深水大流速区桩基础作业平台技术研究

吴超平

摘要 文章以工程案例为背景，梳理所应用的深水大流速区钻孔灌注桩水上作业平台相关工艺技术，介绍了案例桩基作业平台构成、主要技术参数、施工操作以及相关监测控制等技术要点。实际测量与有限元模拟分析比较显示，应用该技术所获得的平台功效状态与有限元模拟结果吻合，表明该技术适合深水大流速区桥梁桩基础作业应用。

关键词 深水大流速；桥梁桩基；作业平台；钢管桩；技术研究

中图分类号 U445文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）13-0072-03

0 引言

浮动钻孔作业平台通常借助工程浮箱或军用浮力器材以及特定锚定或动力系统构成的水中漂浮系统，以为桥梁钻孔灌注桩水上施工提供平台支持。浮动平台具有适用范围广、可以自由移动、提高作业效率等应用优势，但在稳定性和大流速区适用性上具有应用劣势。水上固定钻孔作业平台是通过钢管注岩桩或其他锚定系统构成的相对固定的为桥梁钻孔灌注桩施工提供水上作业支持的平台系统。固定平台在稳定性和大流速区适用性上具有应用优势。案例桥梁工程在深水大流速区的钻孔灌注桩施工中，应用水上固定钻孔作业平台技术，圆满完成了工程建设任务。这里结合工程应用，梳理介绍深水大流速区桩基础作业平台相关工艺技术，以为同类桥梁桩基水上施工应用提供技术参考。

1 案例简介

案例是一座连续刚构混凝土预应力箱体梁桥，全长1 773 m，桥跨（31+49+144×3+86）m布置，桥宽12 m，双向四车道。公路Ⅰ级荷载，设计时速40 km/h。场地抗震Ⅶ烈度，航道Ⅳ级。主墩2～5#基础采取双排桩并250～

280 cm径变断面钻孔灌注桩设计，桩体长度19～49 m不等。桥址位于两山突出部的峡口上，突然水流收缩，江面狭窄，最大流量在32 000 m3/s左右；急落表面最大流速在1.19 m/s，平均流速在0.98 m/s；洪水期最大流速在

3.0 m/s，并且存在紊流和回流；最深区域深度超过40 m；处于典型的深水大流速水上区域，桥梁桩基作业面临考验，为此，工程桩基作业采取了深水大流速区桩基作业平台形式。

2 深水大流速区桩基作业平台

深水大流速区桩基作业平台由定位桩、钢护筒、贝雷梁、连接系、桩顶分配梁以及桥面板构成，定位桩与钢护筒结为一体，再辅以锚碇系统形成平台水平维护结构。桥涵作业规范一般要求潮水期水上作业面要高于水面1.5～2.00 m，由于案例水域高潮水位为+5.50 m，低潮水位为+1.00 m，因此将平台顶位标高定在+7.50 m，则桩顶定位标高应为+5.33 m。定位桩将采用壁厚为1 cm、直径为Φ1 200的钢管桩，桩与桩之间将通过2[20a焊接桁架进行连接，桩顶将配置2[45a的分配梁。采用厚度为20 cm的钢筋混凝土预制桥面板，在安装时直接装配在贝雷梁的顶面，并通过预设件固定在贝雷梁上。钢护筒将采用壁厚为1.6 cm、径值为Φ280～300 cm的管桩，与钢管桩及连接系之间相互连接，以保证平台的稳定性和抗扭能力。上下游各设置2个30 T钢混凝土预制块锚碇。结合承台设计规格为18 m×11 m，以及每墩需采用6根桩，每个作业循环需要3台钻机的施工要求，案例施工平台的最终规格确定为23.10 m×21.00 m。单个平台主要钢管材料及作业设备见表1～2所示[1]。

3 作业平台施工操作要点

3.1 建立作业平台工序

建立水上作业平台的工序如图1所示。

3.2 钢管桩操作

3.2.1 钢管桩运送

该平台采用Q235B螺旋钢管作为钢管桩，其直径为1 200 mm。这些钢管桩首先通过陆路运输到作业现场，然后再船运至桩位所在水域。为了避免打插过程中钢管下口卷曲形变，影响打插深度，特于钢管桩下口配置加力环，加力环由厚度1.2 cm的钢板焊接而成。

3.2.2 接高钢管桩

钢管桩的标准节长为12 m，上节底端需要预先剖口。在对接上下管节时，需要校正垂直度和直线度，并保持对口间隙为2 mm。对接接长后，需要对焊接缝进行磨平处理，然后再加焊强化板。在焊接过程中，需要符合以下要求：①所使用的焊接材料的型号和质量均应出厂材料齐全并符合设计要求。对于Q235B钢材，建议采用E4315或E4316焊条。②焊缝强度须等强于母材，并且管柱纵横焊缝需要达到水密标准。③纵向管柱弯曲矢高≤1 cm并且≤1/1 000管节长度。④管端平整度≤0.2 cm。⑤接缝板边错位≤0.22 cm。⑥接头的剖口误差须在±5°以内控制。⑦焊缝咬边深度按≤0.05 cm控制。

3.2.3 钢管桩打插

（1）在施工前，需要检查所使用的机具是否性能良好，并检查钢丝缆等是否完好。在桩入土前，需要在桩上或桩架标注规格，以便作业过程中观测和记录。

（2）根据桩位设计，计算出每个定位桩的平面中心坐标，定位桩依次自上游向下游打插。

（3）80 t浮吊需要按沉桩顺序定位抛锚。抛锚时，在浮吊的首尾，分别抛2条“八”字形锚缆，再在船首和船尾分别抛2条“八”字锚缆，于中间分别抛设前进锚缆。浮吊沉桩操作时，则借助这6条锚缆实施桩位调节。

（4）吊船需要装配导向架，导向架需要与甲板龙骨充分锚固。钢管桩由浮吊起吊置放于导向框内以后，给予临时固定并开展接高操作。完成接高后，以仪器放出桩位中心线，然后吊放钢管桩，期间检测桩体倾斜度及中心偏差，并进行调整。当符合要求后，整体下插钢管桩，在插桩入河床时，须再次检测调节桩体倾斜度及中心偏差，满足设计要求后，快速插桩着床，否则须再次检测调节桩体。在保证钢管桩各项偏差符合要求的前提下，如果钢管桩入土较浅，使用打桩锤进行打桩时，容易受到偏载或水平力的影响而导致钢管桩倾斜。因此在开始打桩前先锤打2～3次，然后检测并调整桩体倾斜度，然后再继续增加打桩次数。当插桩达到3.00 m深度后，方允许连续沉桩。因为4#墩位水深流急，完成單桩打插后会无法自稳，因此在吊船上配置2套导向系统。作业时需将2根钢管桩全部完成接高后，按顺序连续完成打插，并及时连接成整体[2]。

（5）平潮期或流速比较小的情况下，可选择使用浮吊和DZJ90打桩锤进行钢管桩的打插。

（6）打桩按照上游至下游的顺序进行，并做好操作记录。

（7）在钢管桩打插的过程中，注意观察贯入度。如果贯入度低于5 cm/锤，则应停止打桩，分析原因并采用其他辅助方法进行打插。此外禁止使用久震或强震等方式对桩造成损坏。在打桩工程中，应专人监测桩体打插垂直度，一旦发现倾斜现象，应立即给予纠偏。如果钢管桩已经达到了设计标高，但是贯入度异常，那么就需要继续沉桩。在现场操作中，应保证桩体打入深度，并适当根据设计贯入度调节桩底标高。

（8）钢管桩的倾斜度应控制在1%以内，中心平均偏差≤5 cm。

3.3 平台搭设要点

（1）完成钢管桩打插、钢护筒沉放以及锚桩施工后，应及时进行桩间联结系的焊接，以增强水中支承桩的抵抗水流和潮流冲击力能力。

（2）使用80t浮吊装配桩帽、贝雷梁和桩顶横桥向分配梁。

（3）裝配平联贝雷梁连接系，以形成完整的施工平台结构骨架。

（4）在平台面上铺设桥面板，构成钻孔作业平台。为便于锚碇系统的施工，此步骤可在完成锚碇施工后再进行。

3.4 锚碇系统施工

案例4#墩区域盖覆层浅，流急水深，仅靠定位桩无法保证锚固整个平台，维持平稳。在风力和水流力的作用下，平台可能会发生不稳定甚至倾斜。因此有必要配备锚碇系统以加强整个平台的平稳能力，满足安全施工要求。

锚碇系统施工中，钢混凝土锚抛置操作是一个重要技术环节。其要点如下：

（1）首先按照水平距离和水深计算出锚链长度以后，将“打梢”牢牢固定于抛锚船。

（2）然后将起吊钢丝缆穿入钢混凝土锚吊耳，并插入抽拔钢丝缆的操作插销，使用浮吊将锚吊起。

（3）在陆上进行检测后，调度调节抛锚船作业位置，使吊点处于预定抛锚位置之上，落锚至河床。当锚接近河床时，应对锚位进行复核，如果定位准确，则可以松开钩子，并收紧插销钢丝缆，将销抽出。在钢混凝土锚松放时，应避免其转动，保证锚耳正对锚链走向。锚位垂直锚链方向的误差须≤5.00 m，顺锚链方向的误差须≤10.00 m[3]。

（4）在抛锚到位后，抛锚船沿着锚绳和锚链的设计方向缓慢后退，逐渐松开锚绳和锚链的分段“打梢”，并用拖轮将锚绳和锚链拉直，直至到达墩心船旁。为了避免锚绳滑落江中，索绳末端一定要打好保险梢并在系缆柱上固定好。

（5）锚链或锚绳过渡到墩心船，并通过马口连接滑车组。使用卷扬机收紧锚链或锚绳，并固定在固定支撑座上。

（6）在抛锚时，必须做好详细记录。需要记录的内容包括锚及锚链、锚绳的组成、长度、尺寸情况、先后顺序、抛锚日期以及锚索交叉关系等，以备后续使用。同时，要在墩心船的马口上应该用油漆标明锚号，以避免出现混乱。

（7）在施工过程中，应密切注意和调节作业船的锚索，以避免出现作业船碰撞或锚缆刮靠钢管桩等问题。

3.5 平台状态监测

在施工过程中，需要检测平台技术状态，并综合考虑风力、水流等因素影响，及时作出操作判断。平台状态监测一般以状态变化速率和设计容许值作为主要控制指标。当出现以下情况之一时，应考虑报警处置：

（1）平台水平移位速率持续几天存在显著加大。

（2）平台水平移位累计值逼近容许值。

（3）任何一项应力测量逼近设计容许值。

（4）肉眼所见严重不正常现象，例如连接处产生撕裂、钢管横向联系产生严重形变等。因此在进行平台状态监测时，需要根据具体情况进行综合考虑，并根据报警标准及时作出判断和处理。

为了保证重点布设、监测可靠、实用方便和经济合理，案例工程选择以平台水平移位和沉降作为监测参数。由于施工工艺和通视情况的限制，难以直接检测钢护筒形变，因此通过监测贝雷梁上设置的监控点来反应和把握平台工况状态。基于现场通视条件，随时调整监控点设置，并根据以下情况把握监控频率：关键工序强化观测，如钻机开钻、打入岩面、遇钻孔倾斜面、破碎带等，一般频率以12 h/次为宜；如果持续获得正常监测结果，则测量频率可适当降低至24 h/次。

案例4#墩平台成型后，对施工平台的1～4号桩分别取4个工作日进行状态观测，实际测量与有限元模拟分析比较结果见表3所示。表3数据显示，实际位置状态与有限元模拟结果比较吻合，表明该深水大流速区桩基础作业平台的设计和实施操作符合设计要求[4]。

4 结语

该文基于工程背景，对深水大流速区钻孔灌注桩水上作业平台相关工艺技术进行了研究：论述了案例桩基作业平台构成与主要技术参数；从平台建立作业工序、钢管桩操作、钢管桩运送、平台搭设、锚碇系统施工、平台状态监测等方面，阐述了深水大流速区桩基作业平台施工操作工艺要点，并通过工程实际测量与有限元模拟分析比较结果，验证了该平台施工工艺的工程应用有效性。研究结果表明，该固定平台技术具备足够的刚度、强度和稳定性，在深水大流速区的钻孔灌注桩施工中具有应用优势。

参考文献

[1]郭庭. 钻孔施工平台的稳定性分析[D]. 武汉：华中科技大学， 2006.

[2]刘永策. 深水墩施工平台结构分析及其施工技术研究[D]. 长沙：湖南大学， 2004.

[3]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.

[4]曾乐飞. 水上大口径钻孔灌注桩施工平台设计研究[D]. 武汉：华中科技大学， 2006.