移動(dòng)浮箱灌注樁施工平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

鄧遠(yuǎn)經(jīng)，朱其恒

（1.廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510050；2.中國(guó)水產(chǎn)廣州建港工程有限公司，廣東 廣州 510220）

水上灌注樁施工時(shí)須先行搭設(shè)施工平臺(tái)，水上施工平臺(tái)可采用筑島平臺(tái)、樁基平臺(tái)、浮式平臺(tái)、移動(dòng)式自升平臺(tái)和導(dǎo)管架平臺(tái)等形式。其中樁基平臺(tái)是較為常見(jiàn)施工平臺(tái)型式，常采用鋼平臺(tái)，即下部鋼管樁基礎(chǔ)，上部鋼梁板的結(jié)構(gòu)。其施工流程為先施工鋼管樁，再水上安裝及焊接上部結(jié)構(gòu)。因樁基施工及上部安裝均在水上進(jìn)行，受水上風(fēng)浪流情況的影響，鋼平臺(tái)搭設(shè)的工期較長(zhǎng)、成本高、風(fēng)險(xiǎn)大。為加快施工平臺(tái)的搭設(shè)進(jìn)度，減少水上作業(yè)工程量，降低施工成本，可考慮施工平臺(tái)在陸上進(jìn)行制作，焊接成一個(gè)整體，再通過(guò)起重船整體吊運(yùn)安裝的方式，該方法也在水運(yùn)工程施工中得到很好應(yīng)用。

移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)是在整體制作吊運(yùn)安裝灌注樁施工平臺(tái)方法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的創(chuàng)新探索，將樁基施工平臺(tái)與浮式施工平臺(tái)相結(jié)合，設(shè)計(jì)制作一種能夠無(wú)需起吊而是通過(guò)自身浮力浮運(yùn)安裝的施工平臺(tái)。平臺(tái)在陸上制作完成后，依靠自身的浮箱浮運(yùn)至樁基施工區(qū)域，利用駁船輔助定位后打入定位樁固定；灌注樁施工完成后，拔出定位樁，浮動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)至下一組灌注樁位置定位施工。該結(jié)構(gòu)型式的主要優(yōu)點(diǎn)為：能夠在陸上進(jìn)行整體的制作，減少水上安裝工作量，從而加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程成本；同時(shí)拆除及運(yùn)輸方便，拔出定位樁后，可直接利用浮箱浮運(yùn)，無(wú)需大型起重設(shè)備。

本文將以廣東茂名港吉達(dá)港區(qū)某管廊棧橋工程為依托，介紹移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)受力分析驗(yàn)算以及實(shí)施應(yīng)用情況，為類似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)型式

廣東茂名港吉達(dá)港區(qū)某公共管廊棧橋工程，位于茂名吉達(dá)港，為港內(nèi)碼頭提供海上通道條件。管廊棧橋總長(zhǎng)度為4076.5 m，其中陸域段管廊長(zhǎng)度為134.2 m，海域段管廊長(zhǎng)度為3942.3 m，棧橋?qū)挾热?6 m。

管廊水工結(jié)構(gòu)采用樁基排架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段排架間距30 m，每榀排架下方布置3 根直徑1400 mm 灌注型嵌巖樁；樁基上部設(shè)置現(xiàn)澆C40 鋼筋混凝土橫梁，排架之間采用箱梁結(jié)構(gòu)。棧橋斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 棧橋結(jié)構(gòu)斷面圖

1.2 地質(zhì)條件

工程地質(zhì)自上而下主要由細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土混砂、中砂、粗礫砂、全風(fēng)化混合巖、強(qiáng)風(fēng)化混合巖和中風(fēng)化混合巖等巖土層構(gòu)成，巖面不深，有一定起伏，基礎(chǔ)采用灌注嵌巖樁。

1.3 水文條件

工程所處海域，設(shè)計(jì)高低水位分別為3.32m 及0.46m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖こ毯Ｓ蚰昃ǜ咝∮?.5m，年均波周期小于6s。施工水域受防波堤掩護(hù)，設(shè)計(jì)波要素重現(xiàn)期為2 年，H1%=2.39m，H5%=2.06%，H13%=2.62m，T=5.5s，L=32m。

2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)尺度的確定

根據(jù)棧橋結(jié)構(gòu)方案，每個(gè)排架設(shè)3 根灌注樁，施工平臺(tái)尺度需滿足三根灌注樁施工的要求，在施工平臺(tái)布置三臺(tái)沖孔機(jī)及三個(gè)泥漿池，并布置休息棚及發(fā)電機(jī)等，浮箱平臺(tái)平面尺寸確定為18.1m×13.75m。平臺(tái)頂高程按滿足設(shè)計(jì)高水位及設(shè)計(jì)波浪條件下，平臺(tái)頂面不受波浪力作用考慮，平臺(tái)頂高程確定為6.5m。

2.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

移動(dòng)浮箱灌注樁施工平臺(tái)主要由鋼浮箱和鋼結(jié)構(gòu)框架兩部分組成，平臺(tái)設(shè)12 根直徑720mm 壁厚10mm的鋼導(dǎo)管，安裝時(shí)在導(dǎo)管內(nèi)插入直徑630mm 壁厚8mm的鋼管樁，利用導(dǎo)管頂部的抱箍將導(dǎo)管與鋼管樁鎖定，以固定平臺(tái)。導(dǎo)管之間通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)桁架連接，桁架頂面依次鋪設(shè)32C 工字鋼主梁、18 工字鋼次梁以及8mm 厚鋼板。鋼桁架底部焊接3 個(gè)尺寸為12m（長(zhǎng)）×2.5m（寬）×3m（高）的鋼浮箱。平臺(tái)平面圖見(jiàn)圖2，立面圖見(jiàn)圖3，平臺(tái)材料表見(jiàn)表1。

圖2 施工平臺(tái)平面圖

圖3 施工平臺(tái)立面圖

表1 平臺(tái)材料表

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）永久荷載：結(jié)構(gòu)自重。

（2）沖孔樁機(jī)荷載：平臺(tái)面布置沖孔樁機(jī)共3 臺(tái)，單個(gè)樁機(jī)自重200kN。

（3）施工人員、機(jī)具、材料等荷載：按5kpa 計(jì)算。

（4）靜水浮力：平臺(tái)安裝固定后，打開(kāi)浮箱底部閥門，使浮箱內(nèi)水位與外界保持一致，浮箱受到的浮力僅為浮箱箱身（不含內(nèi)部）所受浮力。

（5）水流力荷載：設(shè)計(jì)水流流速為0.24m/s，單個(gè)浮箱受到的水流力：Fw=2.5kN，單根鋼管樁受到的水流力：Fw=0.1kN。

（6）波浪荷載：平臺(tái)頂面高程滿足不受波浪力的要求，波浪荷載主要為作用在施工平臺(tái)下方的三個(gè)鋼浮箱上的波浪力，現(xiàn)有水運(yùn)規(guī)范中尚無(wú)波浪對(duì)浮體結(jié)構(gòu)作用的相關(guān)計(jì)算公式。本工程根據(jù)設(shè)計(jì)波浪要素，通過(guò)fluent 流體仿真軟件建立二維數(shù)值水槽模型來(lái)對(duì)波浪力進(jìn)行計(jì)算。模型見(jiàn)圖4。

圖4 浮箱波浪力計(jì)算模型

模擬計(jì)算得到單個(gè)浮箱受到的最大波浪力：設(shè)計(jì)低水位：波浪力244kN（均布6.8kPa）；浮托力296kN（均布9.8kPa）。設(shè)計(jì)高水位：波浪力377kN（均布10.5kPa）；浮托力252kN（均布8.4kPa）。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，第一個(gè)浮箱受到的波浪力最大，將波浪力及浮托力等值添加到浮箱之上。

3.2 模型建立與分析

施工平面結(jié)構(gòu)計(jì)算使用midas Civil 計(jì)算軟件建立模型，主要分析施工平臺(tái)在定位安裝后，承受上部施工荷載及水流波浪等外部荷載時(shí)的受力情況，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。各構(gòu)件連接為固接，樁基樁底邊界條件設(shè)置為固接支座。作用組合分別考慮設(shè)計(jì)高低水位下的結(jié)構(gòu)自重、浮力、上部荷載、水流力及波浪力進(jìn)行組合分析。

圖5 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.3 計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

浮箱平臺(tái)在設(shè)計(jì)荷載條件下，各構(gòu)件應(yīng)力能夠滿足應(yīng)力限值要求，樁基受力能夠滿足抗壓及抗拔承載力要求，結(jié)構(gòu)安全可靠，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 及表3。

表2 施工平臺(tái)各構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 樁基內(nèi)力及樁基承載力計(jì)算結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

浮箱平臺(tái)在岸上進(jìn)行制作，上部構(gòu)件通過(guò)焊接連接，制作完成后，利用浮箱浮運(yùn)至樁基施工區(qū)域，利用駁船輔助定位，將12 根Φ630 的鋼管樁插入鋼導(dǎo)管，鋼管樁長(zhǎng)度為17m，鋼管樁利用振動(dòng)錘沉樁完成后，利用導(dǎo)管頂部的抱箍將導(dǎo)管與鋼管樁鎖定，平臺(tái)定標(biāo)高固定在+6.5m。

平臺(tái)定位安裝完成后，打開(kāi)浮箱底部閥門，以調(diào)節(jié)浮箱內(nèi)水位平衡浮箱浮力。平臺(tái)上部安裝3 臺(tái)灌注樁沖孔機(jī)，進(jìn)行灌注樁施工，灌注樁施工完成后，關(guān)閉浮箱底部閥門，抽出浮箱內(nèi)的海水，解松抱箍，利用振動(dòng)錘拔樁，浮動(dòng)平臺(tái)浮運(yùn)至下一組灌注樁位置定位施工。施工工序流程見(jiàn)圖6，浮箱平臺(tái)制作現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖7。

圖6 施工工序

圖7 浮箱平臺(tái)制作現(xiàn)場(chǎng)照片

平臺(tái)安裝使用后，需定期安排測(cè)量人員對(duì)浮箱平臺(tái)進(jìn)行沉降、位移觀測(cè)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)有異常，立即采取有效措施進(jìn)行糾偏。施工過(guò)程中做好充分的防風(fēng)防臺(tái)預(yù)案，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前，浮箱平臺(tái)可快速拆除避風(fēng)。

5 結(jié)論

移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)是將樁基施工平臺(tái)與浮式施工平臺(tái)相結(jié)合的一種平臺(tái)型式，平臺(tái)在陸上制作完成后，依靠自身的浮箱浮運(yùn)至樁基施工區(qū)域后打入定位樁固定。通過(guò)結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、計(jì)算和實(shí)施應(yīng)用情況，得出以下經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，可供今后類似平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

（1）移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)，與傳統(tǒng)樁基施工平臺(tái)的主要區(qū)別是，能夠整體制作安裝，該工藝加快了施工平臺(tái)的搭設(shè)速度，減少了水上作業(yè)工作量，降低了施工成本，具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)的主要特點(diǎn)是安裝和拆卸方便，移動(dòng)靈活且成模塊化。本工程棧橋樁基排架間距為30m，單個(gè)排架3 根灌注樁，樁基分布規(guī)則且相對(duì)分散。由此可見(jiàn)，移動(dòng)浮箱施工平臺(tái)對(duì)大跨度排架或墩臺(tái)的棧橋結(jié)構(gòu)有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于樁基集中或分布不規(guī)則的結(jié)構(gòu)則適用性相對(duì)較差。

（3）移動(dòng)浮箱平臺(tái)依靠浮箱進(jìn)行運(yùn)輸和安裝，但使用過(guò)程中，因浮箱受水流力和波浪力作用，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，且現(xiàn)行規(guī)范中尚無(wú)波浪對(duì)浮體結(jié)構(gòu)作用的相關(guān)計(jì)算公式，這無(wú)疑給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度。由此可見(jiàn)，該類結(jié)構(gòu)宜應(yīng)用于水流速度較小、流態(tài)相對(duì)穩(wěn)定、水位升降較慢和風(fēng)浪不大的水域。