库区深水裸岩高桩承台施工浮式平台设计研究

廖文华

(中铁一局集团桥梁工程有限公司，重庆 401121)

1 概述

随着我国三峡工程和一些大型水利枢纽工程的建设和路网交通系的不断完善，跨越大型库区的大型桥梁建设越来越多。库区影响了正常的水路交通，而且库区内水位变化没有规律，这给深水裸岩基础施工又增加很大的施工技术和施工组织难题。以新建兰渝铁路渠江特大桥为背景，介绍适合库区深水裸岩基础施工方式平台设计研究过程和取得的成果。

2 工程概况

2.1 工程结构及地质概况

新建兰渝铁路渠江特大桥位于四川广安，跨越渠江，主桥结构为(48+4×80+48)m的预应力混凝土连续刚构(图1);主墩29号～33号位于水中，其中31号和32号墩水深约22 m，设计为高桩承台，河床裸露，其下分别为砂岩、泥岩、泥岩夹砂岩、砂岩等，岩性总体上由软到硬，极限抗压强度6～30 MPa。

2.2 水文概况

渠江属于嘉陵江支流，河流洪枯水位变化幅度很大;汛期水位具有暴涨暴落的典型山区河流特性，曾在2007年时出现50年一遇的洪水，水位比常水位高11 m，对施工威胁很大。渠江洪水期为5～10月，流量随雨洪季节及降雨量改变。

3 方案研究

针对库区裸岩深水高桩承台基础施工，目前国内深水基础常用的施工平台主要有双壁钢围堰平台、钢平台以及浮式平台3种形式。3种平台各有其工程特点，深水裸岩条件下均可选择使用。

图1 渠江特大桥主桥桥型布置(单位:cm)

3.1 双壁钢围堰平台

优点:钢套箱围堰坚固，整体性好，刚度较大，抗冲刷、抗撞击能力很强。如果利用钢套箱围堰，在施工过程中能有效地抵御洪水冲击和过往船只的影响。

缺点:此工程设计为高桩承台，如果采用钢套箱围堰，必须在围堰顶搭设桩孔作业平台，因此钢套箱及钢护筒用量较大，经济性较差。

3.2 钢平台

钢平台即用钢管桩作为作业平台基础，同时还可以在南北两岸间搭设钢便桥，将钢平台和便桥连成整体，既保证整体性，又方便施工及材料运输，其优缺点如下。

(1)能有效地解决南岸28个墩身施工材料运输问题;(2)材料运输方便，能节省水上施工运输设备;(3)河床地质为砂岩，覆盖层薄，钢管打入困难，施工难度大，打入深度无法保证;

(4)由于钢管桩插打施工速度慢，占用关键线路施工时间，工期无法满足要求;

(5)一次投入资金数量大，虽后期可回收部分钢材，但施工中资金占用大。

3.3 浮式平台

浮式平台即用船体、标准舟节、浮箱或木排等浮体拼装成的浮动工作平台，浮动的工作平台就位后锚定，插打钢护筒，在平台上安放钻机进行钻孔桩施工。

经过多次方案比选，最终选用浮式工作平台作为钻孔平台，因为渠江上下游有通航限制，大型工程驳无法进入到施工场地，因此最终选用军用浮箱作为浮体，纵横梁用万能杆件拼装组成工作平台(图2)。平台的设计综合计算了从组拼阶段到作为浮式钻孔平台使用的各种工况，在设计中主要注意以下几个方面的问题:

(1)浮体是用单个浮箱拼接而成，浮箱抵抗平台不均匀荷载的能力较差，因此必须考虑万能杆件纵梁能够抵抗施工中平台上的不均匀荷载;

(2)作业平台上必须要有龙门起吊设备，设计中必须考虑龙门移动过程中平台的整体稳定性，必须保证在各种不利工况下能够安全运行;

(3)平台要有抵抗洪水冲击的能力，必须拉锚固定。

虽然设计有考虑洪水的影响，但是根据水文资料，渠江属于暴涨暴落型河流，如果遇到洪水水位迅猛升高，平台安全会受到严重威胁。因此，应该采取其他措施尽量加快施工进度，以降低施工风险。

4 浮式平台设计及创新点

4.1 浮式平台方案

水上浮式平台由34个浮箱组成浮体，工作平台由万能杆件桁架、工字钢、钢板等组成。工作平台为30 m×23 m的四边形。2排浮箱由万能杆件桁架横向连接，成为平台横梁。船中心线附近由万能杆件纵向连接成整体，作为龙门桁车走行轨道支撑。上置I20a型钢横梁，中心间距40 cm，留出钢护筒范围后，焊接在纵梁上。横梁上铺5 mm厚钢板，留出钢护筒范围后焊接在I20a型钢上。平台上布置钻孔平台(每个横梁最多布置2台钻机)和拼装400 kN龙门(最大荷载:钢护筒320 kN)，浮式平台及龙门(图2)。

4.2 设计验算

浮箱自重及平台纵梁都是通长布置，重心都在跨中;浮箱自重1 767 kN，纵梁自重1 050 kN，垫梁荷载261 kN;平台横梁向一端偏移了1 m。经计算，平台横梁传递的荷载为657 kN;龙门在平台上移动，根据实际工况分别分析，龙门自重1 166 kN，最大吊重400 kN。

4.2.1 浮箱承载力验算

浮式平台上施工荷载6 812 kN，34个浮箱可提供9 000 kN浮力(含自重1 766 kN，浮箱允许吃水深度1.2 m)，大于平台荷载。

图2 浮式平台布置(单位:cm)

4.2.2 万能杆件横梁验算

横梁支撑在浮箱上，最大跨径为32.0 m，由6片桁架承受各工字钢纵梁传递过来的均匀分布的集中荷载。最不利荷载为一片桁架承受2台钻机，同时考虑下放钢护筒和钻机荷载必须错开施工。计算结果见表1。

表1 横梁在主要工况荷载作用下的受力情况

横梁在主要工况荷载作用下的受力均满足要求，刚度大于1/400，横梁设计满足要求。

4.2.3 浮式平台纵梁验算

浮式平台是由34个小浮箱销接而成，由于单个小浮箱自身刚度很小，不能抵抗集中荷载对整个浮箱产生的弯矩，因此需要在浮箱上搭设万能杆件纵梁作为浮式平台龙骨，兼作龙门走行基础，同时保证浮式平台整体稳定，浮箱抵抗不均匀荷载时抗倾覆能力。浮式平台纵向荷载分布见图3。图3中:N1—龙门荷载，N2—平台施工荷载，q—平台自重，qA、qB—浮力。图4为钢护筒的下放施工现场。

图3 浮式平台纵向荷载分布(单位:m)

图4 钢护筒下放施工

纵梁在主要工况荷载作用下的倾斜坡度直接影响浮式平台整体稳定性。纵梁在主要工况荷载作用下的稳定性验算结果见表2。

纵梁在主要工况荷载作用下的倾斜坡度均小于稳定坡度，浮式平台在最不利工况下，整体稳定性满足要求。

表2 纵梁在主要工况荷载作用下的稳定性验算结果

4.3 浮式平台创新点

与现有的桥梁基础施工方案相比，此浮式平台采用万能杆件等制式器材设计，简洁灵便，施工简易，组合方便，形状可调，同时节省投入，解决了库区、大型水上设备无法进场的库区深水裸岩基础的施工难题。裸岩基础钢平台无法打设，水路交通不通大型船舶无法进场。采用小浮箱组拼浮式平台的施工方法，成功解决了以上困难，大大增强了施工安全性和经济性，为以后库区、裸岩或者水上交通不便的施工区域提供可靠的施工经验。并于2011获得国家知识产权局授权的实用新型专利《一种桥梁施工用浮式钻孔平台》，专利号:2011.2.0205131.5。以《深水倾斜裸岩河床条件下铁路特大桥基础施工技术》为课题的研究成果，于2011年经专家评审达到国际先进水平，并获中国铁路工程总公司科学技术奖二等奖。

5 结语

通过对浮式平台系统的设计计算，确保浮式平台各个部位在不同工况，均能满足要求。通过对小浮箱组拼浮式龙门平台施工关键环节的攻关与控制，顺利完成了渠江特大桥主墩的32根单重近38 t的钢护筒的下放(图4)，以及大直径钻孔桩施工，保证了全桥工期的正常进度，为全桥的顺利通车奠定了良好而又坚实的基础，利用组合式浮式平台为交通条件限制，驳船、浮吊等大型设备无法进场，深水裸岩约束条件下，钻孔桩的施工提供有价值的参考。

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