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1、曹娥江闸前大桥在强涌潮条件下的钻孔平台设计与施工贾为民（中铁大桥局集团第一工程有限公司）摘要：重点介绍了曹娥江闸前大桥在强涌潮、高潮差、江水大流速条件下的钻孔平台设计与施工采取的措施与检算。关键词：钻孔平台 设计 涌潮 施工1概述曹娥江闸前大桥位于曹娥江河口附近，位于曹娥江大闸上游约1km处，是杭州湾绍兴工业新城区北部杭州湾大道跨越曹娥江的重要桥梁工程。大桥全长2396m,共55个墩台，其中12#24#、30#38#墩桩基为2101.2m钻孔桩；25#、29#墩桩基为271.5m钻孔桩，26#28#墩桩基为2261.5m钻孔桩。根据总体施工方案， 13#37#墩为水中墩施工，其中13#23#、
2、37#墩采用筑岛平台法施工钻孔桩，24#36#采用型钢墩位平台施工钻孔桩。桥位处水位主要受潮汐作用影响，涌潮是曹娥江河口潮汐的重要特征，影响涌潮强弱的因素较多，其中最主要的是曹娥江的潮差和江道地形，潮差越大，江道河床低，涌潮越强。受曹娥江大闸围堰修建的影响，曹娥江河口处的过流断面急剧缩小，水位变化较大。根据现场实测，施工期间高潮水位为5.5m，低潮水位-2.0m，最大潮差达7.5m。根据水文资料，本桥施工水流速Vmax=4.45m/s。受径流与潮流共同作用，曹娥江河床冲淤变化剧烈，冲淤特点为“洪冲潮淤”。在施工过程中桥位处河槽历史记录最高1.17m，最低高程为-9.25m，最大冲幅10.42m
3、。桥位处主河槽时弯时直，主河槽位置忽左忽右，变化较大，因此桥位附件的河床段具有很大的游荡性。2 钻孔平台方案介绍水中墩施工是曹娥江闸前大桥的重点及难点，也是控制工期的关键点。桥位处受潮汐影响，且涌潮流速大，这就要求钻孔平台有足够的抗水平冲击能力，基于以上因素，我们所设计的基础施工钻孔平台不同于一般的钻孔平台，在设计中2628主桥中墩采用4824m大平台施工，钢护筒做平台支撑桩，结合426mm钢管桩辅助支撑。其余水中墩采用4812m小平台施工，426mm钢管支撑桩。为了增大平台的抵抗水平冲击力的能力，护筒之间、护筒与426mm钢管支撑桩之间以及426mm钢管支撑桩之间均加设了联结系，支撑桩与平台
4、梁部构件及平台梁部构件与栈桥之间均进行了固接。3 钻孔平台设计3.1钻孔平台结构简介钻孔平台构架、钻孔桩钢护筒及支撑钢管桩布置见图、图2、图3、图43.1.1钻孔钢平台构架大平台平面尺寸： 48m24m，小平台平面尺寸： 48m12m，采用H600200mm型钢作为平台承重纵、横梁，纵梁为连续梁，每根纵梁为H600200，纵梁间H型钢接头采用等强连接，横梁为单根H600200，均为简支梁。3.1.2支撑桩大平台支承桩直接利用1.8m，10mm钢护筒（图2中，填充的护筒为承重护筒），并采用20根426mm，8mm钢管桩做平台辅助支承桩。小平台支承桩采用32根426mm，8mm钢管桩。根据50t履
5、带吊机吊重曲线及最大控制吊重，平台支承桩间距确定为6.0m。3.1.3桩与平台固结结构桩与平台固结结构主要包括固结分配梁及牛腿。3.1.4根据施工栈桥及其上桅杆吊机走行轨道的标高，钻孔平台顶标高+9.5m。3.2设计条件3.2.1工况条件3.2.1.1钻孔平台纵、横梁强度验算。3.2.1.2钻孔平台支撑桩竖向承载力计算。3.2.1.3钢护筒及支撑钢管桩最大水流冲击力（水位最高值）下受力和桩顶变位计算。3.2.1.4钻孔平台整体稳定性3.2.2地质条件由地质资料可知，桥位处地层以粉砂和淤泥质亚粘土为主。3.3设计计算根据钻孔平台施工时段分别进行结构设计验算，在此仅就计算思路做简单介绍3.3.1荷
6、载及主要技术参数3.3.1.1施工荷载：50t履带吊机(自重按50t 计)+打桩锤（带夹持器总重约10t）；GPS25钻机。3.3.1.2平台自重（含平台梁部分，联结系部分及平台上铺设的脚手板，走道板）。 3.3.1.3水流冲击力钻孔平台桩基水流冲击按涌潮流速4.45m/s，水位+5.5m，河床一般冲刷按冲刷至-6m标高考虑，局部冲刷2.0m。钻孔平台支撑桩（或钢护筒）水流冲击力（垂直于水流方向）计算按公路桥涵设计通用规范（JTJ 021-89）：计算公式为： （）式中：P流水压力；水的容重；V设计流速；A阻水面积,算至局部冲刷线处；K桥墩形状系数；g重力加速度；此水流冲击力以集中荷载形式考虑
7、作用于定位桩上，位置为距水面1/3水深处。3.3.2计算3.3.2.1平台梁部构件纵、横梁的计算3.3.2.1.1平台横梁计算计算假定：吊机喂锤时为最不利状态，倾覆控制，履带单侧受力，同时考虑履带下铺设的走道板的分配作用，确保三根横梁同时受力计算，单根横梁计算按简支梁计算。3.3.2.1.2平台纵梁计算计算假定：吊机喂锤时为最不利状态，倾覆控制，履带单侧受力直接通过横梁传递至纵梁承受，同时考虑履带下铺设的走道板的分配作用，按三根横梁同时受力计算，纵梁按三跨连续梁最不利受力状态计算。经过计算，钻孔平台梁部纵、横梁受力满足相关设计及规范的要求3.3.2.2钻孔平台支撑桩竖向承载力计算3.3.2.2
8、.1单桩轴向受压允许承载力根据安装工况和运营工况计算，插打平台钢管桩喂锤时为最不利状态，单根426mm钢管桩承载力按450KN设计，1.8m承重钢护筒承载力按900KN设计。3.3.2.2.2支撑桩入土深度河床一般冲刷按冲刷至-6m标高考虑，局部冲刷2.0m。参照公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ 024-85），按沉桩计算公式：P1/1.5 (UiliiAR)注：钻孔平台为大临工程，原规范公式中的“2（安全系数）”在临时结构中按“1.5（安全系数）”取值式中：P单桩轴向受压允许承载力；U桩的周长；A-桩底横截面面积；li局部冲刷线以下各土层厚度；i与li对应的各土层与桩壁的极限摩阻力；i、分
9、别为震动沉桩对各土层桩周摩擦力和桩底承压力的影响系数；R桩尖处土的极限承载力；在钢护筒承载力计算中，仅考虑钢护筒承载桩桩周摩阻力，不计桩底承载力，根据计算结果，1.8m钢护筒承载桩从标高-8.0m（局部冲刷）起算钢护筒入土深度大于7m即可满足竖向承载力要求，因此护筒的入土深度不是按钻孔平台受力控制，其长度应以保证涌潮条件下钻孔桩施工时孔内外压力平衡作为计算依据。3.3.2.3钢护筒及支撑钢管桩最大水流冲击力（水位最高值）下受力和桩顶变位计算。钢护筒及钻孔平台支承桩在插打过程中，桩（护筒）顶自由状态下，单根管桩（护筒）抵抗涌潮冲击力，联接系均未安装时为最不利状态。为了简化计算，采用假想嵌固点的方
10、法计算（参见海港码头结构设计手册P344），做如下假定：、一般冲刷至-6.0m，局部冲刷2m；（一般冲刷+局部冲刷至-8.0m）； 、水流力深度算至一般冲刷线，流水压力合力的着力点假定的高潮水位线以下1/3水深处； 、固结点取一般冲刷下2m处。计算简图如下：水流冲击力计算方法参见“3.3.1.3”，计算结果如下：3.3.2.3.1钢护筒1.8m（1.5m）钢护筒受力均满足规范要求，但在涨潮（尤其是大潮）过程中，钢护筒一直在处于摆动状态，1.8m钢护筒顶部最大摆动幅度可达0.025m，1.5m钢护筒护筒顶部最大摆动幅度可达0.031m。由于本桥为高桩承台，为了确保桩身混凝土的灌注质量，护筒间必须
11、加设联结系，保证钢护筒处于一种稳定状态，由护筒群桩抵抗涌潮压力。3.3.2.3.2钢管桩（426mm）钢管桩（426mm）强度及稳定性均不满足规范要求，大潮时最大摆动幅度可达0.575m，涨潮过程中（尤其是大潮），钢管桩有被破坏的可能，故在涨潮过程中，平台桩单桩不能处于自由状态，必须加约束。经过计算在桩顶加了约束之后，平台桩最大应力远小于容许应力。3.3.2.4钻孔平台整体稳定性根据对钻孔平台支撑桩的计算，主墩大钻孔平台以1.8m钢护筒支撑，426mm辅助支撑，又为了保证桩身混凝土的灌注质量，护筒间加设了联结系，平台稳定性较好。其余小钻孔平台由于平台桩顺水向间距为6m，各桩考虑单独承受冲击力，
12、整个平台共计32根钢管桩，所受水流冲击力最大为1193.6KN，钻孔平台处于不稳定状态，虽然在设计中考虑栈桥与平台固接，但栈桥桩设计仅考虑栈桥自身所受的水流冲击力，不能用来抵抗平台所受的水流冲击力，故必须加强小钻孔平台支撑桩自身的联结系，增强整体性，同时必须将相邻钻孔桩护筒之间相连，平台桩与相近的护筒之间相连，利用钻孔桩钢护筒群桩来抵抗平台的水平力。4 钻孔平台施工在受潮汐影响，强涌潮、高潮差、江水大流速、河床冲淤变化剧烈施工条件下钻孔平台的施工与常规静水及普通河流中的施工有很大的不同。下面就在此条件下施工注意事项予以总结，对常规施工不再缀述。4.1针对桥位处的水文特点，结合在钻孔平台施工中的
13、注意事项，对施工人员进行专项安全技术交底，增强施工人员对强涌潮的认识，确保施工人员及钻孔平台的施工安全。4.2桥位处受潮汐影响较大，施工时，根据历年潮汐表高潮时及农历日期，推算当日每次潮汐转流时间，合理安排各施工工序，利用高平潮或低平潮期进行护筒及平台支撑桩插打施工。4.3在钻孔平台施工过程中，插打钢护筒（支撑桩）前后要定期测量河床标高，并根据河床冲刷情况，进行防护，保证整体稳定性，确保钢护筒和平台施工安全。4.4导向架结构强劲，具有足够刚度，确保钢护筒（支撑桩）导向精度。4.5每插打一根支撑桩或护筒要及时与邻近的护筒或桩连成整体，以抵抗涌潮压力。4.6426mm支撑桩在插打过程中，在插打桩未
14、与相邻桩或护筒未及时加设联结系前，导向架不能拆除，以确保桩体的稳定。在最初施工时，由于未引起足够的重视，个别桩曾遭到破坏。4.7对于护筒或平台支撑桩未及时插打到位（不能抵抗水流冲击力）赶上涨潮时，要将其拔出，待高平潮或低平潮期重新插打。5 结语5.1主墩大平台采用钻孔桩护筒支撑，钢管桩辅助支撑，节省了大量的平台支撑桩，减小了施工成本。5.2在本桥小钻孔平台的设计与施工是成功的，但在强涌潮条件下，钻孔平台支撑桩的桩径偏小，稳定性偏差，在本桥施工中采取一系列措施之后，平台是稳定的，但在以后的施工设计中，建议平台支撑桩采用800mm以上的桩，并辅以本工程中采用的相关施工措施，以确保平台稳定。本桥的施工为以后的同类型施工条件下的桥梁施工提供了有力借签。参考文献：1海港码头结构设计手册交通部第一航务工程勘察设计院. 北京:人民交通出版社,1975.2 绍兴曹娥江大闸闸前大桥工程水文资料浙江省水利河口研究院1
