組合式深水施工平臺設(shè)計(jì)與施工

潘一強(qiáng)

（中交第三航務(wù)工程局有限公司寧波分公司，浙江 寧波 315200）

1 工程概況

浙江舟山某碼頭建設(shè)規(guī)模為25萬噸級礦石卸船碼頭1個(gè)泊位，年吞吐量3 000萬t。碼頭長475 m，寬37 m。碼頭共34個(gè)排架和3個(gè)系纜墩，每榀排架布置4根φ2 800 mm灌注型嵌巖樁（嵌巖深度6.5 m），其中1～19號排架均為直樁，其余排架中間兩根為10∶1的斜樁（20～34號排架，共30根），另兩根為直樁，共136根；系纜墩為13根φ1 500 mm灌注型嵌巖樁（嵌巖深度4.5 m）。

2 工程地質(zhì)

本工程區(qū)域地質(zhì)情況較復(fù)雜，覆蓋層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土、角礫混粉質(zhì)黏土，厚度分布不均。碼頭區(qū)域呈現(xiàn)東側(cè)厚，西側(cè)薄，覆蓋層主要分布在1～7號排架（20～34號排架有少量較好的土層），15～19號排架位于隆起的巖面上，基本為裸露基巖，且?guī)r面起伏較大，呈兩端低中間高（見圖1），巖面最低點(diǎn)為-43.88 m，最高處（16號排架岸側(cè)）為-20 m左右；巖面總體由岸側(cè)向海側(cè)傾斜，坡度一般小于1∶2.5，但個(gè)別斷面巖面較陡，其中最陡處坡度為1∶1.6。

3 深水施工平臺設(shè)計(jì)

3.1 穩(wěn)樁工藝方案選擇

14～19號排架樁基位于隆起巖面上，縱橫向雙向坡度，均較陡，采用常規(guī)人造基床工藝無法形成基床斷面，難以達(dá)到直接穩(wěn)樁，經(jīng)多種工藝比選決定該部分鋼護(hù)筒采用組合式深水施工平臺（見圖2）穩(wěn)樁工藝：利用原較薄的覆蓋層（裸露區(qū)域先拋2 m厚袋裝黏土，2 m厚袋裝碎石，總量約7 500 m3）進(jìn)行深水平臺輔助樁穩(wěn)樁，將深水平臺作為承重施工平臺和鋼護(hù)筒的穩(wěn)樁依靠。

3.2 深水施工平臺設(shè)計(jì)依據(jù)

對平臺結(jié)構(gòu)在可靠性、施工工藝、施工成本等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證輔助樁和工程樁的垂直度，平臺采用雙層結(jié)構(gòu)，每個(gè)平臺固定2個(gè)排架樁基，平臺單構(gòu)件尺寸為24.2 m×17.8 m×4.6 m。平臺頂標(biāo)高為+4.8 m，平臺擱置面標(biāo)高為+3.4 m，下層連桿頂標(biāo)高為+0.5 m。

3.3 導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.3.1 樁基計(jì)算

樁基計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn)[1-7]，平臺結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

3.3.1.1 計(jì)算條件

施工期按2年一遇取值，設(shè)計(jì)波要素見表1，設(shè)計(jì)水位及水流見表2。

圖1 碼頭局部縱斷面圖

圖2 導(dǎo)管架平臺

表1 設(shè)計(jì)波要素

表2 設(shè)計(jì)水位和水流

3.3.1.2 輔助樁的嵌固點(diǎn)深度計(jì)算

輔助樁暫取φ1 200 mm，壁厚18 mm的鋼管樁進(jìn)行計(jì)算。按《港口工程樁基規(guī)范》第4.3.1條，用m法計(jì)算。

因人工基床拋填總厚度只有4 m，不能滿足6 m的嵌固要求，施工時(shí)樁尖可能出現(xiàn)滑動，為保證施工安全，需選在平潮時(shí)段施工，沉樁時(shí)盡量讓樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖層，并及時(shí)進(jìn)行加固，防止樁基在外力作用下出現(xiàn)偏位。

3.3.1.3 輔助樁施工期強(qiáng)度計(jì)算

樁基施工期，由于樁懸臂長度增加，自重彎矩、水流力及波浪力彎矩增加。根據(jù)設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位分別計(jì)算樁身的彎矩（按最深處樁長計(jì)算），并驗(yàn)算輔助樁的強(qiáng)度是否滿足要求。

1）設(shè)計(jì)高水位時(shí)樁身最大彎矩計(jì)算：

式中：H0為作用在泥面處的水平荷載，kN；Pg、Mg分別為泥面處樁自重產(chǎn)生的水平力和彎矩，kN，kN·m，因是直樁，取值均為0；Pq、Mq分別為泥面處浮力產(chǎn)生的水平力和彎矩，kN，kN·m，因是直樁，取值均為0；PF、MF分別為水流力對樁的總力和對樁底彎矩，kN，kN·m；PImax、MImax分別為波浪力最大慣性分力和對Z1斷面的力矩，kN，kN·m。

式中：Cw為水阻力系數(shù)，圓樁取0.73；γ為水的重度，10.25 kN/m3；V為設(shè)計(jì)流速，1.60 m/s；D為鋼樁直徑，1.2 m；d為水深，36.31 m，g為重力加速度，9.8 m/s2。

根據(jù)JTJ 213—98《海港水文規(guī)范》進(jìn)行單樁所受波浪力計(jì)算，由于樁基全部為直樁，施工期按2年一遇波高考慮：因D/L=0.020 7＜0.2，則按小尺度樁柱計(jì)算。

式中：Cm為慣性分力系數(shù)，圓形斷面取2.0；H為波高，1.4 m；A為樁斷面面積，1.13 m2；K2為系數(shù)，按《海港水文規(guī)范》查圖8.3.2-2得K2=1.029 2。

2） 設(shè)計(jì)低水位時(shí)，同理采用m法計(jì)算在設(shè)計(jì)低水位時(shí)的樁身最大彎矩Mmax=1 736.77 kN·m。

3）輔助樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算：

式中：Wt為鋼樁抗扭系數(shù)（鋼樁直徑1200mm，壁厚18mm），取38 919 cm3；σ為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取210 N/mm2。

輔助樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

3.3.2 平臺結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.3.2.1 平臺工況

1）平臺上材料均勻堆放，平均荷載不大于10 kN/m2；

2） 平臺共設(shè)兩條吊車通道（80 t履帶吊），在吊車通道上不得堆載；

3）吊車通道必須滿鋪鋼板，均勻受力；

4） 80 t吊車行走時(shí)控制最大吊重為25 t；

5） 安裝鋼筋籠時(shí)，80 t吊車控制吊重為60 t，但必須限定起吊位置。

3.3.2.2 平臺結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)確定的荷載分別對導(dǎo)管架的鋼管、節(jié)點(diǎn)、上部平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，本工程因安裝工藝要求，還需對導(dǎo)管架整體進(jìn)行浮游穩(wěn)定計(jì)算。

3.4 深水施工平臺結(jié)構(gòu)

根據(jù)樁基直徑、間距、船機(jī)性能及結(jié)構(gòu)驗(yàn)算確定合理的導(dǎo)管架尺寸為長24.2 m，寬17.8 m，高4.6 m，總重140.5 t，支撐樁采用φ1 200鋼管樁，每個(gè)導(dǎo)管架12根支撐樁，導(dǎo)管架縱橫桿采用φ800鋼管，斜撐采用φ600鋼管。在每個(gè)鋼套筒排架沿碼頭排架方向兩側(cè)分別布置1根鋼箱梁，擱置在導(dǎo)管架上，然后利用鋼箱梁搭設(shè)施工平臺，最后在鋼箱梁上布設(shè)型鋼和網(wǎng)格板，完成施工平臺搭設(shè)。

3.5 導(dǎo)管架施工

本工程的導(dǎo)管架、鋼管支撐樁等鋼結(jié)構(gòu)管件在工廠加工制作，每榀導(dǎo)管架拼裝后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行吊打（或安裝）焊接。

導(dǎo)管架施工時(shí)用起重船定位，由起重船將導(dǎo)管架從駁船上吊至水中漂浮，并用錨纜進(jìn)行粗定位。待平潮時(shí)，調(diào)整錨纜用全站儀將導(dǎo)管架精確定位，用起重船將導(dǎo)管架海、岸側(cè)各3根支撐樁安裝到位，并用振動錘將6根支撐樁打入覆蓋層或人造基床。然后將導(dǎo)管架提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并將支撐樁與鋼套管焊接成整體，再將其余支撐樁安裝到位。

導(dǎo)管架安裝后，復(fù)測鋼護(hù)筒樁位，根據(jù)實(shí)際位置調(diào)整鋼護(hù)筒限位，用起重船將鋼護(hù)筒逐個(gè)進(jìn)行吊打，鋼平臺加固完成后，進(jìn)行嵌巖樁施工。

樁基施工期間要加強(qiáng)平臺的沉降觀測，特別是初期觀測頻率宜加密，待樁基部分完成后可適當(dāng)延長觀測周期。

4 各類技術(shù)問題解析

4.1 導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架的形式在設(shè)計(jì)中采用了單層導(dǎo)管架和雙層導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，平臺搭設(shè)采用了箱梁或貝雷架的結(jié)構(gòu)形式。這幾種結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工中取得了較好的效果。本著結(jié)構(gòu)安全和可操作性，采用12根支撐樁的雙層導(dǎo)管架，支撐點(diǎn)的增加加強(qiáng)了平臺的承重、抗彎能力和整體穩(wěn)定性，雙層的結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)導(dǎo)管架的垂直度，并能保證結(jié)構(gòu)樁和支撐樁施打過程中的垂直度控制。應(yīng)根據(jù)不同的自然條件、工程結(jié)構(gòu)形式，對工程樁位預(yù)留一定的富裕尺寸，確保工程樁位的偏位在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4.2 導(dǎo)管架定位

采取起重船定位，由于導(dǎo)管架尺寸、重量（約140 t）均較大，對現(xiàn)場風(fēng)浪條件、船舶性能、固定方法等有很高的要求。本次進(jìn)行安裝的起重船船體大、抗風(fēng)浪能力佳，且安裝時(shí)間選擇在3級風(fēng)浪的情況下進(jìn)行，導(dǎo)管架與起重船的固定采用鋼絲繩及纜繩雙重鎖緊系牢，確保位置準(zhǔn)確。

4.3 導(dǎo)管架提升、固定

在吊打兩端6根支撐樁后，因潮水影響可能會出現(xiàn)導(dǎo)管架被支撐樁輕微卡住的現(xiàn)象，致使導(dǎo)管架產(chǎn)生一定的位移或高差，可用起重船進(jìn)行移位微調(diào)，或用其他設(shè)備進(jìn)行輔助提拉、校正，并及時(shí)進(jìn)行加固，防止導(dǎo)管架系統(tǒng)發(fā)生偏移或扭轉(zhuǎn)。

4.4 嵌巖樁施工順序及過程監(jiān)測

由于岸側(cè)覆蓋層相對較厚，對成孔較為有利，且不易漏漿，每一組導(dǎo)管架的嵌巖樁均從岸側(cè)樁往海側(cè)樁進(jìn)行鉆孔作業(yè)，實(shí)時(shí)掌握嵌巖樁的成孔情況以及觀測基床的變化情況，對是否需采取防漏措施等提供參考依據(jù)。鉆孔期間需緊密觀測限位架等的焊縫、鋼套筒下沉等情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)；另外對導(dǎo)管架進(jìn)行常規(guī)的周期性沉降位移觀測，確保導(dǎo)管架的穩(wěn)定及安全。

4.5 挑梁法施工

海側(cè)樁位于碼頭前沿，采用鋼箱梁懸挑支撐，限位架不預(yù)先施工，在打樁船沉樁后再用槽鋼或型鋼臨時(shí)加固，達(dá)到限位及穩(wěn)樁效果。要考慮好箱梁與打樁船龍口、背板等的位置沖突，不造成碰撞。另外涉及到結(jié)構(gòu)樁的樁長設(shè)計(jì)，參考現(xiàn)場的沉樁、地質(zhì)、平臺標(biāo)高等情況，適當(dāng)加長，以免沉樁貫入度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且需避免樁帽碰觸到箱梁，注意施打控制。

5 結(jié)語

目前人造基床和導(dǎo)管架區(qū)域均完成了嵌巖樁施工，穩(wěn)樁達(dá)到了預(yù)期的效果，大坡度裸巖穩(wěn)樁措施獲得了成功，為類似惡劣地質(zhì)條件的工程施工提供參考。

[1] JTJ 213—98，海港水文規(guī)范[S].

[2]JTJ 285—2000，港口工程嵌巖樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S].

[3] JTJ 215—98，港口工程荷載規(guī)范[S].

[4] JTJ 291—98，高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[5] JTJ 267—98，港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] JTJ 254—98，港口工程樁基規(guī)范[S].

[7] JTJ 225—98，水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].