深水钻孔平台施工技术

高海林

(湖北秭兴长江大桥建设开发有限公司 宜昌 443000)

湖北香溪长江公路大桥工程[1]是拟建的湖北省骨架公路网中第六纵第二条支线跨越长江的节点工程，其中，香溪河大桥采用主跨470 m的双塔双索面组合混合梁斜拉桥，桥跨布置为(2×48 m+78 m+470 m+78 m+2×48 m)+(3×35 m+6×20 m)，桥梁全长1 079.5 m。设4，5号2个主塔。

4号墩承台为直径30 m的圆形整体式承台，其下设置18根直径为3 m的桩基，采用行列式布置，桩长83 m，主塔桩基在水上钻孔平台[2]上利用反循环回旋钻机(KTY4000)进行施工。

1 水位、地质情况

香溪河大桥位于三峡库区，根据三峡大坝蓄水调度方案，正常蓄水期坝前水位按175～145～155 m(吴淞高程)进行调度，水位变化幅度达30 m。

4号墩处为顺向坡，地形坡角26°～28°，基岩大范围裸露，地层倾角大于地形坡角，斜坡整体稳定性较好，地层岩性为灰岩地层，岩石承载力高。

2 平台施工

2.1 结构概况

4号墩施工平台顶标高为177.5 m，施工时水位为172 m，平台基础河床标高最低为133 m，水深高达39 m左右，平台平面尺寸为33.4 m×41.4 m，重约6 000 kN。上部结构采用高2 m材质为Q345B的钢板梁，面板采用6 mm厚花纹钢板；下部结构设置8根支撑桩，同时利用2根主体钢护筒桩(4-9号，4-10号)及中心桩(0号)。平台荷载通过下部结构传递至河床，平台平面布置见图1。

图1 平面布置图(单位：mm)

2.2 平台拼装

受场地及水位的限制，选择将2艘平板铁驳抛锚停靠在5号墩岸边，利用浮吊完成拼装船的组装，同时在岸边拼装贝雷梁支架，并将4组支架吊装至拼装船上固定；再将4组钢板梁A、4组钢板梁B分别焊接[3]成整体，然后将钢板梁对称吊装，并利用倒链调整对位，再焊接与钢板梁A、B垂直的钢板梁C，以及板梁间的小分配梁及钢板梁的限位装置。钢板梁拼装见图2。

图2 钢板梁在驳船上拼装示意图

2.3 平台浮运、系锚抛锚、移船定位

拖轮牵引拼装船离开5号墩，运输机驳船辅助配合，拼装船行驶至东岸3号墩附近靠帮，并岸边地龙钢丝绳连接，同时利用浮吊完成水上抛锚及过绳工作。移船定位时，测量人员要持续观测，保证定位偏差小于10 cm[4]。

2.4 下部结构施工

利用浮吊及振动锤进行支撑桩钢护筒的插打，注意控制钢护筒垂直度偏差<0.5%，且顶面偏差≤15 cm。支撑桩直径1.8 m、长12 m，桩底入岩深度不小于6 m，护筒入岩深度为1 m，支撑桩采用正循环冲击钻机施工[5]，施工中注意地质变化并做好地质取样工作，成孔后采用成孔检测仪对孔深、孔形进行检查，清孔后要保证孔底沉渣厚度小于5 cm。下放12 m钢筋笼，在浇筑混凝土过程中,保证钢立柱锚固长度不小于7 m。

其余支撑桩及钢护筒桩按此工艺进行施工，不同的是，钢护筒桩直径为3 m，桩底入岩深度不小于4.5 m，护筒入岩深度为1 m，保证钢护筒锚固长度不小于6.5 m。

2.5 平台提升、下放

选择4根角桩、0号钢护筒桩作为平台提升桩。平台提升过程中要注意控制钢板梁底与水面之间的高差，留出分配梁、牛腿的安装高度，高度应大于3 m，同时注意观察拼装船上浮情况，平台提升到位后，需保证平台底与拼装船脱离高度大于20 cm。平台提升到位后，临时锁定平台，安装分配梁及牛腿，同时拼装船解体并退出工作。

平台下放同提升过程。平台下放完毕后，根据实际水位情况，及时完成下部结构水位以上的连接系，完成栈桥与平台的连接，然后铺设平台面板及栏杆等安全防护设施[6]。至此，4号墩桩基钻孔平台形成。

3 结构检算

3.1 计算荷载及钻机循环

钻孔桩施工期间，平台结构受到结构自重(通过设置自重系数由模型自动考虑)、钻机荷载、履带吊荷载、龙门吊机荷载、风荷载及施工荷载的作用，由于处于三峡库区，不考虑水流的影响。

根据荷载计算，平台结构主要承受钻机竖向荷载，按3轮循环进行钻孔作业，桩基编号见图3，钻机循环见表1。

图3 4号桩基编号

循环编号桩基第1轮4⁃4，4⁃5，4⁃6，4⁃11，4⁃13，4⁃15第2轮4⁃1，4⁃7，4⁃8，4⁃16，4⁃17，4⁃18第3轮4⁃2，4⁃3，4⁃9，4⁃10，4⁃12，4⁃14

计算采用有限元模型，在模型上施加荷载，有限元模型见图4。

图4 midas有限元模型

3.2 钢板梁结构承载力检算

钢板梁通过槽钢连接系连接成整体，需对每一轮循环中钢板梁结构截面强度及局部稳定性进行检算，，由于钢板梁顶部受压翼缘有密铺的桥面板结构，根据钢结构设计规范，其整体稳定性可不用计算。

3.2.1钢板梁截面强度检算

工字形板梁截面强度检算主要对其截面组合应力及剪应力进行检算，截面强度准则应以钢板梁结构不发生整体失稳或局部失稳为前提条件。

第1轮钻孔循环中钢板梁截面组合应力等值线计算见图5。

图5 第1轮钻孔循环中钢板梁截面组合应力等值线

截面最大组合应力为170 MPa，小于210 MPa，截面最大剪应力为50 MPa，截面强度满足要求。

同样根据第2轮钻孔循环中钢板梁截面组合应力等值线计算截面最大组合应力为145 MPa，小于210 MPa，截面最大剪应力为76 MPa(位于钢护筒支撑牛腿位置处)，截面强度满足要求；根据第3轮钻孔循环中钢板梁截面组合应力等值线计算截面最大组合应力为68 MPa，小于210 MPa，截面最大剪应力为41 MPa，截面强度满足要求。

3.2.2钢板梁局部稳定性检算

1) 受压翼缘局部稳定计算。翼缘达到强度极限承载力且不会产生局部失稳的宽厚比限值为

2) 工字形腹板局部稳定计算。在受压翼缘与纵向加劲肋之间设有短加劲肋的区格，其局部稳定性按下式计算。

式中：σ为所计算腹板区格内，由平均弯矩产生的腹板计算高度边缘的弯曲压应力，MPa；τ为所计算腹板区格内，由平均剪力产生的腹板平均剪应力，MPa；σc为腹板计算高度边缘的局部压应力，MPa；σcr1，τcr1,σc,cr1为各种应力单独作用下的临界应力，MPa。

加劲肋布置见图6。

图6 加劲肋布置示意

a1=500 mm，h1=506 mm，h2=1 446 mm，h0=1 952 mm，h=2 000 mm，腹板厚度tw=16 mm。

当梁受压翼缘扭转受到约束时：

此时σcr1=f=310 MPa

式中：λb1为用于腹板受弯计算时的通用高厚比；f为抗弯强度设计值，MPa。

当a1/h1≤1.0时：

此时，τcr1=fv=180 MPa

式中：λs为用于腹板受剪计算时的通用高厚比。

当梁受压翼缘扭转受到约束时：

此时σc,cr1=f=310 MPa

式中：λc1为用于腹板受局部压力计算时的通用高厚比。

式中：F为集中荷载，kN；ψ为集中荷载增大系数，取1.0；lz为集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度，mm；a为集中荷载沿梁跨度方向的支承长度，mm；hy为自梁顶面至腹板计算高度上边缘的距离，mm。

由于第3轮循环工况钢板梁应力相对较小，此处主要检算前2轮循环腹板稳定性。

第1轮循环工况下腹板稳定性计算。

由软件计算得σ=170 MPa，τ=50 MPa，将计算数值，代入稳定性计算公式：

满足要求。

第2轮循环工况下腹板稳定性计算。

由软件计算得σ=132 MPa，τ=76 MPa，将计算数值，代入稳定性计算公式：

满足要求。

综上所述，在各工况荷载组合作用下，4号墩钻孔平台钢板梁的受力满足要求。

4 结论

1) 钻孔平台在驳船上拼装时，必须从中间向两端拼装，以保证拼装船均匀受力。

2) 平台在浮运过程中，必须加强与地方海事等部门的沟通，以确保整个浮运过程中通航船舶的安全。

3) 平台在提升及下放过程中，需加强测量观测，要统一指挥，紧密配合，分次进行，确保整个过程的安全。

4) 要保证钢板梁之间、支撑牛腿与钢护筒之间、提升装置吊点焊缝等的焊接质量，并对焊缝进行探伤检测和评定。

5) 桩基施工过程中必须加强对钢管桩、平台的变形及位移监测。

4号墩钻孔平台的施工过程顺利，同时结构受力满足施工要求，从而为下一步桩基施工打下基础。香溪河大桥4号墩桩基施工钻孔平台经验可为以后类似工程提供参考。

[1] 湖北省交通规划设计院.宜昌香溪长江公路大桥两阶段施工图设计[Z].武汉：湖北省交通规划设计院，2014.

[2] 梅瑞泰.深水桩基钢管桩钻孔平台设计与施工[J].交通科技，2013(2):42-44.

[3] 钢结构焊接规范：GB 50661-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[4] 工程测量规范：GB 50026-2007[S].北京：中国计划出版社，2008.

[5] 公路桥涵施工技术规范：JTG/T F50-2011[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6] 公路工程施工安全技术规范：JTG F90-2015[S].北京：人民交通出版社，2015.