樁上，三層平臺逐層吊裝穩后，最后焊接牛腿，加焊平聯型鋼和斜拉型鋼，加固樁基，完成夾樁。

4.應用效果

在施工現場的實際使用中，采用一體吊裝框架式施工平臺輔助夾樁后，單個墩臺由傳統輔助夾樁時的14d/墩臺功效，提高為7d/墩臺功效，提高了夾樁效率的同時也保障了作業安全，較好的滿足了施工現場的需求。

5.結束語

本文以在建某原油碼頭工程為依托，根據主體碼頭墩臺樁基的特點，針對外海惡劣海況，提出一體式框架式施工平臺整體吊裝的輔助夾樁施工思路。經實施，該工藝可有效消除傳統施工工藝所帶來的功效低、風險高等弊端，提高了夾樁施工的整體功效和安全性。本文的相關實施經驗，可為今后同類海況下樁基夾樁施工平臺的設計與應用提供借鑒。