水上桩基施工钢护筒平台结构设计

王 安，张 凯

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

钻孔平台是水中桥梁钻孔桩施工的临时辅助设施，它的作用是承受机械重量和施工荷载，为水中钻孔桩施工提供作业面。水中钻孔桩施工的顺利完成，能够为后续作业打下坚实的基础，因此，钻孔平台的搭设十分必要。

目前水中钻孔平台的主要形式有钢管桩平台以及钢管桩与钢护筒共同承重钻孔平台。李小青等[1]以南阳市宛坪高速公路重阳水库大桥钻孔灌注桩水上施工平台为研究背景，运用ANSYS软件进行钢管桩支撑固定式水上施工平台的力学行为分析，研究水上桩基施工平台结构设计的合理性，并且探讨平台结构的关键施工技术；何树凯[2]介绍了以钢管桩为基础的水上作业平台，及其在独塔双索面斜拉桥阆中嘉陵江四桥中应用的计算结果及具体施工流程；罗超云等[3]以嘉绍跨江大桥为例，确定了钢管桩与钢护筒联合承重的平台结构，分析了桥位处的平台受力，保证了桩基顺利施工。

从以上研究成果可以看出，对于钻孔平台的介绍多为设计依据及施工方法。本文以国道108线禹门口黄河公路大桥的水上钢平台为例，通过介绍钢管桩与钢护筒联合平台的施工方法，对施工中的荷载进行分析，验证平台的安全性及合理性，采用钢护筒的基础及钢管连通的泥浆循环装置，提高空间和材料的利用率，为类似的工程提供参考。

1 工程概况

拟建禹门口黄河公路大桥位于旧桥下游420 m处，主桥为一座主跨565 m双塔双索面半漂浮体系的钢混结合梁斜拉桥，跨径组成为245 m+565 m+245 m，跨径全长1 055 m，桥面宽30.25 m[4]。主桥11#墩采用钻孔灌注桩群桩基础，单桩直径为2.0 m，桩长65 m，承台尺寸为49 m×29 m，桩基沿顺桥向布设6排，每排10根桩，共60根。主桥11#墩位于黄河主河槽内，根据桥位地质勘察报告，地层自上而下依次为：第1层0～18.6 m为细砂；第2层18.6～27 m为粗砂；第3层27～34.8 m为卵石；第4层34.8～47.5 m为中砂；第5层47.5～60 m为卵石；第6层60～67.2 m为中砂；第7层67.2～83.7 m为卵石，具体地层分布情况见表1。

表1 主塔11#墩地层岩性分布

黄河在禹门口上游，属峡谷型河道，常年有流水，水流量较大，季节性变化明显, 枯水期水量较小，雨季洪水暴涨，水位及流量变化较大[5-6]。桥址区河道冰情于每年11月中、下旬开始，历时80～130 d，最大冰块直径为10.0 m、厚2.5 m。

为避免11#主塔桩基施工期间被洪水和冰凌淹没，需要搭设一座钢平台。

2 钢平台设计

2.1 平台组成

主桥11#墩钢平台单跨标准跨度为5 m，共14跨，钢平台宽、长分别为56、36 m，总面积为2 016 m2。

钻孔平台主要由钢护筒、钢管桩、横向联系、牛腿、平台面板和护栏组成。钢平台下采用11榀单层3排90贝雷梁，各榀贝雷梁间采用10 cm×10 cm角钢进行连接[7]。钢平台横向每10 m、纵向间距榀间双拼I40a工字钢作为横梁连成整体；分配横梁采用双拼I25a型工字钢，间距为0.5 m；桥面系铺倒扣20#槽钢纵梁和1 cm厚压花钢板；钢平台下基础采用Φ630×10 mm钢管桩作为支撑主体[8-9]。为确保钢筒受力均匀，在钢筒顶端设置盖帽钢板，尺寸为1 m×1 m×2.0 cm，钢管柱顶端与盖帽钢板间设置加劲板，数量为4块，布置形式为双对角十字。加劲板尺寸为30 cm×20 cm×1.6 cm，钢管桩上部枕梁为横向双拼I40a，承担上部荷载[10]。11#墩钻孔平台布置见图1、2。

图1 11#墩钻孔平台平面布置

图2 11#墩钻孔平台立面布置

钢护筒之间通过Φ630×10 mm钢管联通管连接成整体，连通管作为泥浆回路。

2.2 设计标准

钢平台设计荷载采用单台160 t重460型履带式旋挖钻机。钢平台桥面底部(贝雷梁下弦底部)标高按施工期间设计洪水位加1.0 m考虑(标高为383.7 m)[11]。

2.3 平台平面布置

为确保钻孔平台布局合理，方便施工，对11#墩钻孔平台主要机械设备进行布置，见图3。

图3 11#墩钻孔平台主要机械设备布置

2.4 平台检算

2.4.1 荷 载

平台结构设计计算荷载分为恒载和活载。

(1)恒载。平台结构总重123 kN(按宽6 m、长5 m计算，静载系数取1.2)。

(2)活载。160 t旋挖钻履带轮距520 cm，行驶接地长度为685 cm，履带板宽度为90 cm，如图4所示。载重量计自重140 t，吊重20 t。由于旋挖钻通过次数较少且慢速前行，故不考虑冲击系数，旋挖钻的安全系数取1.4；按均布荷载考虑，由于旋挖钻车宽超出钢平台宽度，行走时有一半重量位于桥梁中部时，为最不利工况，见图5。施工荷载及人群荷载取2.5 kN·m-2。

2.4.2 贝雷梁、分配梁验算

(1)贝雷梁验算。计算贝雷片在静荷载、活荷载和施工荷载作用下的最大弯矩、剪切力、最大挠度，与容许值进行比较，可知贝雷梁受力满足规范要求。

图4 钻机结构

图5 旋挖钻荷载分布

(2)20#槽钢验算。20#槽钢为满铺，其下工字钢间距50 cm，见图6。车辆在行驶过程中，履带板将重量均匀分配到下方10根槽钢，则每根槽钢的受力为22.9 kN·m-1，经计算20#槽钢满足施工荷载要求。

(3)I25a工字钢横梁验算。根据钢平台的特点，荷载均传递在双拼I25a的工字钢横梁上[12]。旋挖钻重1 568 kN，行驶中至少由15根工字钢共同承重，则单根工字钢受力为104.53 kN，I25a按支承于相邻贝雷片上受集中荷载的连续跨进行强度和刚度验算，计算结果满足施工荷载要求。

图6 槽钢荷载分布

图7 分配梁荷载分布

(4)双拼I40a枕梁验算。桩顶横向双拼I40a工字钢，支承着Φ630钢管桩上所受集中荷载，上方重量通过6片贝雷传递到枕梁上，由4根工字钢共同承重(图7)，活载安全系数取1.4。经计算I40a工钢满足施工荷载要求。

2.4.3 钢管桩、钢护筒受力验算

(1)承载力验算。地面以下16.1 m为细砂层，桩侧摩阻力为55～70 kPa；16.1～39.6 m为卵石层，桩侧摩阻力为220～400 kPa，设计桩的长度为27.784 m，考虑冲刷面以上钢管桩长8.784 m、钢护筒为8.39 m，钢管桩的入土深度为19 m，钢护筒的入土深度为16.5 m，桩端进入细砂层。不计钢管桩自重，根据规范取桩端处土的承载力标准值为3 500 kPa。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)计算单桩承载力，即

式中：[Ra]为单桩轴向受压承载力容许值(kN)，桩身自重与置换土重(当自重计人浮力时，置换土重也计入浮力)的差值作为荷载考虑；U为桩身周长(m)；n为土的层数；Li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度(m)；Qik为与Li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值(kPa)，宜采用单桩摩阻力试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范选用；Qrk为桩端处土的承载力标准值(kPa)，宜采用单桩试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范选用；αi、αr分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，按规范选用；对于锤击、静压沉桩均值取为1.0。

(2)稳定性验算。钢管桩桩顶至嵌固点的距离为8.784m，桩一端嵌固另一端为可纵向移动的铰接，自由长度计算系数取1.3，计算柔度并查表可知钢管桩和钢护筒的应力满足设计要求。

3 钻孔平台施工

钻孔平台的施工顺序如图8所示。钢平台施工采用50 t履带吊配合振动锤打设钢护筒，并安装上部结构，通过平板车运输钢护筒、型钢、桥面板等材料。

图8 施工流程

(1)钢平台下部结构施工。利用履带吊将钢护筒吊装至平板车上，运至钢平台前端。钢护筒下沉是履带吊配合振动锤施工，接桩一次打设到位。在已经拼装完成的钢平台上，用悬臂导向架对确定桩位后，起吊钢护筒，在测量人员的控制下对钢护筒进行精确定位。导向架的垂直度和平面位置经测量复核满足设计要求后，进行沉桩施工[13-14]。在打设钢护筒的过程中，不断检测桩位及桩的垂直度，及时发现偏差并纠正。实际施工过程中各个桩位处地质情况复杂，用DZ90振动锤将钢护筒打入地基土层中，直至桩底标高达到设计高程且DZ90振动锤3 min无进尺为止。按照上述步骤，完成钢护筒的施工。钢平台一个墩位处钢护筒施工完成后，立即进行该墩钢护筒间的横向联系、桩顶承重梁施工[15]。

(2)泥浆循环装置。水中桩基的泥浆池受工作面的限制，造成工程质量和进度无法满足施工要求。若将泥浆池设置在水中，泥浆倒运不方便；若将泥浆池设置在平台上，则会增加平台施工成本，且干扰施工。综合考虑现场诸多因素，将60根桩基划分为10个区域，每6根桩基为1个区域，桩基护筒之间通过Φ630×10 mm钢管相连，利用平联钢管及护筒进行泥浆循环。

在施工过程中，由桩基钻孔及清孔产生的钻渣，随泥浆通过钢管流入邻近未施工的桩基护筒内。泥浆中携带的钻渣在护筒内沉淀，再由泥浆泵将沉淀后的泥浆抽回到施工桩基所在护筒内，形成泥浆循环。当钻渣填满护筒时，通过挖机配合运输车将废渣运至指定弃渣场[16]。

(3)钢平台上部结构安装。钢平台上部结构的安装采用桥面履带吊进行[17]。

贝雷梁的拼装应按组进行，每组贝雷长12 m，贝雷片之间用支撑架连接成整体。将拼装完成的一组贝雷主桁片运送到钢平台前端。用履带吊先安装1组贝雷梁，准确就位后将其牢固捆绑在横梁上；然后焊接限位器，再安装另一组贝雷梁；安装好的2组贝雷梁之间用剪刀撑进行连接加固，依此类推完成整跨贝雷梁的安装。

在履带吊的配合下，按设计间距安装双拼I25a工字钢横梁，并用U型螺栓固定好。

(4)桥面系施工。单跨钢平台上部结构安装完成后进行平台桥面系施工，采用履带吊安装平台顶面钢板，桥面板纵梁与横梁接触点均要满焊焊接，焊缝质量要满足设计和规范要求，在面板间设置1 cm的伸缩缝，以防止因温度变化而造成的桥面翘曲起伏。

桥面系施工时，需注意预留桩位处钢护筒钻孔位置。考虑到施工期间各种机械设备须上钢平台，故在钢平台桥面系上预留2条施工通道，以保证施工车辆的正常通行。

(5)钢平台施工技术措施。钢护筒与I40a工字钢承重梁连接时，钢护筒顶端侧面各安装一套小牛腿，并满焊连接。每个小牛腿由1块Ⅰ号钢板及2块Ⅱ号钢板焊接而成，Ⅰ号钢板为30 cm×20 cm×1.6 cm的矩形，Ⅱ号钢板为30 cm×20 cm×1.6 cm的三角形。小牛腿连接I40a工字钢横梁，防止钢护筒发生局部压曲破坏。I40a工字钢与U型20#槽钢之间采用焊接，由于I40a工字钢为双拼，直接焊接能够保证其稳定性。贝雷梁是定型钢结构，不容许直接焊接，故I40a工字钢与贝雷梁架之间采用端限位构造，限制贝雷梁移动；每榀贝雷梁架之间采用10 cm×10 cm角钢横向连接成整体，保证贝雷梁架的整体稳定性。贝雷梁与I25a工字钢采用U型螺栓连接，I25a工字钢必须铺放在贝雷梁架的节点处。

(6)钢平台防冰凌措施。11#钢平台位于河道内，常年有水，且水流湍急，因此在钢平台上游侧每排钢管桩桩位上方2.5 m处设置3根防冰凌钢管桩，顶面高度与钢平台钢管桩及钢护筒一致，打入深度10 m，采用20#槽钢连接成整体，并用1 cm厚钢板将外露部分2 m高度包裹。

(7)钢平台拆除。桩基施工完成后即进行钢平台的拆除。钢平台拆除采用50 t履带吊配合DZ 90振动锤，从上至下的顺序依次为：桥面系钢板铺装、槽钢拆除，分配梁拆除，贝雷梁、钢横梁、钢护筒间剪刀撑拆除，割除钢护筒。

4 结 语

国道108线禹门口黄河公路大桥桩基施工平台为钢管桩和钢护筒共同受力的施工平台，与常规的钢管桩基础平台相比，它充分利用钢护筒作为平台支撑系统，在承载能力、安全性、稳定性方面更有优势，还大大节省了工程造价。此外，钢护筒之间通过钢管连接，既可做横向支撑联系，又是泥浆循环的通道，有效减少了泥浆池的数量，节省了成本。钢平台搭设完成后即进行钻孔桩施工，钢平台用小块面板组成，施工时只掀开本桩位处面板，搬运方便，不易对面板造成变形。钢平台的搭设为后续施工主桥提供了便利，也为类似水中大直径桩基的施工提供了宝贵的经验。

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