移動浮箱灌注樁施工平臺設計與應用

鄧遠經，朱其恒

（1.廣東省航運規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510050；2.中國水產廣州建港工程有限公司，廣東 廣州 510220）

水上灌注樁施工時須先行搭設施工平臺，水上施工平臺可采用筑島平臺、樁基平臺、浮式平臺、移動式自升平臺和導管架平臺等形式。其中樁基平臺是較為常見施工平臺型式，常采用鋼平臺，即下部鋼管樁基礎，上部鋼梁板的結構。其施工流程為先施工鋼管樁，再水上安裝及焊接上部結構。因樁基施工及上部安裝均在水上進行，受水上風浪流情況的影響，鋼平臺搭設的工期較長、成本高、風險大。為加快施工平臺的搭設進度，減少水上作業工程量，降低施工成本，可考慮施工平臺在陸上進行制作，焊接成一個整體，再通過起重船整體吊運安裝的方式，該方法也在水運工程施工中得到很好應用。

移動浮箱施工平臺是在整體制作吊運安裝灌注樁施工平臺方法的基礎上做進一步的創新探索，將樁基施工平臺與浮式施工平臺相結合，設計制作一種能夠無需起吊而是通過自身浮力浮運安裝的施工平臺。平臺在陸上制作完成后，依靠自身的浮箱浮運至樁基施工區域，利用駁船輔助定位后打入定位樁固定；灌注樁施工完成后，拔出定位樁，浮動平臺移動至下一組灌注樁位置定位施工。該結構型式的主要優點為：能夠在陸上進行整體的制作，減少水上安裝工作量，從而加快施工進度，節約工程成本；同時拆除及運輸方便，拔出定位樁后，可直接利用浮箱浮運，無需大型起重設備。

本文將以廣東茂名港吉達港區某管廊棧橋工程為依托，介紹移動浮箱施工平臺的結構型式、結構受力分析驗算以及實施應用情況，為類似工程的建設提供參考。

1 工程概況

1.1 結構型式

廣東茂名港吉達港區某公共管廊棧橋工程，位于茂名吉達港，為港內碼頭提供海上通道條件。管廊棧橋總長度為4076.5 m，其中陸域段管廊長度為134.2 m，海域段管廊長度為3942.3 m，棧橋寬度取為16 m。

管廊水工結構采用樁基排架結構，標準段排架間距30 m，每榀排架下方布置3 根直徑1400 mm 灌注型嵌巖樁；樁基上部設置現澆C40 鋼筋混凝土橫梁，排架之間采用箱梁結構。棧橋斷面圖見圖1。

圖1 棧橋結構斷面圖

1.2 地質條件

工程地質自上而下主要由細砂、淤泥質粉質黏土、粉質黏土混砂、中砂、粗礫砂、全風化混合巖、強風化混合巖和中風化混合巖等巖土層構成，巖面不深，有一定起伏，基礎采用灌注嵌巖樁。

1.3 水文條件

工程所處海域，設計高低水位分別為3.32m 及0.46m（當地理論最低潮面起算），工程海域年均波高小于1.5m，年均波周期小于6s。施工水域受防波堤掩護，設計波要素重現期為2 年，H1%=2.39m，H5%=2.06%，H13%=2.62m，T=5.5s，L=32m。

2 平臺結構設計

2.1 平臺尺度的確定

根據棧橋結構方案，每個排架設3 根灌注樁，施工平臺尺度需滿足三根灌注樁施工的要求，在施工平臺布置三臺沖孔機及三個泥漿池，并布置休息棚及發電機等，浮箱平臺平面尺寸確定為18.1m×13.75m。平臺頂高程按滿足設計高水位及設計波浪條件下，平臺頂面不受波浪力作用考慮，平臺頂高程確定為6.5m。

2.2 平臺結構簡述

移動浮箱灌注樁施工平臺主要由鋼浮箱和鋼結構框架兩部分組成，平臺設12 根直徑720mm 壁厚10mm的鋼導管，安裝時在導管內插入直徑630mm 壁厚8mm的鋼管樁，利用導管頂部的抱箍將導管與鋼管樁鎖定，以固定平臺。導管之間通過鋼結構桁架連接，桁架頂面依次鋪設32C 工字鋼主梁、18 工字鋼次梁以及8mm 厚鋼板。鋼桁架底部焊接3 個尺寸為12m（長）×2.5m（寬）×3m（高）的鋼浮箱。平臺平面圖見圖2，立面圖見圖3，平臺材料表見表1。

圖2 施工平臺平面圖

圖3 施工平臺立面圖

表1 平臺材料表

3 結構驗算

3.1 設計荷載

（1）永久荷載：結構自重。

（2）沖孔樁機荷載：平臺面布置沖孔樁機共3 臺，單個樁機自重200kN。

（3）施工人員、機具、材料等荷載：按5kpa 計算。

（4）靜水浮力：平臺安裝固定后，打開浮箱底部閥門，使浮箱內水位與外界保持一致，浮箱受到的浮力僅為浮箱箱身（不含內部）所受浮力。

（5）水流力荷載：設計水流流速為0.24m/s，單個浮箱受到的水流力：Fw=2.5kN，單根鋼管樁受到的水流力：Fw=0.1kN。

（6）波浪荷載：平臺頂面高程滿足不受波浪力的要求，波浪荷載主要為作用在施工平臺下方的三個鋼浮箱上的波浪力，現有水運規范中尚無波浪對浮體結構作用的相關計算公式。本工程根據設計波浪要素，通過fluent 流體仿真軟件建立二維數值水槽模型來對波浪力進行計算。模型見圖4。

圖4 浮箱波浪力計算模型

模擬計算得到單個浮箱受到的最大波浪力：設計低水位：波浪力244kN（均布6.8kPa）；浮托力296kN（均布9.8kPa）。設計高水位：波浪力377kN（均布10.5kPa）；浮托力252kN（均布8.4kPa）。

根據數值模擬結果，第一個浮箱受到的波浪力最大，將波浪力及浮托力等值添加到浮箱之上。

3.2 模型建立與分析

施工平面結構計算使用midas Civil 計算軟件建立模型，主要分析施工平臺在定位安裝后，承受上部施工荷載及水流波浪等外部荷載時的受力情況，計算模型見圖5。各構件連接為固接，樁基樁底邊界條件設置為固接支座。作用組合分別考慮設計高低水位下的結構自重、浮力、上部荷載、水流力及波浪力進行組合分析。

圖5 結構計算模型

3.3 計算結果及結論

浮箱平臺在設計荷載條件下，各構件應力能夠滿足應力限值要求，樁基受力能夠滿足抗壓及抗拔承載力要求，結構安全可靠，計算結果見表2 及表3。

表2 施工平臺各構件應力計算結果

表3 樁基內力及樁基承載力計算結果

4 現場實施

浮箱平臺在岸上進行制作，上部構件通過焊接連接，制作完成后，利用浮箱浮運至樁基施工區域，利用駁船輔助定位，將12 根Φ630 的鋼管樁插入鋼導管，鋼管樁長度為17m，鋼管樁利用振動錘沉樁完成后，利用導管頂部的抱箍將導管與鋼管樁鎖定，平臺定標高固定在+6.5m。

平臺定位安裝完成后，打開浮箱底部閥門，以調節浮箱內水位平衡浮箱浮力。平臺上部安裝3 臺灌注樁沖孔機，進行灌注樁施工，灌注樁施工完成后，關閉浮箱底部閥門，抽出浮箱內的海水，解松抱箍，利用振動錘拔樁，浮動平臺浮運至下一組灌注樁位置定位施工。施工工序流程見圖6，浮箱平臺制作現場照片見圖7。

圖6 施工工序

圖7 浮箱平臺制作現場照片

平臺安裝使用后，需定期安排測量人員對浮箱平臺進行沉降、位移觀測，對觀測數據進行分析，如發現有異常，立即采取有效措施進行糾偏。施工過程中做好充分的防風防臺預案，臺風來臨前，浮箱平臺可快速拆除避風。

5 結論

移動浮箱施工平臺是將樁基施工平臺與浮式施工平臺相結合的一種平臺型式，平臺在陸上制作完成后，依靠自身的浮箱浮運至樁基施工區域后打入定位樁固定。通過結合實際工程的設計、計算和實施應用情況，得出以下經驗結論，可供今后類似平臺結構的設計和施工提供借鑒。

（1）移動浮箱施工平臺，與傳統樁基施工平臺的主要區別是，能夠整體制作安裝，該工藝加快了施工平臺的搭設速度，減少了水上作業工作量，降低了施工成本，具有不錯的應用前景和較好的經濟效益。

（2）移動浮箱施工平臺的主要特點是安裝和拆卸方便，移動靈活且成模塊化。本工程棧橋樁基排架間距為30m，單個排架3 根灌注樁，樁基分布規則且相對分散。由此可見，移動浮箱施工平臺對大跨度排架或墩臺的棧橋結構有較好的適應性，而對于樁基集中或分布不規則的結構則適用性相對較差。

（3）移動浮箱平臺依靠浮箱進行運輸和安裝，但使用過程中，因浮箱受水流力和波浪力作用，導致整體結構受力情況較為復雜，且現行規范中尚無波浪對浮體結構作用的相關計算公式，這無疑給結構設計帶來了難度。由此可見，該類結構宜應用于水流速度較小、流態相對穩定、水位升降較慢和風浪不大的水域。