海上旋挖钻钻孔作业平台方案设计及结构验算

王国炜， 唐 杨， 郭延飞， 张茂然

(1.济南金衢公路勘察设计研究有限公司，山东 济南 250101；2.五峰土家族自治县农村公路管理所，湖北 宜昌 443413；3.山东高速济南至高青高速公路有限公司，山东 济南 250101；4.山东华远公路勘察设计有限公司，山东 潍坊 261061)

海上钢平台处于海洋环境之中，其受力情况复杂，吸引了越来越多的专家学者对海上钢平台结构进行研究，主要涉及静力强度研究[1-2]、动力响应研究[3-4]、疲劳寿命研究[5-6]以及安全可靠度研究[7]等。在海上钢平台的施工和设计方面，严海宁等[8]依托漳江湾特大桥及连接线工程，对海上钢栈桥、钢平台的施工工艺进行研究，形成了一套标准化的施工工艺，可推广至类似工程项目；王国炜等[9]以青岛海湾大桥为例，介绍了海上钢平台的施工要点；张晓元等[10]以苏拉马都跨海大桥为工程背景，介绍了海上施工平台的设计思路、结构布置及施工方法。

本文以青岛海湾大桥为例，对海上钻孔平台的各关键构件进行了详细的设计验算，介绍了海上钻孔平台的施工工艺和施工中的注意事项，可为类似工程项目的设计与施工提供参考。

1 钻孔平台的设计方案

青岛海湾大桥的桥位地貌类型主要为堆积地貌：山前堆积区、滨海堆积区、山前冲积平原区。桥位区揭露为前第四纪中生界白垩系地层，桥位处揭露地层的主要特征如下：①上层，软土层，全新世滨、浅海相沉积，主要为青灰色淤泥、淤泥质亚粘土、淤泥质粘土、粉砂、细砂。②中层，粘土层、砂层，主要岩性为灰黄色亚粘土和中、粗砂及砾砂，厚度为 1.60～15.70 m，底板标高为-8.25～-35.30 m。③下层，岩层，桥位内沉积岩的主要岩性为泥岩、泥质砂岩、角砾岩，局部夹玄武岩[9]。

桩基础全部为钻孔灌注桩，墩柱分为D类和E类，对应桩径为∅160 cm和∅180 cm，最大桩长分别为70.3 m、69.3 m，混凝土标号均为C35，桩型为摩擦桩，桩底底层为角砾岩。

施工水位采用0.5 m，平均高潮位是1.7 m，平均低潮位是-1.29 m。

在建设中采用搭设平台进行施工，为加快施工进度，除了采用常规的回旋钻进行钻孔，投入旋挖钻机进行钻孔施工。

平台采用全型钢结构，平台基础由临时钢管桩和钢护筒组成，相互间采用平联连接，其中上层平联钢管兼做钻孔施工的泥浆循环连通管。钻孔平台结构如图1所示。

图1 钻孔平台结构(单位：cm)

1.1 基础

钻孔平台基础采用临时钢管桩及钻孔桩钢护筒，均为直桩，材质均为Q235A钢。临时钢管桩桩径为0.8 m，壁厚为10 mm。钢护筒根据桥梁设计要求选取。钢管桩与护筒之间利用平联进行横向连接以增强整体稳定性，并且直接利用临时钢管桩的桩顶型钢作为上部结构的支点，同时在钢护筒的外侧壁焊接钢板牛腿作为支点。

1.2 平联

为增加平台桩基础的整体稳定性，设置两层桩间水平联系，并在水平联系内设置斜撑。平联采用直径32 cm、壁厚6 mm的钢管，斜撑采用[20a。

1.3 型钢扁担梁

平台型钢扁担梁采用双拼HN600×200或HN500×200，顺桥向搁置在临时钢管桩桩顶。

1.4 主梁

平台主梁采用双拼HN400×200型钢，焊接成整体框架。

1.5 分配梁

平台分配梁采用I20a，间距按50 cm布置。

1.6 桥面系

平台面板采用8 mm厚钢板铺设，平台两侧护栏高1.2 m，采用小直径钢管焊制；竖杆采用直径为48 mm钢管，间距3 m，底部焊接在I20a分配梁的端头；水平横联采用直径为48 mm的钢管，在竖杆顶部及中间各一道。

2 钻孔平台的结构验算

在钻孔平台上使用ZR250A旋挖钻机钻孔，整机设备总重74.5 t，留置有50 t泥浆池在平台上，因此平台上的荷载为旋挖钻机和泥浆池自重。

2.1 平台HN400×200型钢验算

2.1.1 工况选取及建模方法

钻机平台设计的荷载组合为自重和可变荷载作用下的基本组合，自重包括结构本身、钻机和泥浆池，可变作用考虑旋挖钻机的动荷载。选取旋挖钻机在钻孔工作状态下作为验算工况，此时旋挖钻履带分别作用在2#、3#梁上，泥浆池作用在4#、5#梁上。具体荷载情况如下：旋挖钻74.5 t荷载全部作用在平台上，考虑1.2的动载系数；泥浆池按50 t满载考虑，布置在图2所示位置，在钻孔过程中不断向孔内补充泥浆。验算工况如图2所示。

图2 验算工况(单位：cm)

结构杆件的受力分析采用Midas Civil 2019有限元分析软件，首先在CAD中绘制钢梁截面，然后保存为dxf文件，导入Midas Civil中的截面计算器进行截面计算，然后保存为sec文件，在Midas Civil中将sec文件作为任意截面文件导入，建立钢梁模型的节点和单元，边界条件采用一般约束施加，集中力采用节点力施加，均布力采用梁单元荷载施加。

2.1.2 均布荷载计算

2HN400×200的自重线荷载为：q1=1.32 kN/m。查询相关型钢规格资料得到I20a分配梁每延米的重量为27.929 kg，已知I20a分配梁的自重荷载由6根2HN400×200型钢共同承担，那么每根2HN400×200型钢每延米承受的荷载计算如下：q2=(17.3m/0.5m+1)×27.929 N/m/6=1.66 kN/m。

已知面板荷载按由6根2HN400×200型钢共同承担，则每根2HN400×200型钢承受的面板自重荷载为：q3=16.2 m×78.5 kN /m3×0.008 m/6=1.70 kN/m。

泥浆及泥浆池荷载按作用在4#、5#梁上，其均布线荷载为：q4=500 kN/(2×4 m) =62.5 kN/m。

旋挖钻机履带作用在2#、3#梁上，考虑1.2的动载系数，其均布线荷载为：q5=745 kN×1.2/(2×4.6 m)=97 kN/m。

2.1.3 1#～6#梁受力计算

1#、6#梁为2HN400×200型钢，考虑梁本身自重、分配梁自重及面板自重，通过计算得到2HN400×200型钢梁的变形和内力如图3所示。

图3 1#、6#梁计算结果

同理计算2#、3#梁及4#、5#梁，计算结果汇总如表1所示。

表1 1#～6#梁受力计算结果

单组2HN400×200型钢的材料特性为：抗弯截面系数W=1 190×2 cm3，横截面对中性轴的惯性矩I=23 700×2 cm4，计算剪应力以上毛截面对中和轴的面积矩S=3.28×10-3m3，容许弯曲正应力[σ]=215 MPa，容许剪应力[τ]=125 MPa，计算剪应力位置截面宽度t=2×8 mm，最大计算跨径L=615 cm。

最大正应力σmax=Mmax/W= 45.4 MPa<[σ]=215 MPa，最大剪应力τmax=QS/It=95.3 MPa<125 MPa，最大挠度fmax=2.7 mm

2.2 平台HN500×200、HN600×200型钢验算

根据2HN400×200的支反力，可得出作用在2HN500×200、2HN600×200上的荷载。对A#、B#、C#梁进行建模计算，计算结果汇总如表2所示。

表2 A#～C#梁受力计算结果

通过A#、B#、C#梁的计算结果，分别对2HN500×200、2HN600×200进行验算。

(1)2HN500×200型钢的材料特性为：W=1 910×2 cm3，I=47 800×2 cm4，S=5.54×10-3m3，[σ]=215 MPa，[τ]=125 MPa。

σmax=49.8 MPa<[σ]=215 MPa，τmax=64.9 MPa<125 MPa，fmax=4 mm

(2)2HN600×200型钢的材料特性为：W=5 220 cm3，I=156 400 cm4，S=7.82×10-3m3，[σ]=215 MPa，[τ]=125 MPa。

σmax=184.4 MPa<[σ]=215 MPa，τmax= 49.3 MPa<125 MPa，fmax=5 mm

2.3 平台I20a型钢验算

选取旋挖机履带作用在平台上最大的空格中间工况，此时对I20a分配梁最为不利，如图2所示。履带荷载由9根I20a分配梁承受，此时分配梁的最大跨径为3.9 m，选取履带下面的单根分配梁作为研究对象。旋挖钻74.5 t荷载全部作用在平台上，考虑1.2的动载系数。

履带作用在单根I20a分配梁上的线荷载计算如下：q履带=74.5 kN×1.2/(9×2×0.8 m)=6.2 kN/m。同理对单根I20a分配梁进行建模计算，计算结果均满足要求。

2.4 钢护筒牛腿焊缝验算

根据实际情况，牛腿主要受剪力和弯矩的影响，因钢护筒以及临时桩的偏位，贝雷梁可能会搁放在牛腿顶板的外边缘，此时对牛腿最为不利，受力状况如图4所示。牛腿钢材采用Q235钢，焊缝厚度以最小母材厚度控制，焊缝厚度取14 mm，牛腿焊缝立面如图5所示。

图4 钢护筒牛腿结构(单位：cm)

图5 牛腿焊缝(单位：cm)

由前工况分析计算，可得知牛腿承受的最大荷载为N0=382 kN。牛腿由2片竖向钢板组成，即每片钢板受力191 kN，对1块牛腿的竖向焊缝进行验算时，不考虑牛腿顶板、加劲钢板的水平焊缝，则在1块竖向钢板上的荷载为N1=95.5 kN，N2=95.5 kN。竖向焊缝承受的最大剪力为Qmax=191kN。焊缝在弯矩作用下的偏心距为e1=70 cm，e2=25 cm，弯矩为M1=N1×e1=95.5 kN×70 cm=6 685 kN·cm，M2=N2×e2=95.5 kN×25 cm=2 387.5 kN·cm。

根据《钢结构设计手册》查得焊缝应力计算公式为：

2.5 临时桩稳定性验算

临时钢管桩采用D=80 cm、厚度为1 cm的钢管桩，桩长24 m，桩顶标高为+3.6 m，桩底标高为-20.4 m。钢材材料为Q235钢，σp=200 MPa，弹性模量E=206 GPa。

2.5.1 相关数据计算

临时桩横截面面积A= 0.025 m2，临时桩惯性矩I= 0.001 93 m4。

2.5.2e值确定

根据《港口工程桩基规范》(JTS 167-4-2012)，计算出钢管桩和钢护筒的假想嵌固点，假想嵌固点以下视为固接。

桩的相对刚度特征值：

t=ηT=2.2×1.99 m=4.4 m

式中：m为桩侧地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数；b0为桩的换算宽度；t为受弯嵌固点距泥面深度；η为系数，取1.8～2.2，桩顶铰接或者自由长度较大时取小值，桩顶固结或者自由长度较小时取大值；∅800 mm钢管桩的Ip取值为0.001 93 m4。

考虑4.5 m的冲刷深度，∅800 mm钢管桩起始嵌固点标高为：(-5.5-4.5-4.4)m=-14.4 m，则从临时桩假想嵌固点到桩顶的长度为：3.39 m+14.4 m≈18 m。需要说明的是，考虑4.5 m的冲刷深度，已经远远超过实际的冲刷深度，而且平台在海中的使用时间仅为半年，实际冲刷很少。固压杆柔度计算公式中的e=18 m。

2.5.3 μ值确定

μ为长度系数，临时钢管桩为下端固定，上端自由，取μ=2。需要说明的是，μ的取值已经忽略了临时桩上平联钢管的固定作用，为偏安全考虑，不将临时桩顶作为固定端，仍作为自由端考虑。

2.5.4 柔度确定

2.5.5 结论

根据平台上部结构的自重及平台上的荷载，单根临时桩的压力<500 kN，远小于临界压力Pcr，所以平台临时桩不会发生失稳。

3 钻孔平台搭设施工方法

3.1 施工工艺

钻孔平台基础由临时钢管桩和钢护筒组成，临时桩采用直径0.8 m、壁厚1 cm的钢管桩，桩采用钢管平联连接。临时钢管桩采用浮吊起吊，采用135 kW(或90 kW)电动振桩锤插打，GPS测量定位。

钻孔平台上部结构采用型钢结构，临时桩桩头抄平后利用浮吊进行平台上部结构的安装。步骤为：临时钢管桩插打→桩头超平→临时桩之间平联、斜撑焊接→2H600×200、2H500×200扁担型钢安装→钢护筒插打→钢护筒上牛腿焊接→2H400×200型钢框架梁安装→I20a分配梁安装→8 mm厚面板铺装→30 t龙门吊安装→平台防撞设施、走梯、护栏等设施安装。

3.2 质量控制

(1)海上GPS测量信号不稳定或难以接收到信号，采取利用有信号时段进行特征点临时钢管桩的插打，在无信号时段可采用“拉线”定位的方法进行其它临时钢管桩插打的方式解决。

(2)平台搭设一些安全及附属设施可根据实际需要进行增设和适当调整。

(3)在钻孔施工过程中，进一步加强对平台的稳定性监测，尤其是对钢护筒上的牛腿、临时桩沉降的监测。

4 结论

(1)平台结构符合相关规范要求并在实地建设中应用，安全可靠。

(2)平台采用常规钢结构材料，工艺简单，质量控制规范，节能环保，为今后的同类型海上项目建设提供了良好的借鉴参考。

(3)平台设计为左右幅，两幅之间由通道连通，可根据现场的实际情况，将左右幅平台之间的空间全部铺满型钢、面板，以充分利用平台。

(4)平台上铺设的面板之间留有缝隙，钻孔时泥浆可能流入海中，可对面板之间的缝隙采用3 mm厚钢板进行封焊。

(5)I20a分配梁设计布置间距为50 cm，为确保安全，可在钢护筒周围需搁放钻机的位置加密分配梁的间距，间距缩小到35 cm左右。