“板凳樁式”水上鉆孔平臺在樁基工程中的應用

韓 冰

（上海交通建設總承包有限公司，上海 200136）

引言

在一些水域中修建的高樁碼頭采用灌注樁等非打入式結構且無法采用筑島方式施工時，搭設固定式作業平臺是解決基礎施工設備作業平臺的常用方法。鋼平臺作為樁基施工的主要臨時場地，其結構的剛度及穩定性直接影響到后續結構的施工安全。

本文以京杭運河濟寧至臺兒莊（濟寧段）航道“三改二”工程韓莊錨泊區水上鉆孔平臺為例，采用有限元計算方法，建立了特定外界環境及水流速度下鉆孔平臺模型，計算針對地質條件限制鋼管樁入土深度較淺情況下的“板凳樁式”鉆孔鋼平臺強度、剛度與穩定性，供后續同類工程借鑒。

1 工程概況

韓莊錨泊區位于微山縣韓莊鎮西北側微山湖區，運河主航道東北側，錨泊區前沿線距設計航道中心線155 m，航道設計底高程27.3 m，岸線長1 500 m，為避讓航宇船廠進港航道，錨泊區分兩段布置，航宇船廠進港航道上游段錨泊區岸線長300 m，下游段錨泊區岸線長1 200 m，兩段均為墩式段，采用鉆孔灌注樁墩式結構，共設置75 個靠船墩，靠船墩間距為20 m，單個靠船墩平面尺寸為7.6 m×4.3 m，厚度為1.8 m。靠船墩基礎采用6 根Φ1 200 灌注樁，單根長度20 m，樁底高程為14.6 m，入土深度12.7 m，施工區域距離最近岸邊1 km 以上，均為水上施工。

2 鋼平臺施工影響因素與重難點分析

影響本工程施工平臺安全的因素眾多，主要包括工程地質條件復雜、施工水域附近船舶較多、湖內風浪、水流以及平臺鋼管樁入土深度等因素。其中最主要的影響因素為在灌注樁成孔和澆筑的過程中，完成澆筑的灌注樁，其強度和剛度還在不斷變化，這種由未施工的樁和鋼平臺系統組成的暫態結構的安全性是鋼平臺能否滿足使用要求的決定性因素。

2.1 地質條件復雜性導致鋼管樁入土困難

韓莊錨泊區1.5 km 泥面以下均勻分布粘土層、含姜石粉質黏土及強風化泥質砂巖，第一層粘土層分布層厚1～2 m，第二層為含姜石粉質粘土層，根據地勘報告該層含大量姜石，土質不均勻。該層普遍分布，層厚1.00～5.10 m，層底高程20.40～24.83 m。該地層強度低，壓縮模量Es1-2=5.38 MPa，標準貫入擊數為11.4 擊，壓縮性中等，工程地質性質一般。根據地勘報告采用DZ90 振動錘進行試樁，試樁結構鋼管樁打入該土層深度平均深度為1.5 m，鋼管樁平均入土深度僅為3 m，導致施工難度大。

2.2 人員設備投入多，安全風險高

韓莊錨泊區共有75 個靠船墩，即需要搭設38座工作平臺施工范圍內有兩條進港航道，在錨泊區范圍內待閘等候船舶眾多。由于大量的船舶在此滯留易產生船舶系纜及撞擊鋼平臺的隱患，導致鋼平臺施工安全風險較大。

2.3 平臺施工難度大，質量要求高

韓莊錨泊區施工區域距離最近岸邊1 km以上，材料及人員只能通過水路運輸到現場，而鋼平臺作為施工區域唯一的施工平臺，施工過程中各種人員、設備及材料都會在鋼平臺上，對鋼平臺的剛度及穩定性提出了較高的要求。施工區域5 m 水深使鋼材的加工及水上焊接操作難度大，地質原因致使鋼管樁每次施打完的高程不一致，需要對每個樁進行接樁或截樁，效率較低。材料方面，鋼材周轉次數多導致每次焊接及切割的位置鋼材截面削弱、強度降低。

3 鋼平臺設計主要考慮因素及措施

根據重難點分析，為了保證鋼平臺在施工期間的要求，鋼平臺的設計采取了如下的解決措施來保證平臺的質量及安全。

1）針對鋼管樁入土淺等結構強度及穩定性問題，有兩種方案可供選擇：①采用浮箱平臺進行施工的方案；②加大平臺尺寸以保證整體的穩定性。經過對比浮箱平臺存在以下兩問題：由于鋼護筒懸臂高度7 m 成孔時在水中無法定位，還是需要搭設鋼支撐進行固定，且施工水域受船行波及風浪、水流左右對浮平臺穩定性影響較大，導致成孔時擴孔、塌孔等質量問題；灌注樁需要在水上進行二次接樁，增加了施工工序，人為地提高了施工難度，并影響工期。因此，最終選擇加大平臺尺寸以保證整體的穩定性，即搭設一個鋼平臺用于兩個墩臺的施工，這樣形成了類似“板凳”的結構來克服入土深度不夠導致穩定性差的問題，同時增加縱橫向的剪刀撐以增加平臺的整體剛度，平臺設計時將后續可能產生的荷載進行動態組合，按照最不利的工況進行設計計算，以保證鋼平臺的安全。

2）針對施工現場待泊船舶較多等安全隱患問題，施工鋼平臺時水中設置浮標及警示燈將施工區域封閉，同時配置警戒艇用于對過往船舶的疏導及管理，避免船舶系纜及碰撞風險。

3）針對鋼平臺的施工質量等隱患問題采取針對性措施來保證質量，對主要的受力及傳力構件如鋼管樁及橫梁分配主梁均采用全新的鋼材，對次要受力構件嚴格控制鋼材質量，不得采用腐蝕嚴重及截面開孔等截面強度削弱的鋼材，同時對主要焊接節點如鋼管樁及橫梁的節點必須滿焊以保證模型模擬的節點與現場實際情況相符合。

4 鋼平臺設計

根據上述分析，針對韓莊錨泊區的施工特點進行平臺的設計，鋼平臺的主要尺寸如下：設計長度28 m，寬度為7 m，頂面高程為34.5 m。鋼平臺結構布置型式為：平臺基礎采用Φ720 鋼管樁共14根，其中橫向每跨設置2 根，跨徑6 m，縱向設置7 排，排距間距為3.5 m+4×5 m+3.5 m，入土深度3 m，每排2 根鋼管樁上設雙拼I40 橫向分配梁進行連接，橫梁上間距0.4 m 鋪設I25 縱梁，縱梁上間距30 cm 滿鋪[14 槽鋼，其上設置1 cm 厚鋼板作為平臺面板，鉆孔平臺平面及立面見圖1 和圖2。

圖1 鉆孔平臺平面示意

圖2 鉆孔平臺立面示意

4.1 荷載及荷載組合

本水上鉆孔平臺所受荷載分恒載和活載。恒載主要為結構自重，活載考慮施工時機械設備材料（鉆機，泥漿箱等）及人群荷載、水流力、風荷載。

4.2 荷載組合

本平臺設計荷載組合采用短暫組合下的效應組合。

組合一：短暫組合的效應設計值：永久作用+可變作用，即 1.1×自重+1.3×(鉆機荷載+泥漿箱)+0.7×(1.4×水流力+1.3×風荷載)，可變作用組合系數取0.7；

組合二：短暫狀況下的正常使用極限狀態：永久作用+可變作用，即自重+泥漿箱+鉆機荷載+風荷載+水流力；

內力、應力等承載能力極限狀態計算采用組合一，撓度等正常使用極限狀態計算采用組合二。

4.3 邊界條件

入土3 m 鋼管樁周邊采用土彈簧進行模型，采用規范公式K=ab1mz計算出剛度進行模擬，樁底支撐約束平動自由度，上部雙拼I40 橫梁與鋼管樁連接采用剛性連接進行模擬，其余上面型鋼的連接均采用彈性連接進行模擬。

5 平臺計算模型及計算結果

5.1 計算模型

由Midas/Civil 建立模型計算（圖3），結構自重按實際結構自重進行加載，一個平臺上放置兩臺鉆機，鉆機荷載分為兩臺鉆機履帶平行于平臺長度方向、垂直于平臺長度方向及鉆機在鉆孔位置等三種情況下的實際站位進行加載，泥漿箱荷載考慮在泥漿箱在平臺首尾端各布置一個的實際站位進行加載（圖4）。

圖3 鉆平臺計算模型

圖4 鉆孔平臺荷載加載位置示意

5.2 鋼平臺計算結果匯總

經計算，上部結構最大正應力為Ⅰ25 縱梁162.42 MPa，最大剪應力為雙拼I40 橫梁48.21 MPa，撓度為4.66 mm，均滿足材料允許正應力215 MPa、剪應力125 MPa、撓度12.5 mm（按照單跨跨徑5 m 整體考慮）的規范要求。

表1 各構件應力撓度

5.3 鋼管樁整體穩定性分析

Midas 屈曲穩定分析原理為：根據構件靜力平衡方程：[K+λKG]｛U｝=｛P｝，得到[Keq]=[K+λKG]，如結構處在不穩定的狀態，發生屈曲失穩時，平衡方程必須有特殊解：等價剛度矩陣的行列式等于0。

[Keq]＜0：λ＜λcr不穩定平衡狀態；

[Keq]＝0：λ=λcr失穩；

[Keq]＞0：λ＞λcr穩定狀態。

其中屈曲分析中的的特征值λ就是臨界荷載系數，圖5 為鋼平臺屈服模態。

圖5 鋼平臺屈服模態示意

根據計算屈服臨界系數是8.9，此時鋼管樁壓力為90.54 MPa，根據歐拉公式計算鋼平臺長細比λ為50.2，滿足λ=150 的規范要求，所以鋼平臺強度和穩定性均滿足要求。

6 平臺應用

6.1 鋼平臺布置與監測

韓莊錨泊區共有75 個靠靠船墩，水上平臺基礎采用直徑Φ720 壁厚10 mm 鋼管，每排2 根樁共設置7 排，平臺上部結構橫梁采用雙拼I40a 鋪設，縱梁采用I25a 間距400 mm 鋪設于橫梁上，最終每個墩臺形成28 m×7 m 鋼平臺用于成孔。錘擊沉樁后，在水流力、風力等自重的作用下，樁會產生偏位和傾斜，為克服該影響及便于上部結構和鉆孔施工，在沉樁后立即進行夾樁穩固，用槽鋼20a 設置橫向與縱向剪刀撐，然后進行護筒埋設。

6.2 鉆孔灌注樁施工

錨泊區共450 根直徑Φ1 200 mm 鉆孔灌注樁，單根長20 m，設計樁頂高程為34.6 m，樁底高程為14.6 m 并進入強風化巖3 m 以上。根據現場施工條件，采用回旋鉆在鋼護筒內反循環鉆進成孔施工工藝。

經現場首件制施工總結，本平臺設計方式滿足現場施工荷載對平臺安全性的要求。

6.3 平臺拆除

鉆孔灌注樁施工完畢并檢測合格后，開始拆除鉆孔平臺。按面板、次梁、主梁自上而下的順序依次拆除。最后用振動錘拔出鋼管樁，周轉至下個墩臺使用。

7 結語

根據上述計算及結果分析，現場嚴格按照設計要求進行施工，落實相應的施工措施并嚴格控制施工質量。經現場應用，“板凳樁式”水上鉆孔平臺各主要受力桿件的強度、剛度及穩定性均能滿足施工過程中實際荷載作用下的要求。