庫區深水裸巖高樁承臺施工浮式平臺設計研究

廖文華

(中鐵一局集團橋梁工程有限公司，重慶 401121)

1 概述

隨著我國三峽工程和一些大型水利樞紐工程的建設和路網交通系的不斷完善，跨越大型庫區的大型橋梁建設越來越多。庫區影響了正常的水路交通，而且庫區內水位變化沒有規律，這給深水裸巖基礎施工又增加很大的施工技術和施工組織難題。以新建蘭渝鐵路渠江特大橋為背景，介紹適合庫區深水裸巖基礎施工方式平臺設計研究過程和取得的成果。

2 工程概況

2.1 工程結構及地質概況

新建蘭渝鐵路渠江特大橋位于四川廣安，跨越渠江，主橋結構為(48+4×80+48)m的預應力混凝土連續剛構(圖1);主墩29號～33號位于水中，其中31號和32號墩水深約22 m，設計為高樁承臺，河床裸露，其下分別為砂巖、泥巖、泥巖夾砂巖、砂巖等，巖性總體上由軟到硬，極限抗壓強度6～30 MPa。

2.2 水文概況

渠江屬于嘉陵江支流，河流洪枯水位變化幅度很大;汛期水位具有暴漲暴落的典型山區河流特性，曾在2007年時出現50年一遇的洪水，水位比常水位高11 m，對施工威脅很大。渠江洪水期為5～10月，流量隨雨洪季節及降雨量改變。

3 方案研究

針對庫區裸巖深水高樁承臺基礎施工，目前國內深水基礎常用的施工平臺主要有雙壁鋼圍堰平臺、鋼平臺以及浮式平臺3種形式。3種平臺各有其工程特點，深水裸巖條件下均可選擇使用。

圖1 渠江特大橋主橋橋型布置(單位:cm)

3.1 雙壁鋼圍堰平臺

優點:鋼套箱圍堰堅固，整體性好，剛度較大，抗沖刷、抗撞擊能力很強。如果利用鋼套箱圍堰，在施工過程中能有效地抵御洪水沖擊和過往船只的影響。

缺點:此工程設計為高樁承臺，如果采用鋼套箱圍堰，必須在圍堰頂搭設樁孔作業平臺，因此鋼套箱及鋼護筒用量較大，經濟性較差。

3.2 鋼平臺

鋼平臺即用鋼管樁作為作業平臺基礎，同時還可以在南北兩岸間搭設鋼便橋，將鋼平臺和便橋連成整體，既保證整體性，又方便施工及材料運輸，其優缺點如下。

(1)能有效地解決南岸28個墩身施工材料運輸問題;(2)材料運輸方便，能節省水上施工運輸設備;(3)河床地質為砂巖，覆蓋層薄，鋼管打入困難，施工難度大，打入深度無法保證;

(4)由于鋼管樁插打施工速度慢，占用關鍵線路施工時間，工期無法滿足要求;

(5)一次投入資金數量大，雖后期可回收部分鋼材，但施工中資金占用大。

3.3 浮式平臺

浮式平臺即用船體、標準舟節、浮箱或木排等浮體拼裝成的浮動工作平臺，浮動的工作平臺就位后錨定，插打鋼護筒，在平臺上安放鉆機進行鉆孔樁施工。

經過多次方案比選，最終選用浮式工作平臺作為鉆孔平臺，因為渠江上下游有通航限制，大型工程駁無法進入到施工場地，因此最終選用軍用浮箱作為浮體，縱橫梁用萬能桿件拼裝組成工作平臺(圖2)。平臺的設計綜合計算了從組拼階段到作為浮式鉆孔平臺使用的各種工況，在設計中主要注意以下幾個方面的問題:

(1)浮體是用單個浮箱拼接而成，浮箱抵抗平臺不均勻荷載的能力較差，因此必須考慮萬能桿件縱梁能夠抵抗施工中平臺上的不均勻荷載;

(2)作業平臺上必須要有龍門起吊設備，設計中必須考慮龍門移動過程中平臺的整體穩定性，必須保證在各種不利工況下能夠安全運行;

(3)平臺要有抵抗洪水沖擊的能力，必須拉錨固定。

雖然設計有考慮洪水的影響，但是根據水文資料，渠江屬于暴漲暴落型河流，如果遇到洪水水位迅猛升高，平臺安全會受到嚴重威脅。因此，應該采取其他措施盡量加快施工進度，以降低施工風險。

4 浮式平臺設計及創新點

4.1 浮式平臺方案

水上浮式平臺由34個浮箱組成浮體，工作平臺由萬能桿件桁架、工字鋼、鋼板等組成。工作平臺為30 m×23 m的四邊形。2排浮箱由萬能桿件桁架橫向連接，成為平臺橫梁。船中心線附近由萬能桿件縱向連接成整體，作為龍門桁車走行軌道支撐。上置I20a型鋼橫梁，中心間距40 cm，留出鋼護筒范圍后，焊接在縱梁上。橫梁上鋪5 mm厚鋼板，留出鋼護筒范圍后焊接在I20a型鋼上。平臺上布置鉆孔平臺(每個橫梁最多布置2臺鉆機)和拼裝400 kN龍門(最大荷載:鋼護筒320 kN)，浮式平臺及龍門(圖2)。

4.2 設計驗算

浮箱自重及平臺縱梁都是通長布置，重心都在跨中;浮箱自重1 767 kN，縱梁自重1 050 kN，墊梁荷載261 kN;平臺橫梁向一端偏移了1 m。經計算，平臺橫梁傳遞的荷載為657 kN;龍門在平臺上移動，根據實際工況分別分析，龍門自重1 166 kN，最大吊重400 kN。

4.2.1 浮箱承載力驗算

浮式平臺上施工荷載6 812 kN，34個浮箱可提供9 000 kN浮力(含自重1 766 kN，浮箱允許吃水深度1.2 m)，大于平臺荷載。

圖2 浮式平臺布置(單位:cm)

4.2.2 萬能桿件橫梁驗算

橫梁支撐在浮箱上，最大跨徑為32.0 m，由6片桁架承受各工字鋼縱梁傳遞過來的均勻分布的集中荷載。最不利荷載為一片桁架承受2臺鉆機，同時考慮下放鋼護筒和鉆機荷載必須錯開施工。計算結果見表1。

表1 橫梁在主要工況荷載作用下的受力情況

橫梁在主要工況荷載作用下的受力均滿足要求，剛度大于1/400，橫梁設計滿足要求。

4.2.3 浮式平臺縱梁驗算

浮式平臺是由34個小浮箱銷接而成，由于單個小浮箱自身剛度很小，不能抵抗集中荷載對整個浮箱產生的彎矩，因此需要在浮箱上搭設萬能桿件縱梁作為浮式平臺龍骨，兼作龍門走行基礎，同時保證浮式平臺整體穩定，浮箱抵抗不均勻荷載時抗傾覆能力。浮式平臺縱向荷載分布見圖3。圖3中:N1—龍門荷載，N2—平臺施工荷載，q—平臺自重，qA、qB—浮力。圖4為鋼護筒的下放施工現場。

圖3 浮式平臺縱向荷載分布(單位:m)

圖4 鋼護筒下放施工

縱梁在主要工況荷載作用下的傾斜坡度直接影響浮式平臺整體穩定性。縱梁在主要工況荷載作用下的穩定性驗算結果見表2。

縱梁在主要工況荷載作用下的傾斜坡度均小于穩定坡度，浮式平臺在最不利工況下，整體穩定性滿足要求。

表2 縱梁在主要工況荷載作用下的穩定性驗算結果

4.3 浮式平臺創新點

與現有的橋梁基礎施工方案相比，此浮式平臺采用萬能桿件等制式器材設計，簡潔靈便，施工簡易，組合方便，形狀可調，同時節省投入，解決了庫區、大型水上設備無法進場的庫區深水裸巖基礎的施工難題。裸巖基礎鋼平臺無法打設，水路交通不通大型船舶無法進場。采用小浮箱組拼浮式平臺的施工方法，成功解決了以上困難，大大增強了施工安全性和經濟性，為以后庫區、裸巖或者水上交通不便的施工區域提供可靠的施工經驗。并于2011獲得國家知識產權局授權的實用新型專利《一種橋梁施工用浮式鉆孔平臺》，專利號:2011.2.0205131.5。以《深水傾斜裸巖河床條件下鐵路特大橋基礎施工技術》為課題的研究成果，于2011年經專家評審達到國際先進水平，并獲中國鐵路工程總公司科學技術獎二等獎。

5 結語

通過對浮式平臺系統的設計計算，確保浮式平臺各個部位在不同工況，均能滿足要求。通過對小浮箱組拼浮式龍門平臺施工關鍵環節的攻關與控制，順利完成了渠江特大橋主墩的32根單重近38 t的鋼護筒的下放(圖4)，以及大直徑鉆孔樁施工，保證了全橋工期的正常進度，為全橋的順利通車奠定了良好而又堅實的基礎，利用組合式浮式平臺為交通條件限制，駁船、浮吊等大型設備無法進場，深水裸巖約束條件下，鉆孔樁的施工提供有價值的參考。

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