基于頂推平臺的無覆蓋層碼頭鉆孔樁一體化施工技術探討

劉子赫 江西省港口集團有限公司

1.問題的提出

某橋梁工程橋址處水面寬0.755m，主橋橋型為6＊32m（T型簡支梁）+125m+170m+125m（三孔連續(xù)鋼構）。工程主要建設項目為引堤、引橋、碼頭及防波堤的修建，其碼頭長＊寬的平面尺寸為265m＊25m，為鉆孔灌注樁基礎，樁基頂高程4.65m；排架間距按8.0m設計，并在各排架下增設4根直徑1.35m的灌注樁，鋼護筒設計直徑1.45m、壁厚1.4cm。碼頭平臺結構主要由樁基上澆橫梁、縱梁、預制面板及現(xiàn)澆磨耗層等構成。該橋梁碼頭施工區(qū)域內有效波高均值為3.15m，最大可達5.34m，表現(xiàn)為典型的中長周期波浪條件。其碼頭施工區(qū)域內主要分布有3.0～5.0m厚的強風化礫石，厚度不足5.0m的強風化泥質粉砂巖及中風化粉砂巖等，且不存在地質覆蓋層。相關勘探結果顯示，施工區(qū)域內海底表床處礁盤不規(guī)則分布，且高度在0.2～1.5m范圍內。

本文以某橋梁碼頭工程為例，進行其無地質覆蓋層條件下鉆孔樁施工關鍵工藝探討及仿真分析，為無地質覆蓋層條件下基于頂推平臺的碼頭鉆孔樁一體化施工提供

借鑒參考。

2.樁基施工技術

本橋梁碼頭工程施工區(qū)域內長周期涌浪特征十分明顯，對于常規(guī)的自升式平臺、打樁船舶等水上施工不利，且碼頭海域內地質條件極為復雜，海床也無地質覆蓋層，無法展開鋼護筒施打。根據(jù)橋址處水文地質條件、鉆孔技術參數(shù)及碼頭施工海域特點，提出水深且無地質覆蓋層條件下受海潮影響滿鋪平臺法和頂推平臺方兩種樁基施工技術方案。

2.1 滿鋪平臺法

主要依靠碼頭既有鋼棧橋沉設鋼護筒，并待鋼護筒沉設至設計位置后采用提前設置在鋼棧橋上的起吊裝置（如吊車）安裝滿鋪平臺，滿鋪平臺縱橫梁主要支撐在焊接于鋼護筒頂口的牛腿之上。按照設計要求，鋼護筒頂高程應比鋼棧橋橋面低出2.5m，為此，必須從鋼棧橋到滿鋪平臺按設計要求設置斜坡，待搭設好滿鋪平臺后按梅花形布置鉆孔樁。按照設計要求，橋跨施工平臺鋼結構單位質量為35t/跨，在40%鋼結構平臺輪換使用的情況下，整個碼頭鋼平臺施工所需鋼結構共為1310t。雖然滿鋪平臺法技術工藝較為成熟簡單，但本工程在搭設滿鋪平臺的過程中因鋼棧橋寬度較小，在鋪設平臺及水下混凝土灌注時會影響棧橋交通，鋼棧橋與滿鋪平臺之間所存在的2.5m高差影響鋼筋籠起吊及鉆渣轉運。如果前期所沉設的鋼護筒底口并未進入中風化泥巖，則作為承重樁的鋼護筒無法順利跟進，容易引發(fā)塌孔；完成樁基灌注施工后不能因移動平臺上的相關設備機具而導致平臺過度晃動。結合具體工效，本工程碼頭鉆孔樁施工從單排架鋼護筒沉設到搭設施工平臺、鉆孔樁澆筑，共需要8d，而完成全部樁基施工需要9.5個月，工效及施工安全性無法保證，臨時措施投入大。

2.2 頂推平臺法

在第一排和最后一排樁兩端頭打設出直徑0.8cm、壁厚14mm的鋼管樁3排，并以此為起始平臺，再將1套頂推平臺拼裝在起始平臺。將鋼護筒沉設于平臺前段，再由碼頭兩端頭開始逐跨推進施工，待完成一個排架頂推施工后借助樁頂頂推設備前移，并循環(huán)至2套平臺成功合龍，最后利用頂推平臺上所設置的履帶拆除平臺。

該橋梁碼頭頂推平臺質量為415t/套，鋼護筒沉設施工主要借助頂推平臺上的旋挖鉆機、履帶吊車及平臺導向裝置進行，且施工平臺高程和鋼棧橋高程一致，便于鋼筋籠吊裝、自卸車輛掉頭及鉆渣存儲。頂推平臺施工所需設備及人員投入量比滿鋪平臺法下節(jié)省至少30%。在應用頂推平臺新型水上施工設備后1個排架4根鋼護筒沉設施工時間僅需1d，再加上鉆孔灌注、平臺移動等時間，則1個排架鉆孔樁一體化施工耗時4.5d。與滿鋪平臺施工技術相比，該技術成本低，工效高，工期短，為此，本橋梁碼頭工程選用樁頂支撐步履式頂推平臺施工方式。

3.頂推平臺結構仿真

3.1 平臺荷載分析

橋梁碼頭鉆孔樁頂推平臺所承受的荷載主要有頂推平臺結構自重，旋挖鉆、履帶吊機等施工機械設備及人員荷載，施工機械在平臺行走產(chǎn)生的水平荷載（本工程按機械自重的10%計），旋挖鉆機扭矩（其動力頭回轉扭矩設計值360kN·m），波浪力，沉樁施工荷載等。本橋梁碼頭施工期處于非季風期，按照《海港水文規(guī)范》的相關規(guī)定，頂推平臺所承受的波浪力荷載按照下式確定：

其中：pD—頂推平臺所承受的波浪力速度分力（kN/m）；pI—頂推平臺所承受的波浪力慣性分力（kN/m）；ρ—海水密度（t/m3）；CD—速度力系數(shù)，取1.2；D—圓柱體頂推平臺直徑（m）；u—水平狀水力運動速度（m/s）；CM—波浪力速度慣性系數(shù)，取2.0；A—圓柱體頂推平臺截面面積（m2）；t—波浪力作用時間（s）。

此外，在本橋梁碼頭鉆孔樁頂推平臺施工鋼護筒沉設過程中還應當考慮平臺頂部受激振力影響下所產(chǎn)生的水平分力對平臺的不利影響。

3.2 仿真分析

在綜合考慮本橋梁碼頭鉆孔樁頂推平臺施工過程中的荷載情況后，擬定如下幾種最不利受力工況以進行碼頭頂推平臺鉆孔樁施工過程仿真分析：施工準備階段履帶吊機行走于樁間帶鋼護筒，旋挖鉆機緊跟其后行走至設計樁位準備施工的工況一；履帶吊機位于樁間喂樁，且旋挖鉆機在頂推平臺后部鉆孔施工的工況二；頂推平臺鋼護筒施工完成后向前頂推3.0m并處于最大懸臂狀態(tài)，而履帶吊機在頂推平臺中央橫向運行的工況三。

通過有限元法分析軟件ANSYS進行本橋梁碼頭鉆孔樁一體化頂推平臺與鋼護筒在施工過程中受力狀況的模擬，并構建Beam185單元模型，為便于分析，在建模的過程中進行了頂推平臺結構的適當簡化，各部件的連接方式也簡化為節(jié)點耦合及接觸模擬形式，并按照節(jié)點力以及加速度的方式施加荷載。不同工況下頂推平臺受力情況仿真結果詳見表1。

表1 不同工況下頂推平臺受力情況仿真結果

根據(jù)上表中頂推平臺在三種最不利工況下受力情況仿真結果可知，施工機械行走于頂推平臺的狀態(tài)下所產(chǎn)生的應力值最大，本橋梁碼頭鋼護筒和頂推平臺所使用的均為Q345-B型鋼，結構最大應力出現(xiàn)在工況一下，為136.5MPa，此值比Q345-B型鋼抗拉彎折強度設計值（310MPa）小，所以本頂推平臺結構整體應力水平較低，結構穩(wěn)定可靠。根據(jù)單根鋼護筒樁頂水平荷載最大值，結合本工程橋址處地勘資料并依據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》，鋼護筒打入土層深度必須在4m以上，才能保證其水平和豎向承載力符合頂推平臺支撐強度要求，并避免鉆孔施工過程中塌孔的發(fā)生。

4.結論

通過本文分析可知，在進行水文氣象條件較為惡劣且水深、無覆蓋層的海床深水鉆孔樁施工基礎工作平臺設置時，因平臺樁深入基巖深度淺，采用頂推平臺結構能保證工作平臺穩(wěn)定牢固，依附進入巖層后穩(wěn)定的固定導向框結構進行鋼護筒鉆孔施工。本文所提出的基于頂推平臺的鉆孔樁施工技術對于中長周期波浪且無覆蓋層的碼頭工程鉆孔樁施工較為適用，施工安全性與工效均較高。