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1、海上引桥钢护筒式钻孔平台的设计与施工商 凯中国铁建港航局集团 浙江宁波 315000摘要：结合宁波象山港公路大桥北引桥低墩区P24P31号墩钻孔桩施工，介绍采用钢护筒作为钢平台的主要受力结构、并且利用打桩船沉放钢护筒的钻孔平台的设计方案和施工工艺。关键词：象山港大桥 钻孔平台 设计 施工1 引言从施工角度讲，海上搭设钻孔施工平台和实施灌注型嵌岩桩，均为较常规的施工工艺，但传统的施工工艺为先搭设施工平台，后沉放钢护筒，再开始钻孔施工。引桥区采用钢护筒作为主要受力结构，并且利用大型打桩船沉放钢护筒的施工平台那么比拟少见。象山港大桥P24P31号墩成功运用了打桩船沉放钢护筒并将护筒做为主要受力结构。
2、2 工程概况宁波象山港公路大桥位于宁波市和象山县之间、横山码头和西泽码头西侧的象山港水域，桥梁全长6.761km。P24P31号墩为60m预应力混凝土连续箱梁引桥低墩区，承台采用整体式哑铃形承台，平面尺寸为22.457.6m，厚度为3m，系梁平面尺寸为4.054.5m，厚度为2.5m。承台顶高程为3.2m，底面高程为0.2m。根据受力需要，一个根底下设8根直径为2.0m混凝土钻孔灌注桩，按支撑桩进行设计，桩长为56.685m，桩底进入中风化岩深不小于4m。2.1 水文条件象山港内潮汐属非正规半日浅海潮，受地形影响，潮波运动以驻波为主。桥区附近多年平均潮差约3.08m，最大潮差达5.65m。落潮
3、流速较涨潮流速大，最大流速约1.66m/s，涨潮历时长于落潮近1小时。涨、落潮流主轴方向约有2030左右的不对称性。桥区平均波高0.4m，最大波高为1.8m。5年一遇极高水位+3.65m，极低水位-2.58m，施工区域水深1214m。2.2 地质条件引桥区地质条件差，基岩外表覆盖层主要为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、亚粘土，覆盖层顶部标高变化不大，淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土类软土较厚，施工时应防止塌孔现象，地质情况参见图1。图1桥型布置图3 钢护筒最小埋深计算桥址处水深较大，且覆盖层中淤泥、淤泥质粘土及淤泥质粉质粘土类软土较厚，所以最小埋置深度采用下式计算：L=h+Hw-H0/(d-
4、w)式中：L-护筒埋置深度m；H-施工水位至河床外表深度m；见图2h-护筒内水头，即护筒内水位与施工水位之差m；w-护筒内泥浆容重KN/m3)；0-海水的容重KN/m3)；d-护筒外河床土的饱和容重KN/m3)；d=+e0/(1+e) 图2 最小埋深计算简图其中：-土粒的相对密度，当护筒穿过几种不同的土质时，护筒外河床土的饱和容重取平均值，即d=idli/li式中：d-几种不同土的平均饱和容重；id-每种不同土的饱和容重；li-每种不同土的厚度，根据桥区?工程地质勘察报告?提供地质数据，考虑1.5倍平安系数，计算出钢护筒最小埋深 Ls=13m。4 钻孔平台方案选择4.1 设计思路P24P31号
5、墩位于海中间，其中P24号墩距岸侧最近，距离约1km。由于P14P23号墩为打入钢管桩根底，承台、墩身均已施工完成，预应力混凝土箱梁尚未架设，假设考虑栈桥施工方案，栈桥需避开架梁作业区域，投入本钱太大，假设等待架梁结束，工期无法保证。结合施工单位现有的机具设备及水上施工经验，综合考虑P24P31号墩所处的水文、地质、施工环境情况，同时考虑工程进度、本钱、平安等多方面因素，决定采用独立式型钢平台，8个承台同时施工。独立式型钢平台有两种形式：1钢管桩钢平台，打设80010的钢管桩作为根底，利用钢管桩承重，再安装钢管平联和上部结构，然后利用定位架下沉钢护筒的常规施工方法。2钢护筒钢平台，利用钻孔桩2
6、33216钢护筒作为主要受力根底，配以少量钢管桩辅助受力，先利用大型打桩船沉放钢护筒及钢管桩，然后在钢护筒及钢管桩之间焊接平联，再设置上部梁系做为钻孔桩施工工作平台的施工方法。4.2 方案比拟1结构平安、受力情况比拟 钢管桩平台的优点是：钢管桩是临时结构，精度要求低，平台搭设难度小。钢护筒在临时平台上打设，精度高，施工平安、方便。钢护筒在钻孔桩施工过程中不受竖向载荷作用。钢护筒平台优点是：钢护筒的抗弯截面模量大，刚度大，其单桩支承力也比钢管桩大，结构施工过程中的平安性显著加强。根据钢护筒最小埋深计算，通过适当增加钢护筒长度，将钢护筒做为受力根底是完全可行的。缺点是：插打钢护筒定位难度大，精度稍
7、差，设备能力要求高。2施工工期比拟 钢管桩平台是先期利用常规起重船打设钢管桩，在钢管桩上搭设型钢做主梁、分配梁，钢板满铺作为工作平台，然后打设钢护筒作为钻孔时的护壁，工程量大且为常规工艺，工效较低。钢护筒钢平台那么减少了工程量且利用大型打桩船一次性沉放全部钢护筒及钢管桩，施工工效明显提高。3经济性比拟钢护筒平台虽增加了大型打桩船费用，但由于充分利用了钢护筒结构，节省了钢管桩材料和打、拆费用，并且工效提高后，人员及船机管理费均大大减少，所以经济性优于钢管桩平台，直接经济费用分析见表1。钻孔平台经济分析表 表1平台 类型材料 名称规格(mm数量(根)长度(m)总重(T)单价 (万元材料费(万元沉桩
8、单价(万元沉桩费用(万元总计 (万元)钢管桩钢平台钢管桩800101842147.280.3855.9660.35.4215.564钢护筒233216835.8261.720.58151.7970.32.4钢护筒钢平台钢管桩8001064249.090.3818.6540.84.8200.584钢护筒233216838277.810.58161.130216备注 仅计算单个钢平台根底用料，上部用料未考虑，钢管桩单价已考虑回收利用收益，故较低，钢管桩式钢平台沉桩方式为起重船及导向架利用振动锤方式，故较低。方案比选结果：虽然采用钢护筒钢平台方案，需加长钢护筒2.2m，且打桩费用明显增加，但一个平台
9、减少12根钢管桩，比钢管桩钢平台减少用钢量82吨，减少本钱投入近15万元，8个平台那么减少本钱近150万元。由此可见：采用钢护筒钢平台既减少了钢平台的用钢量，降低了施工本钱，又减少了钢管桩施工数量，提高了施工工效，具有良好的经济效益。5 钢平台的设计5.1设计根底资料1、设计水位：考虑到平台使用周期仅为4个月左右，取重现期5年水文资料。2、设计流速：V=1.66 m/s。3、原泥面标高：1214m，根据前期对钢管桩施工期间海床面监测，引桥区未发现有明显的冲刷发生，但基于平安考虑，确定冲刷深度为3m。4、风速：正常工作V0=13.8m/s,最大风速 V=33.9m/s。5、海床覆盖层:淤泥、淤泥
10、质粘土。5、设计荷载：平台上KP-3000型钻机1台，单台钻机荷重833KN，其它设备荷载：泥浆泵、空压机重量为150KN。平台施工均布荷载：q10kN/m2。7、施工船系缆力：不允许施工船舶停靠施工平台，仅考虑200t级交通船靠泊接送作业人员。5.2 钢平台结构形式钻孔平台采用独立式型钢平台，尺寸为24.85m11m。平台顶面标高为6.3米， 8根钢护筒为主要支撑结构，另外在平台南北两侧各设3根辅助桩，通过上下两层平联结构上层平联底标高为+4.892m，下层平联标高为+1m将钢护筒和辅助桩连成刚性较大的整体，梁系布置由下而上依次为支撑梁及牛腿，上设钻机梁、钻机梁上设次梁，面层系为8mm厚钢板
11、。整个钢平台结构布置见图3和图4。图3钻孔平台平面布置图图4 钻孔平台立面图5.3 设计要点1、钢护筒钢护筒为钻孔平台的主要受力结构。钢护筒设计直径比钻孔灌注桩的直径大30cm，即护筒内径为2.3米。钢护筒壁厚16mm，底部以与钢护筒同材质同厚度钢板设置50cm宽加强箍,以满足插打时的局部受力要求。钢护筒在存放、运输及吊装过程中应严格控制变形。钢护筒采用两点起吊，为防止起吊变形，钢护筒每只吊耳处增焊一块16mm700mm774mm贴板并进行塞焊。2、横向联系钻孔平台横向联系包括钢管桩间的联系、护筒间的联系以及钢管桩与护筒间的联系。钢管桩之间及钢管桩与钢护筒之间平联采用6008钢管，钢护筒之间设
12、置两层平联，均采用2HN600200型钢，护筒间上层顺桥向平联同时做为钻机梁的支撑梁，钻机梁、支撑梁及牛腿均设置加劲板补强，各型钢节点用加劲肋补强。5.4 钢平台结构验算1、单桩验算分别对钢管桩、钢护筒单桩受力进行分析。单桩最不利受力工况是桩打前即将接近海床面和施打完成后平联尚未形成阶段，此时桩呈悬臂状态。单桩按流固耦合有限元法，ANSYS分析单桩受力，将河床冲刷面作为嵌固点，荷载按流体单元，桩按固体单元分析，得出钢管桩桩顶最大位移和各种应力，并进行稳定性分析确定其合理性。具体计算过程从略。2、整体结构计算应用ANSYS结构分析程序建立空间模型，嵌固点按照?港口工程桩基标准?采用假想m法计算，
13、钢管桩及钢护筒在嵌固点处固接，支撑梁与钻机梁顶部铰接，牛腿与钢护筒固接，钢管桩与平联间为固接。主要按以下两个工况进行计算。工况一：整个平台正常工作正常工作时，考虑自重、堆载、钻机荷载、其它设备荷载、波浪力一般情况水流力、风荷载等组合。标准组合：1.0+根本组合：1.2+1.4+1.0+工况二、整个平台整体抗台台风来袭时，平台停止正常工作。为保证钻孔平台平安，假设钻孔尚未完成，将中断钻孔，除钻机外其余设备、堆载物等均吊离平台。在该工况下，考虑自重、钻机荷载、波浪力台风情况、水流力、风荷载台风情况等组合。标准组合：1.0+根本组合：1.2+1.4+1.5+根据计算，在最不利工况下，钢管桩、钢护筒的
14、单桩承载力、稳定性、强度、刚度均满足平台强度和变形要求。具体结果从略。6 钢平台施工工艺流程下一根护筒沉放下一个墩护筒沉放铺设次梁及面板、护栏等打桩船抛锚定位定位吊桩运桩船就位开始沉桩单根桩沉桩结束单墩护筒沉设完成测量放样安装下层平联安装钻机梁焊接牛腿及上层平联GPS定位全站仪定位复核施工筹备实时检测护筒垂直度及偏位 图5 钻孔平台施工流程图7施工程序及考前须知7.1 钢护筒及钢管桩沉放1 、打桩船性能介绍选用国内先进的“海力801打桩船进行沉桩施工，打桩船主要性能参数见表2。 海力801打桩船主要性能参数表 表2性能船型尺寸桩架型式桩架高m吊桩重t沉桩桩长m桩锤定位 方式参数803062.8m全旋回式9510080+水深S-280 液压锤GPS定位 系统 “海力801打桩船施打钢护筒具有以下优势：1驻位稳定性好：“海力801打桩船锚碇系统配备7台50t锚机和相应的7个10t铁锚，另外还有四根1.5m1
