灌注樁模塊化裝配式水上作業平臺設計與應用

陳叢文，張定野，馬云杰，盛健，張學進

（1.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000；2.中國路橋工程有限責任公司，北京 100010）

0 引言

水上灌注樁在高樁碼頭、跨海大橋、海上鉆井平臺等結構中比較常見，一般情況下均會搭建水上作業平臺進行施工。水上鉆孔作業平臺的搭設方式較多，其中最常見的結構形式是以輔助鋼管樁作為支撐樁，以型鋼或貝雷梁作為主次梁使用釣魚法推進搭建，因作業空間受限，平臺搭設效率較慢，平臺搭設因空間不足無法做到與使用同步，故許多項目對水上作業平臺的結構形式和施工工藝進行了調整，如張連江等依托港珠澳大橋項目設計了一種整體裝配式的灌注樁施工平臺[1]，劉忠友等在寧高項目中設計了一種裝配式鋼棧橋[2-3]等，其目的均在于提高平臺搭設效率，使施工進度得到保證。印尼奧比島的Persada 4B 泊位項目結合現場實際作業情況，創造性地設計并使用了一種全裝配式的水上灌注樁作業平臺，該平臺既能滿足施工需要，又能在施工過程中根據工況靈活調整，具備一定推廣意義。

1 工程概況

1.1 項目概況

印尼奧比島PT TBP 特殊用途港口（Persada 4B）項目碼頭總長度155 m，由1 座工作平臺和1座系纜墩組成，碼頭平臺寬度為25 m，頂面標高+5.30 m。碼頭采用高樁梁板結構，共20 個排架，排架間距為8 m，每個排架布置7 根φ900 mm 鋼管組合樁，上部結構采用現澆橫梁、預制縱向梁系及預制面板，通過現澆面層連成整體。系纜墩尺寸為10 m×10 m，頂標高為+5.30 m，設置9 根φ1 000 mm 鋼管樁，上部為現澆墩臺，通過鋼棧橋與碼頭平臺連接，碼頭斷面見圖1。

圖1 碼頭結構斷面圖Fig.1 Cross section diagram of the wharf

碼頭鋼管組合樁為鋼管樁+灌注樁的結構形式，外側為鋼管樁，內芯為鉆孔灌注樁，鋼管樁長度范圍為16.4～25.5 m，內芯灌注樁樁底標高為-19.0 m，鋼管樁底標高未達到-19.0 m 時，內芯灌注樁樁底標高根據鉆孔可達標高控制且不得低于鋼管樁底標高。

碼頭距離后方岸線30 m，水深10～15 m，其鋼管樁部分可以由打樁船直接打設，灌注樁部分則需搭建水上作業平臺實施鉆孔作業。

1.2 方案比選

1）施工區域表土為珊瑚礫砂且存在一定橫向坡度，搭建作業平臺輔助樁施工時樁長選取及豎向承載力均較難控制，故考慮搭設施工平臺時直接由工程實體鋼管樁作為支撐樁，由高應變檢測結果可知，鋼管樁的豎向承載力值為3 600～4 600 kN，可滿足施工作業平臺豎向受力要求；

2）施工平臺主要供組合樁的灌注樁樁芯施工使用，平臺上施工荷載主要為XR220D 旋挖鉆荷載、徐工55 t 履帶荷載、施工人員荷載以及灌注樁施工用的導管及小型設備荷載等，可以考慮使用大型鋼或貝雷梁作為作業平臺橫縱梁結構；

3）貝雷梁結構與型鋼主次梁結構進行對比分析后，平臺結構定為抱箍支撐+主梁+次梁方案，相比貝雷梁結構有以下幾個優勢：

①貝雷梁結構平臺單跨重量67.44 t，主、次梁方案為50.13 t，每跨節省17.31 t，經濟上具備一定優勢；

②貝雷梁高度較高，會增加整體作業平臺的高度，因此平臺底部支撐將會更低，受潮水影響大，制約施工效率，若采用主次梁結構可將整個平臺的底標高提高1 m 左右，減小潮水對施工作業的影響，同時減小風浪對整個平臺的影響；

4）采用鋼管樁作為平臺支撐，由于鋼管樁需要繼續鉆芯打灌注樁，故采用傳統的施工平臺搭設方式，即在樁頂直接架設主梁的方式并不可行。考慮到這一點，主梁需要從樁側架設，工藝可以選擇焊接牛腿或安裝鋼抱箍。經過工藝對比，考慮到牛腿焊接對鋼管樁的防腐層破壞較大，且牛腿焊接受潮水影響作業時間有限，本項目選擇了鋼抱箍支撐工藝。

5）為平臺搭拆方便，考慮將整個施工作業平臺設計成模塊化，減少起重設備占用時間及搭設時型鋼之間相互連接的工程量。

2 方案設計

2.1 平臺結構形式

平臺以鋼管樁作為支撐樁，頂標高2.55 m，平臺與樁頂平齊。以鋼抱箍作為主梁支撐，自下至上依次是HN450×200 型鋼主梁、HN450×200型鋼次梁以及10 mm 鋼板面板。主梁搭接在抱箍牛腿上，間距為1.1 m/6.9 m，最大跨距為4.4 m，次梁與主梁采用簡支搭接，搭設間距為0.6 m，跨距為6.9 m。

整個項目的作業平臺共制作3 跨，3 跨總面積為600 m2，可滿足施工作業的空間需求，平臺結構形式見圖2。施工過程中，隨著樁基施工的逐步向前推進，平臺可逐跨交替向前周轉。

圖2 作業平臺設計圖Fig.2 Design drawing of the operation platform

為方便平臺拆裝，平臺次梁與面板按區域劃分成數個模塊，每個模塊的次梁與面板焊接成為整體，底部使用HM200×150 型鋼橫向連接作為分配梁，不同模塊間的次梁在與主梁搭接的位置交替穿插安裝，如圖3 所示（設計時次梁間凈距為400 mm，次梁寬200 mm，故可順利穿插）。規范要求直樁的樁位偏差為200 mm[4]，穿插后的次梁富余度恰好可以抵消樁位偏差對平臺搭設造成的影響。單跨平臺共制作成11 個模塊，平臺向前倒運時直接吊運模塊放置在下一跨主梁上即可。單個模塊板如圖4 所示。

圖3 平臺模塊板相互插接示意圖Fig.3 Schematic diagram of mutual insertion of platform module boards

圖4 平臺模塊板設計圖Fig.4 Design drawing of platform module board

平臺上施工設備為XR220 旋挖鉆機及徐工55 t履帶吊，旋挖鉆用于灌注樁成孔作業；履帶吊用于平臺安拆、鋼筋籠下放以及灌注樁混凝土施工作業。

2.2 模型計算

為保證作業平臺的整體安全性，進行安全核算時考慮使用Midas Civil 整體建模核算，以施工實際情況為準，將3 跨平臺模型全部建立后再行分析，避免因建模跨數過少對受力分析結果造成一定影響。

1）模型建立

根據鋼管樁的間距建立4 跨共28 根鋼管樁，鋼管樁底部直接設定剛性約束，不與平臺發生其它連接，鋼管樁建立的目的為核驗整個平臺建模后的相對位置，各構件是否與鋼管樁發生沖突；根據位置對平臺的主次梁及面板等進行逐步建立，主梁考慮在抱箍牛腿位置建立剛性節點，節點與主梁間建立彈性連接，彈性連接建立時沿彈簧SDX 數值取100 000 kN/m，垂直彈簧方向的SDY及SDZ 取100 kN/m，使用彈性連接來模擬主梁放置在抱箍上的工況，這樣建立的模型豎向幾乎不發生相對位移，水平方向也能夠具有一定的摩擦力；次梁與主梁也通過這種彈性連接的方式建立。整體模型建立完成后如圖5 所示。

圖5 Midas 整體模型圖Fig.5 Midas overall modeling diagram

計算荷載考慮平臺自重（荷載分項系數1.2）、施工人員及小型機具荷載（2.5 kN/m2，荷載分項系數1.3）、XR220D 旋挖鉆施工荷載（按照旋挖鉆自重76 t+20 t 施工荷載考慮，履帶平均壓強105 kN/m2，荷載分項系數1.4）、55 t 履帶吊荷載（履帶平均壓強80 kN/m2，荷載分項系數1.4）[5]。

模型計算時選取了4 個旋挖鉆作業工況，分別為：

①旋挖鉆位于主梁跨中，且每條履帶正下方僅1 根次梁；

②旋挖鉆位于主梁跨中同時位于次梁跨中；

③旋挖鉆2 條履帶分別對稱位于不同跨次的梁上；

④旋挖鉆位于主梁最大跨距位置同時位于次梁跨中。

55 t 履帶吊重量及履帶比壓均小于76 t 旋挖鉆，故未單獨進行工況驗算，施工計算時選取了2 個履帶吊作業工況，與旋挖鉆同時坐落在平臺上進行分析，履帶吊選取工況如下：

①履帶吊位于次梁跨中，2 條履帶與次梁垂直；

②履帶吊2 條履帶分別位于不同跨次梁上，即履帶吊騎在樁軸線上。

根據以上2 個工況條件，共可得到8 組荷載組合，基本可以覆蓋所有工況。

2）模型計算結果

計算后得出主梁最大支反力為557.3 kN，同一根樁上的2 根主梁最大支反力之和為835.3 kN，主梁最大組合應力為126.9 MPa，次梁最大組合應力為213.7 MPa，連梁最大組合應力為96.4 MPa。均小于215 MPa[2]，滿足規范要求。

由此得出平臺的主、次梁受力均能滿足施工要求，平臺抱箍需要按照單側牛腿可承受支反力不小于557.3 kN，抱箍與鋼管樁之間的摩擦力不小于835.3 kN 進行設計。

2.3 抱箍設計

抱箍的受力在2.2 節已經計算得出，即牛腿受力不小于557.3 kN，整個抱箍受力不小于835.3 kN，以此進行抱箍設計。

抱箍是通過抱緊后鋼樁之間的摩擦力來抵抗自身承受的支反力，摩擦系數μ 的取值與接觸面的粗糙程度有關，接觸面的粗糙程度無法量化，本項目選取了類似項目中的摩擦系數取值，即μ=0.3 來計算[6]。為了避免實際工程中摩擦系數μ 達不到0.3 的取值，本項目在抱箍設計時考慮了將抱箍極限承載力提高至施工需求的120%，以增加整體結構的安全性。

另外在項目的抱箍設計時考慮了牛腿、箍板、螺栓3 部分主要受力結構的匹配性，先進行牛腿極限受力的核算[7]；然后以此作為箍板需提供的最大摩擦力來選取箍板的截面尺寸；最后再通過箍板的摩擦力反算螺栓的預緊力，并選取螺栓的尺寸及數量。通過這個計算思路，使牛腿、箍板、螺栓3 部分能夠為抱箍提供的極限力基本一致，避免了設計抱箍時出現“大抱箍、小牛腿”、“大箍板、細螺栓”等現象。

抱箍箍板為20 mm 厚鋼板，由2 個半圓形組成，總高550 mm，其內徑與鋼管樁直徑相同；牛腿采用HN450×200 型鋼制作，每側2 個牛腿，并各設置1 道加強肋板；抱箍通過M30 高強螺栓緊固（S8.8 級）在鋼管樁上，每一套抱箍共需要24 個螺栓；抱箍設計圖見圖6—圖7，為增大摩擦力，抱箍內側粘貼5 mm 厚橡膠板。

圖6 鋼抱箍示意圖Fig.6 Schematic diagram of steel hoop

圖7 抱箍肋板與連接板詳圖Fig.7 Detailed drawing of steel hoop rib plate and connecting plate

經計算抱箍單側牛腿能夠承受的最大承載力為1 129 kN，抱箍能夠承受的最大承載力為1 206 kN，此時M30 高強螺栓扭緊力矩為100.5 kg·m，可滿足施工要求。

3 應用及效果

3.1 抱箍安裝

鋼抱箍安裝前先進行樁頭割除，然后由測量員完成對抱箍安裝標高放樣。抱箍安裝使用C10.0槽鋼作為扁擔梁，可以直接掛在鋼管樁樁頂，吊裝架與抱箍間通過短鋼絲繩連接。

抱箍安裝起吊使用4 根長螺桿先將抱箍進行粗固定，使兩對抱箍對在一起固定且中間留有一定的富余量，安裝時可以先整體套在鋼管樁上；然后將抱箍通過鋼絲繩與吊架連接好后再使用履帶吊將抱箍吊至安裝位置，使吊架放置在鋼管樁頂部，抱箍恰好抱在鋼管樁上，如圖8 所示。抱箍放置好后用2 根對稱的1 t 倒鏈根據標高調整抱箍安裝高度，以滿足施工要求；然后擰緊兩側各1 根抱箍螺栓，使抱箍通過摩擦力在高度位置上臨時固定；最后使用氣動力矩扳手緊固所有抱箍螺栓至設計力矩，每個螺栓緊固3 遍，避免在緊固后續螺栓時先前擰緊的螺栓松動。

圖8 抱箍臨時固定示意圖Fig.8 Schematic diagram of temporary fixation of steel hoop

3.2 主梁架設

平臺主梁總長度為26 m，使用2 根HN 450×200 型鋼制作而成，主梁每隔2 m 設置一處加強肋板，主梁安裝采用履帶吊整體吊裝，施工中使用兩點吊即可。

兩側主梁安裝完成后，通過對拉螺桿拉結固定，保證主梁安裝穩固，不發生傾覆。本項目使用φ16 mm 對拉螺桿，在排架上每2 個樁之間設置1 道，7 根樁共設置8 道對拉。

3.3 上部模塊板安裝

每個模塊板設有4 個圓鋼吊點，吊點使用φ20 mm 圓鋼制作[8]，安裝時使用履帶吊直接吊裝即可。模塊板安裝前需要由測量人員在主梁上劃好刻度線，保證模塊板安裝的位置準確，在安裝過程中需要注意預留出下一跨模塊板的插接位置，避免過于偏向一個方向導致下一跨模塊板插接困難。

本項目的主梁翼緣板較短，為了避免設備在平臺上走動產生的水平應力導致平臺失穩，在模塊板安裝完成后，使用V 形鋼板卡與主梁點焊固定[2]，以起到防止主梁傾覆的作用。

3.4 平臺周轉使用

因平臺使用模塊板制作，與主梁簡支搭接，施工時比較方便向前周轉。平臺向前周轉時，首先將前面一跨的抱箍及主梁安裝完成，然后通過平臺上面的履帶吊吊運模塊至前一跨直接安裝即可，安裝方式與前文相同。

平臺共設置3 跨，在周轉過程中，其它施工材料可以放置在另外兩跨平臺上，且平臺的整個范圍內均滿足55 t 履帶吊作業要求，無需其它設備輔助作業。

3.5 實施效果

1）作業平臺的實際工效

平臺周轉工序包括安拆抱箍、搭設主梁、倒運模塊板3 道工序，其中安裝抱箍需要約1 d，搭設主梁及倒運模塊板僅需要0.5 d，加上平臺加固措施，實際施工中2 d 內即可完成一跨平臺的安拆，每個排架樁施工也需要約2 d 的時間，平臺搭拆能夠滿足灌注樁施工作業效率要求。

2）問題防范與處理

①為保證施工過程中抱箍能夠達到計算的支撐力，施工前對氣動扳手的緊固力進行了測試，確認氣動扳手的緊固力可使高強螺栓達到設計要求的扭矩且不對螺栓造成破壞；施工過程中對氣動扳手的緊固力定期校驗，避免因空壓機等設備老化造成緊固力不足；同時，為了安全起見，項目前期仍然在抱箍上增加了2 根φ32 mm 圓鋼吊筋焊接在支撐鋼管樁上作為保證措施防止抱箍滑脫造成安全風險。后經過施工驗證，抱箍未發生滑動。

②平臺設計要求鋼管樁沉樁偏差需要控制在200 mm 范圍內，沉樁過程中的樁位偏差需要作為重點控制，以免平臺搭設時出現與實際尺寸不匹配的問題。在實際施工過程中難免有部分樁位偏差較大，需要單獨處理，本項目對偏樁位置主梁的處理方法為在牛腿頂部局部調整主梁順直度，調整方式為割開主梁翼緣板并用倒鏈將主梁拉彎直至可坐落在抱箍牛腿上后再將翼緣板焊接連接，此方法調整主梁較快，且不會對受力產生較大影響；對偏樁位置模塊板的處理方法為預先制作2 塊備用模塊板，在安裝不合適的時候進行替換使用。

③平臺上旋挖鉆與履帶吊共同作業，設計核算時考慮了2 個設備在平臺上所有可能的不利工況，實際施工過程中，也對2 臺設備的相對位置進行了約束，盡量避免2 臺設備靠得過近，單個抱箍位置支反力過大的情況。本項目在平臺使用過程中，嚴格要求2 臺設備駐位位置必須相隔1塊模塊板以上，這樣便避免了單個抱箍承載力過大，極大地降低了安全風險。

④一般情況下，碼頭設計時均會存在結構縫，結構縫位置排架間距會比正常的排架間距小一些，平臺搭設需要考慮過結構段位置的搭設工藝，必要時需要單獨增加過結構段的通道設計。本項目結構縫位置采用了錯位搭接的方式，使用2 塊模塊板形成橋梁，旋挖鉆和履帶吊依次通過后再進行后續施工。

3）技術經濟效果分析

①使用工程樁作為支撐樁直接節省了支撐樁材料的投入，且避免了振動錘等機械設備的投入，材料設備投入大幅度降低；

②以抱箍作為平臺支撐，避免了焊接牛腿的趕潮作業，同時避免了牛腿割除后管樁防腐層修補工序，既保證了工程質量，又節約了人員成本；

③模塊化平臺面板設計以及周轉使用的思路，大量節約了人工和材料成本，實際實施過程中，僅投入178 t 鋼材便順利完成了碼頭及引橋共168 根樁的施工作業，經濟效益可觀。

3.6 適用性分析

1）地質條件較好，鋼管樁或鋼護筒入土較深且需要掏芯澆筑混凝土的工程。

本平臺搭設工藝能夠實施的基礎是利用工程樁作為支撐樁，這就需要工程樁在施工期能夠有足夠的豎向承載力，無論是灌注樁施工的鋼護筒還是鉆芯鋼管樁的實體樁，豎向承載力都需要滿足平臺搭設要求。

故本工藝更適用于3 種情況：

①鋼管樁或鋼護筒埋深較深，側摩阻力能夠支撐整個平臺使用荷載，且護筒底部不會因塌孔導致護筒承載力減小；

②鋼管樁的持力層為巖層，且巖面較為完整，端承力能夠保證平臺施工荷載，且施工過程中樁芯鉆孔長度不超過鋼管樁底部的項目；

③使用工程樁搭設平臺有其它用途的項目，例如進行樁芯鉆孔影響平臺自身受力結構，平臺上放置起重設備進行上部結構施工的項目。

2）混凝土供應可以在碼頭后方陸域實施的貼岸或近岸碼頭項目。

本作業平臺搭設完成后可實現水上樁基作業的鉆孔與水上起重功能，但并不能實現水上混凝土供應，例如本項目，因項目為近岸碼頭灌注樁混凝土可直接從陸上泵送。若非近岸碼頭，在進行工藝比選時還應結合水上混凝土澆筑工藝的成本與實施難度。

4 結語

該裝配式作業平臺通過工程樁、抱箍、主梁及模塊板的簡單組成即可實施，在印尼奧比島Persada 4B 泊位中成功應用，經過實踐驗證，具備以下顯著優點：

1）整個平臺的裝配率高，理論上裝配率達到100%，極大地減小了水上焊接的工作量，平臺搭設效率有顯著提高；

2）通過抱箍作為平臺支撐，支拆迅速、結構安全可靠，且不會對鋼管樁的防腐層造成破壞；

3）根據樁位間距匹配設計模塊板，使模塊板既能夠適應平臺上設備的起重能力，又能夠達到整體周轉的實際效果，工藝簡潔、組拼方便；

綜上，模塊化裝配式水上作業平臺可為類似項目提供新的思路，具有一定的推廣借鑒意義。