深水急流强感潮水域大规模桩基群钻孔平台方案

丁志锋，姚清涛，刘寅莹，陈倩茜，陈哲

深水急流强感潮水域大规模桩基群钻孔平台方案

丁志锋1，姚清涛2，刘寅莹1，陈倩茜1，陈哲1

（1.国网江苏省电力公司经济技术研究院，江苏南京210008；2.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430040）

长江下游江心水域，往往具有深水、大流速、强感潮等特点，在此区域建造大规模桩基群基础，施工难度及安全风险较大。桩基钻孔平台在搭设和使用期间冲刷风险大，结构安全性和稳定性问题凸显。以长江下游某越江输电塔的基础施工为背景，从结构形式、搭设方法、施工工期及成本等方面对大直径钢管桩平台方案和导管架平台方案进行比选研究。结果表明，大直径钢管桩平台方案不但结构受力满足要求，而且施工组织相对容易，成本低，是比较合理的钻孔平台方案。

深水；大流速；强感潮；桩基群；钻孔平台；方案比选

0 引言

桩基群+承台组合基础是江、海水域桥梁工程常用基础形式，而对于大型跨江越海输电塔工程，在水中采用此类基础形式，规模一般更为庞大，桩基数量多，分布区域广。钻孔平台设计及施工是水中基础施工的关键环节，其受水文、地质、成本、工期、设备等因素制约[1-2]。在流速大且有潮位涨落的深水域，大规模桩基群施工难度大，人力、材料及设备投入多，钻孔平台方案选择、结构设计及现场搭设均比较困难，平台管桩自由悬臂长，河床泥面冲刷风险高，结构安全性和稳定性问题凸显[3-4]。以下依托长江下游某越江输电线塔基础工程，对深水、大流速、强感潮水域钻孔平台方案选型及施工技术进行研究，并对关键技术问题进行分析。

1 工程概况

1.1 工程总体布置

某长江大跨越项目为1 000 kV特高压交流输变电工程的关键节点工程，跨越档距为1 140 m+ 2 600 m+1 340 m，均跨越航道。该项目南、北2个主电塔均立于江中。大跨越项目总体布置如图1所示。

电塔基础为巨型中空深水高桩承台结构，布置176根桩径为2.5耀2.8 m钻孔灌注桩（不包括内部附属设施桩基）。承台外轮廓平面尺寸为120 m伊130 m。中空部分为八边形，平面尺寸为90 m伊88 m，承台厚度8 m。电塔基础总体布置见图2。

图1 大跨越项目总体布置（m）Fig.1General arrangement of large crossing project（m）

图2 电塔基础布置（尺寸：mm；标高：m）Fig.2Foundation layout of electricity transmission tower（Dimension：mm；Elevation：m）

1.2 水文及地形地质条件

1）水文条件

20年一遇设计高潮（水）位为+5.2 m，设计低潮（水）位为-1.5 m，设计水流速为3.84 m/s（落潮），设计波高为3.0 m。

2）地形地质条件

工程位于长江冲积平原的新长江三角洲，陆域地势平坦开阔，地面自西向东微倾，两岸向江边低倾。南、北塔位于长江主航道两侧，原始河床泥面标高分别为-4.6 m和-10.4 m。

南、北塔区松散层巨厚，塔基影响深度范围内均为第四系冲洪积地层，部分地层分布情况如表1和表2所示。

表1 南塔处部分地层分布情况Table 1Distribution of part of stratum under south tower

表2 北塔处部分地层分布情况Table 2Distribution of part of stratum under north tower

河床顶部为松散的粉砂和淤泥质粉质黏土，在水流作用下极易形成冲刷。钻孔平台钢管桩和桩基钢护筒下沉完成后，江中形成阻水结构物，必然加剧河床的冲刷。施工阶段的最大局部冲刷深度可达20 m以上。

2 钻孔平台方案

2.1 钻孔平台总体布置

根据电塔桩基布置、工程水文及地质条件、通航条件以及施工工艺布置要求等，钻孔平台总体采用钢护筒及钢管桩联合支撑平台方案，主要由钢护筒、钢管桩、平联、斜撑、主梁、上下分配梁以及面板等组成。

塔基主体部分的钻孔平台共划分为3个区域：上游部分为功能区，分临时材料堆存区、仓库、人员办公及休息区、发电机及变电机房等；中间部分为钻孔作业区；下游及两侧部分为履带吊工作通道。内部管理用房桩基钻孔作业区通过栈桥与外围主体部分相连。钻孔平台功能分区如图3所示，总体平面布置如图4所示。

2．3 农村留守儿童社会适应得分与其心理韧性得分的相关性 农村留守儿童社会适应各维度得分与其心理韧性各因子得分大都存在显著负相关。见表3。

2.2 两种钢管桩布置形式的平台方案

在不改变平台总体平面布置的前提下，针对钢管桩支撑部分，提出两种结构布置方案：大直径钢管桩方案和导管架方案。以北塔主体部分钻孔平台为对象，两种方案的主要构件设计参数如表3所示。其中，河床冲刷后泥面标高按-20.0 m考虑（整体冲刷约10 m），平台顶标高为+7.5 m。

两种平台结构立面布置如图5和图6所示。

图3 钻孔平台功能分区布置（mm）Fig.3Function partition layout of drilling platform（mm）

图4 平台总体平面布置（mm）Fig.4Overall plane layout of drilling platform（mm）

3 两种平台方案比选分析

3.1 结构受力性能

采用midas/civil建立两种平台的整体有限元模型，钢护筒、钢管桩、连接系及梁系采用梁单元模拟，梁系结构进行简化处理，各构件之间固接，钢护筒与钢管桩在理想嵌固点处进行固结处理[5]。分析在最不利工况钻孔平台受波流荷载、风荷载、温度荷载以及钻机、履带吊、临时堆载等施工荷载作用下的整体结构行为。

表3 两种平台主要构件设计参数Table 3Design parameters of main components of two platforms

图5 大直径钢管桩平台立面布置（尺寸：mm；标高：m）Fig.5Profile layout of large diameter steel pipe pile platform（Dimension：mm；Elevation：m）

图6 导管架平台立面布置（尺寸：mm；标高：m）Fig.6Profile layout of steel pipe pile frame platform（Dimension：mm；Elevation：m）

两种平台的有限元模型分别如图7和图8所示。经过计算，大直径钢管桩平台最大应力约159 MPa，出现于钢护筒斜撑处，最大变形约103 mm，出现于两侧外围钢管桩顶部。钢护筒群抗推刚度大于钢管桩群，二者通过平联、斜撑及桩顶梁连接而协同受力，减小了钢管桩的受荷效应。

导管架平台最大应力约163 MPa，出现于定位锚固桩处，最大变形约80 mm，出现于下游侧钢护筒顶部。导管架抗推刚度大于钢护筒群，二者分离设置，在保证钢护筒及其连接系受力安全的前提下，减小了导管架的受荷效应。

图7 大直径钢管桩平台有限元模型Fig.7Finite element model of large diameter steel pipe pile platform

图8 导管架平台有限元模型Fig.8Finite element model of steel pipe pile frame platform

两种方案结构受力均满足要求[6]，其中，水流荷载产生效应占总效应比均超过80%。

3.2 施工组织及方法

1）大直径钢管桩方案

钢管桩及钢护筒在加工厂制作完成后，水运至现场，利用2艘打桩船（60 m以上深度）进行沉放，如图9所示，后续利用2艘200 t全回转浮吊进行上部结构安装。钢护筒区平台具备条件后，及时安装钻机进行钻孔施工，形成流水式作业。

图9 大直径钢管桩平台施工示意（1/2）Fig.9Construction outline of large diameter steel pipe pile platform（1/2）

2）导管架方案

导管架平台分成4个分离式导管架，在码头或加工厂制作完成后，水运至现场，利用2艘600 t浮吊按照淤、于、盂、榆的顺序依次抬吊安装，如图10所示，并采用1艘200 t全回转浮吊配振动锤进行定位锚固桩的施工并安装平台上部结构，然后在水下安装抱箍将各导向架首尾连接成整体。同时，利用1艘打桩船进行钢护筒沉放，利用1艘200 t全回转浮吊在后续进行上部结构安装。钢护筒区平台具备条件后，及时安装钻机进行钻孔施工，形成流水式作业。

图10 导管架平台施工示意图Fig.10Construction outline of steel pipe pile frame platform

3.3 施工工期及成本

两种方案工期均为从平台搭设开始至结束为止；施工成本只作定性分析，主要包括材料量以及设备投入数量和时间，不考虑钢护筒及上部结构的材料量（两者相同），只考虑大直径钢管桩平台部分和导管架平台部分的材料量，如表4所示。

综上可知，两种方案结构受力均满足要求，导管架平台刚度较大，但其对定位锚固桩要求较高；导管架方案施工组织相对复杂，而且考虑到河床冲刷不确定性，其尺寸不易提前确定；导管架方案总体工期稍短，具备开钻条件的时间相对较早，但投入设备及材料量较高，成本较大。因此，推荐选用大直径钢管桩平台方案。

4 结语

1）根据项目特点，提出了钢护筒及钢管桩联合支撑平台总体方案，阐述了钻孔平台各分区功能，并针对钢管桩支撑部分，提出两种结构布置方案：大直径钢管桩方案和导管架方案。

2）从结构整体受力、施工组织、施工工期及成本上对大直径钢管桩方案和导管架方案进行了综合分析比较。大直径钢管桩平台方案不但结构受力满足要求，而且施工组织相对容易，成本低，满足深水急流强感潮水域大规模桩基群的施工要求，是比较合理的钻孔平台方案。

[1]王希浩.深水桩基础施工平台的结构分析与施工控制[D].天津：天津大学，2008：1-4.

WANG Xi-hao.Structural analysis and construction control of deep-waterpilefoundationconstructionplatform[D].Tianjin:Tianjin University,2008:1-4.

[2]欧阳效勇，任回兴，徐伟.桥梁深水桩基础施工关键技术[M].北京：人民交通出版社，2006：5-33，56-66.

OUYANG Xiao-yong,REN Hui-xing,XU Wei.Key techniques for deep water bridge pile foundation construction[M].Beijing:China Communications Press,2006:5-33,56-66.

[3]杨少华.复杂水文地质条件下的桥梁水上基础施工技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2011：2-7，28-52.

YANG Shao-hua.Construction technology of the bridge foundation in the water under the complicated hydrogeological conditions[D]. Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2011:2-7,28-52.

[4]李嘉明.强潮急流河段大直径桩基钢护筒沉放关键技术[J].公路，2013（9）：109-112.

LI Jia-ming.Key technology for constructing steel casings of large diameter piles in the river with strong tide and rapid flow[J]. Highway,2013(9):109-112.

[5]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

[6]GB 50017—2003，钢结构设计规范[S]. GB 50017—2003,Code for design of steel structures[S].

Drilling platform program for large-scale pile group in deep water with high velocity of flow and strong tide

DING Zhi-feng1,YAO Qing-tao2,LIU Yin-ying1,CHEN Qian-qian1,CHEN Zhe1
（1.State Grid Jiangsu Electric Power Company Economic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210008,China; 2.CCCC Second Harbor Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430040,China）

It has the characteristics of great water depth,high velocity of flow and strong tide in the lower reaches of the Yangtze River where building the large-scale pile group is with high difficulty and great security risk.Drilling platform of pile foundation during erection and use is with great risk of erosion and serious structural safety and stability problems.Foundation construction project of one electricity transmission tower across the lower reaches of the Yangtze River as the background,we analyzed and compared two kinds of drilling platform programs of large diameter steel pipe piles and steel pipe pile frames from the aspects of structural arrangement,erection method,construction period and cost,the results show that the platform program of large diameter steel pipe pile is the more reasonable program,whose structural performance meets the requirement, construction organization is relatively easier and construction cost is lower.

deep water;high velocity of flow;strong tide;pile group;drilling platform;program comparison and selection

U445.55

A

2095-7874（2017）09-0044-06

10.7640/zggwjs201709009

2016-12-12

2017-01-23

丁志锋（1976—），男，江苏江阴人，高级工程师，主要从事电网建设研究与管理工作。E-mail：ring_ding76@sina.com