基于顶推平台的无覆盖层码头钻孔桩一体化施工技术探讨

刘子赫 江西省港口集团有限公司

1.问题的提出

某桥梁工程桥址处水面宽0.755m，主桥桥型为6＊32m（T型简支梁）+125m+170m+125m（三孔连续钢构）。工程主要建设项目为引堤、引桥、码头及防波堤的修建，其码头长＊宽的平面尺寸为265m＊25m，为钻孔灌注桩基础，桩基顶高程4.65m；排架间距按8.0m设计，并在各排架下增设4根直径1.35m的灌注桩，钢护筒设计直径1.45m、壁厚1.4cm。码头平台结构主要由桩基上浇横梁、纵梁、预制面板及现浇磨耗层等构成。该桥梁码头施工区域内有效波高均值为3.15m，最大可达5.34m，表现为典型的中长周期波浪条件。其码头施工区域内主要分布有3.0～5.0m厚的强风化砾石，厚度不足5.0m的强风化泥质粉砂岩及中风化粉砂岩等，且不存在地质覆盖层。相关勘探结果显示，施工区域内海底表床处礁盘不规则分布，且高度在0.2～1.5m范围内。

本文以某桥梁码头工程为例，进行其无地质覆盖层条件下钻孔桩施工关键工艺探讨及仿真分析，为无地质覆盖层条件下基于顶推平台的码头钻孔桩一体化施工提供

借鉴参考。

2.桩基施工技术

本桥梁码头工程施工区域内长周期涌浪特征十分明显，对于常规的自升式平台、打桩船舶等水上施工不利，且码头海域内地质条件极为复杂，海床也无地质覆盖层，无法展开钢护筒施打。根据桥址处水文地质条件、钻孔技术参数及码头施工海域特点，提出水深且无地质覆盖层条件下受海潮影响满铺平台法和顶推平台方两种桩基施工技术方案。

2.1 满铺平台法

主要依靠码头既有钢栈桥沉设钢护筒，并待钢护筒沉设至设计位置后采用提前设置在钢栈桥上的起吊装置（如吊车）安装满铺平台，满铺平台纵横梁主要支撑在焊接于钢护筒顶口的牛腿之上。按照设计要求，钢护筒顶高程应比钢栈桥桥面低出2.5m，为此，必须从钢栈桥到满铺平台按设计要求设置斜坡，待搭设好满铺平台后按梅花形布置钻孔桩。按照设计要求，桥跨施工平台钢结构单位质量为35t/跨，在40%钢结构平台轮换使用的情况下，整个码头钢平台施工所需钢结构共为1310t。虽然满铺平台法技术工艺较为成熟简单，但本工程在搭设满铺平台的过程中因钢栈桥宽度较小，在铺设平台及水下混凝土灌注时会影响栈桥交通，钢栈桥与满铺平台之间所存在的2.5m高差影响钢筋笼起吊及钻渣转运。如果前期所沉设的钢护筒底口并未进入中风化泥岩，则作为承重桩的钢护筒无法顺利跟进，容易引发塌孔；完成桩基灌注施工后不能因移动平台上的相关设备机具而导致平台过度晃动。结合具体工效，本工程码头钻孔桩施工从单排架钢护筒沉设到搭设施工平台、钻孔桩浇筑，共需要8d，而完成全部桩基施工需要9.5个月，工效及施工安全性无法保证，临时措施投入大。

2.2 顶推平台法

在第一排和最后一排桩两端头打设出直径0.8cm、壁厚14mm的钢管桩3排，并以此为起始平台，再将1套顶推平台拼装在起始平台。将钢护筒沉设于平台前段，再由码头两端头开始逐跨推进施工，待完成一个排架顶推施工后借助桩顶顶推设备前移，并循环至2套平台成功合龙，最后利用顶推平台上所设置的履带拆除平台。

该桥梁码头顶推平台质量为415t/套，钢护筒沉设施工主要借助顶推平台上的旋挖钻机、履带吊车及平台导向装置进行，且施工平台高程和钢栈桥高程一致，便于钢筋笼吊装、自卸车辆掉头及钻渣存储。顶推平台施工所需设备及人员投入量比满铺平台法下节省至少30%。在应用顶推平台新型水上施工设备后1个排架4根钢护筒沉设施工时间仅需1d，再加上钻孔灌注、平台移动等时间，则1个排架钻孔桩一体化施工耗时4.5d。与满铺平台施工技术相比，该技术成本低，工效高，工期短，为此，本桥梁码头工程选用桩顶支撑步履式顶推平台施工方式。

3.顶推平台结构仿真

3.1 平台荷载分析

桥梁码头钻孔桩顶推平台所承受的荷载主要有顶推平台结构自重，旋挖钻、履带吊机等施工机械设备及人员荷载，施工机械在平台行走产生的水平荷载（本工程按机械自重的10%计），旋挖钻机扭矩（其动力头回转扭矩设计值360kN·m），波浪力，沉桩施工荷载等。本桥梁码头施工期处于非季风期，按照《海港水文规范》的相关规定，顶推平台所承受的波浪力荷载按照下式确定：

其中：pD—顶推平台所承受的波浪力速度分力（kN/m）；pI—顶推平台所承受的波浪力惯性分力（kN/m）；ρ—海水密度（t/m³）；CD—速度力系数，取1.2；D—圆柱体顶推平台直径（m）；u—水平状水力运动速度（m/s）；CM—波浪力速度惯性系数，取2.0；A—圆柱体顶推平台截面面积（m2）；t—波浪力作用时间（s）。

此外，在本桥梁码头钻孔桩顶推平台施工钢护筒沉设过程中还应当考虑平台顶部受激振力影响下所产生的水平分力对平台的不利影响。

3.2 仿真分析

在综合考虑本桥梁码头钻孔桩顶推平台施工过程中的荷载情况后，拟定如下几种最不利受力工况以进行码头顶推平台钻孔桩施工过程仿真分析：施工准备阶段履带吊机行走于桩间带钢护筒，旋挖钻机紧跟其后行走至设计桩位准备施工的工况一；履带吊机位于桩间喂桩，且旋挖钻机在顶推平台后部钻孔施工的工况二；顶推平台钢护筒施工完成后向前顶推3.0m并处于最大悬臂状态，而履带吊机在顶推平台中央横向运行的工况三。

通过有限元法分析软件ANSYS进行本桥梁码头钻孔桩一体化顶推平台与钢护筒在施工过程中受力状况的模拟，并构建Beam185单元模型，为便于分析，在建模的过程中进行了顶推平台结构的适当简化，各部件的连接方式也简化为节点耦合及接触模拟形式，并按照节点力以及加速度的方式施加荷载。不同工况下顶推平台受力情况仿真结果详见表1。

表1 不同工况下顶推平台受力情况仿真结果

根据上表中顶推平台在三种最不利工况下受力情况仿真结果可知，施工机械行走于顶推平台的状态下所产生的应力值最大，本桥梁码头钢护筒和顶推平台所使用的均为Q345-B型钢，结构最大应力出现在工况一下，为136.5MPa，此值比Q345-B型钢抗拉弯折强度设计值（310MPa）小，所以本顶推平台结构整体应力水平较低，结构稳定可靠。根据单根钢护筒桩顶水平荷载最大值，结合本工程桥址处地勘资料并依据《港口工程桩基规范》，钢护筒打入土层深度必须在4m以上，才能保证其水平和竖向承载力符合顶推平台支撑强度要求，并避免钻孔施工过程中塌孔的发生。

4.结论

通过本文分析可知，在进行水文气象条件较为恶劣且水深、无覆盖层的海床深水钻孔桩施工基础工作平台设置时，因平台桩深入基岩深度浅，采用顶推平台结构能保证工作平台稳定牢固，依附进入岩层后稳定的固定导向框结构进行钢护筒钻孔施工。本文所提出的基于顶推平台的钻孔桩施工技术对于中长周期波浪且无覆盖层的码头工程钻孔桩施工较为适用，施工安全性与工效均较高。