復雜水文地質條件下水上傾斜樁基施工平臺結構設計

成濤，付甦，鄧松濤

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430014；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430014；3.交通運輸行業交通基礎設施智能制造技術研發中心，湖北武漢 430014）

0 引言

水上樁基施工平臺為輔助水中鉆孔樁施工的臨時結構設施，它提供了鉆機、起吊設備作業、混凝土罐車行走、機具材料堆放的水上作業平臺。樁基施工平臺方案的選擇除了考慮機械設備、工期以及經濟等因素外，還需重點關注平臺所處區域的水文氣象、河床地形以及覆蓋層厚度等水文地質條件。目前常見的水上樁基施工平臺有鋼管樁平臺、鋼護筒平臺、鋼圍堰平臺以及浮式平臺4種形式。任回興等［1］針對蘇通大橋特殊的水文地質條件，對鋼管樁平臺和鋼護筒平臺兩種方案從安全性、經濟性以及合理性等方面進行了綜合對比分析；羅超云等［2］、王安等［3］、張明閃等［4］依托實際工程，分析了鋼管樁-鋼護筒組合平臺結構受力并介紹了相關施工工藝及施工要點；周祖清［5］依托京福鐵路古田溪特大橋7#墩樁基施工項目，該項目位于深水和傾斜、裸露、堅硬巖石河床之上，鋼管樁及鋼護筒無法打入河床穩定，經過多種方案比選，最終選擇了固腳鋼圍堰+鋼護筒組合平臺；顧元威等［6］、吳群惠［7］則分別介紹了浮動平臺和浮箱平臺在女姑山特大橋和泰和贛江特大橋樁基施工中的應用；潘一強［8］介紹了深水平臺輔助樁穩樁工藝；周宏等［9］以中埠大橋深水基礎，提出3 種護筒施工平臺搭設方案；彭光輝等［10］依托平潭海峽公鐵兩用大橋樁基施工項目，探索出安全的落巖區平臺搭設技術；范超遠［11］依托黔江特大橋樁基施工項目，針對裸巖地質提出錨桿錨固方案固定鋼管樁。

本文以岱山港魚山取水口樁基施工平臺為例，對在復雜水文地質條件下平臺設計的難點進行分析并提出相應解決辦法，對在設計過程中需要重點關注的控制點進行論述，以確保此類平臺的安全，可為類似工程的設計提供參考。

1 工程概況

擬建浙石化4 000 萬t/年煉化一體化項目配套碼頭工程取水口場地位于舟山市岱山縣魚山鄉，擬建工程主要由取水平臺和引水槽等組成。其中取水口平臺設計總長80.0 m，寬50.0 m，取水口平臺采用高樁梁板式結構，基礎形式采用灌注樁基礎，樁型采用嵌巖樁（巖面以上部分樁徑1 800 mm，嵌巖部分樁徑1 650 mm），與取水口平臺搭接的引橋樁型采用?1 200 mm 灌注樁，斜樁斜率有6∶1、7∶1、8∶1、9∶1 共4 種形式。項目所處地勢起伏較大，河床標高及泥面標高均差異較大，地層分布不均，平臺區域涉及12 處鉆孔資料，鉆孔資料顯示最小覆土厚度不足1 m，最大覆土厚度近14 m，由上至下土層大致可分為：①素填土；②淤泥質粉質黏土；③粉質黏土；④角礫；⑤強風化凝灰巖；⑥中等風化凝灰巖。

舟山地區是易受臺風影響的地區，岱山港區魚山作業區南部作業區水文測驗技術報告顯示5—11月均有臺風影響，臺風頻數5—8 月呈逐月遞增，8—11 月呈逐月遞減，臺風主要集中在7—9 月?？辈靺^屬亞熱帶季風氣候區，災害性天氣較多，春季降水豐沛，且降水時間長；初夏因冷熱高壓對峙，造成連綿不斷的黃梅雨；盛夏受太平洋副熱帶高壓控制，盛行東南風。

依據本項目總體工期要求，在臺風來臨前，要完成平臺施工任務，并確保平臺安全渡過臺風期。

2 工程難點及解決辦法

2.1 工程難點

（1）地勢起伏較大，持力層覆土厚度深淺不一，水文條件較復雜，護筒打入角度和深度均不同，樁基設計標高以及邊界條件難以確定。

（2）由于平臺需要抵抗各個方向的風-浪-流，導致單一方向側向剛度不足，不足以抵抗臺風期的風-浪-流等水平荷載。

（3）由于現場打樁船無法實時供應，平臺所有樁基需要連續施工，無法做到跟進錨固，且臺風將至，平臺搭設完成后沒有足夠工期完成所有混凝土灌注樁施工，如果混凝土灌注樁分布不合理，平臺就無法安全渡過臺風期。

2.2 解決辦法

（1）經過計算，項目部提供的樁底設計標高無法滿足抗壓承載力要求，必須保證平臺樁基全斷面打入中風化凝灰巖，沉樁主要以貫入度控制，標高作為校核標準；根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018）［12］中對彈性長樁、中長樁、剛性樁的劃分標準，平臺樁基包含了這3 種類型，其中尤以剛性樁居多。

（2）剛性樁與中長樁的分界限值為樁基入土11 m，綜合考慮建議項目部應重點在入土深度為7～11 m 的樁基位置拋填碎石，使樁基入土深度達到11 m，應選擇石質堅硬、遇水不易水解且粒徑為0.4 m 左右的碎石，適當提高覆土厚度可以突出改善介于剛性樁與中長樁之間樁基的邊界條件，進而提高平臺樁基側向剛度，但計算過程中需重點關注中長樁的樁側土壓力是否滿足規范要求。

（3）經反復試算發現，宜選擇平臺四周角部及入土較淺的樁優先進行鉆孔成樁施工，結合現場鉆孔作業條件，應避免樁位相鄰，最大程度保證現場鉆機能夠同時作業，如此可在較短工期內使平臺達到渡過臺風期要求。

3 鋼平臺設計

3.1 平臺結構

岱山港魚山取水口樁基施工平臺長、寬分別為81 m、65 m，輔助完成86 根嵌巖樁以及4 根灌注樁施工。

平臺支撐體系選擇鋼護筒+鋼管樁組合形式，平臺樁位布置圖及總平面布置圖見圖1。平臺區利用鋼護筒作為基礎，平臺外側打輔助鋼管樁，深水區采用?1 000 mm×12 mm 鋼管、淺水區采用?800 mm×12 mm 鋼管，輔助樁、鋼護筒之間采用?600 mm×8 mm 平聯和?500 mm×8 mm 斜撐連接。鋼護筒兩側設2HM588×300 牛腿，與輔助樁共同搭設主橫梁4I40a 型鋼，主縱梁采用321 型貝雷片，橫向分配梁采用型鋼I25a@200 mm，平臺立面布置圖見圖2。

平臺施工工藝流程如下：

步驟1：選擇水流流速及風浪較小時，施打鋼護筒及鋼管樁。

步驟2：鋼護筒及鋼管樁施打到位后，及時焊接平聯、斜撐、牛腿及主橫梁。

步驟3：安裝貝雷架及上部結構，逐步完成平臺搭設。

步驟4：安裝護欄及護輪坎等防護措施，設置警示標牌及功能分區警示標識。

步驟5：在臺風來臨前完成1#、10#、13#、20#、23#、34#、75#、77#、79#、81#樁鉆孔成樁施工。

步驟6：完成其他樁鉆孔成樁施工。

步驟7：平臺使用到期后，自上而下逐步拆除各構件。

3.2 設計荷載

（1）車輛/設備荷載

25 t 汽車吊，整機重33 t，最大起重量25 t，軸荷載：（74+128+128）kN，支腿跨距（橫向×縱向）：6.4 m×5.65 m。

75 t 汽車吊，整機重46 t，最大起重量32 t，軸荷載：（100+100+130+130）kN，支腿跨距（橫向×縱向）：7.90 m×8.45 m。

（2）鉆機荷載

沖擊鉆機：JKL15 t 沖擊鉆機，總重30 t，其中主機重15.2 t、錘頭重14.8 t，考慮沖擊系數1.3。

回旋鉆機：JZP300 氣舉反循環鉆機，最大重量62 t，其中主機重32 t，鉆頭配重可調節，考慮沖擊系數1.2。

（3）堆載

施工平臺考慮堆載10 kPa。

（4）水流力

水流流速V=1.4 m/s。

（5）波浪力

工作期：波高H=1 m，周期T=5.7 s；

非工作期：波高H=3.05 m，周期T=5.7 s。

（6）風荷載

工作風速：13.8 m/s（6 級）；

最大風速：37.2 m/s。

3.3 計算分析

工況及邊界條件說明見表1，每種工況均需考慮4 個方向的水-浪-流組合作用。

表1 工況及邊界條件說明

每種工況需針對表1 所列分析關鍵點進行重點研究，本工程重難點主要集中在臺風工況，故重點分析工況3 設計過程。

（1）在臺風工況中的風-浪-流水平荷載作用下，用于工況1 和工況2 中的樁基邊界條件會發生改變，部分中長樁樁側土體水平壓應力不滿足規范要求，需按剛性樁考慮，平臺樁基整體側向剛度減弱。

（2）臺風作用下，部分樁基抗拔承載力不夠，試算過程中需要釋放對應樁端豎向約束，進而又會影響周圍樁端抗拔力，由于地質條件的原因，幾乎每根樁的抗拔承載力均不相同，需不斷進行試算對比，直到所有樁基抗拔力設計值均滿足規范要求。

（3）在不錨樁的情況下，臺風工況的樁端約束與工作工況的樁端約束相比，水平方向偏柔性，側向剛度減弱，抵抗水平荷載的能力更差，平聯、斜撐的受力不滿足規范要求，需在臺風來臨前盡可能多地完成混凝土灌注樁施工，提高平臺整體側向穩定性。

本工程最大的困難在于特殊的水文地質環境導致平臺樁基單一方向側向剛度不足，可采取如下措施提高樁基側向剛度：

（1）重點在入土較淺的樁基處拋填碎石，通過提高樁基入土深度的方式使部分適用于剛性樁的樁基轉變成中長樁，能一定程度改善平臺樁基樁側土壓力狀態，提高平臺抵抗水平荷載的能力。

（2）臺風來臨前需盡可能多地完成混凝土灌注樁施工，一方面由于灌注樁本身自重的原因對抗拔更有利；另一方面其自身抗彎剛度的提高可有效提高平臺整體側向穩定性，但因為現場施工設備與工期的原因，成樁數量有限，因此混凝土灌注樁的分布位置至關重要。

Midas-Civil 中采用梁單元模擬混凝土灌注樁，無法真實考慮其自身的抗彎性能，需手算其抗彎剛度，然后代入軟件運算，嵌巖樁+鋼護筒組合抗彎剛度計算如下：

鋼筋部分：（嵌巖部分樁剖面圖見圖3）

圖3 嵌巖部分樁剖面圖（單位：mm）

鋼筋對其形心軸的截面慣性矩采用近似計算公式：

Ea Ia=2.06×108×2.26×10-2=4.65×106kN ?m2

配筋鋼管混凝土抗彎剛度為：

EI=Es Is+0.6Ec Ic+Ea Ia=1.98×107kN ?m2

與鋼護筒的抗彎剛度相比，單根護筒成樁后抗彎剛度提高了140%，由此可見混凝土灌注樁可以很大程度提高平臺的側向穩定性，應在臺風來臨前盡可能多地完成混凝土灌注樁施工。

由于現場鉆機設備有限，工期較緊，試算過程中優先選擇平臺四周角部進行成樁施工，盡量避免樁位相鄰，便于現場有足夠的施工空間讓鉆機可以同時施工作業；其次是選擇入土較淺的樁基，不僅本身抗彎剛度會提高，而且還會使剛性樁轉變為彈性長樁，可以很大程度地提高平臺側向穩定性。試算過程中需不斷修正模型的邊界條件，對于抗拔力超限的樁基應釋放其豎向約束；對于中長樁樁側土壓力超限的樁基應按剛性樁考慮。綜合以上原則最終確定至少需要完成10 根混凝土灌注樁施工，混凝土灌注樁分布如圖4 所示。

規范要求承受水平力的中長樁或剛性樁，其樁側土體水平壓應力應滿足下列要求：

①泥面以下h/3 處土的水平壓應力：

②泥面以下h處土的水平壓應力：

式中：φ為土的內摩擦角（°）；c為土的黏聚力（kPa）；η為考慮總荷載中恒載所占比例的影響系數；h為樁的入土深度（m）；γ為土的重度（kN/m3），對透水性材料，應考慮水的浮力作用。

樁側土壓力計算結果見表2，樁基拔力計算結果見表3。

表3 樁基拔力計算結果

各構件應力計算結果見表4。

表4 各構件應力計算結果

鋼護筒材質為Q345B，321 貝雷材質為16Mn，其余材料材質均為Q235B。

平臺水平方向最大位移δ=67 mm。

綜上，平臺強度及剛度在臺風工況下均滿足規范要求。

樁基承載力計算參照《碼頭結構設計規范》（JTS 167—2018）［12］，局部計算如樁基、平聯、斜撐壓彎穩定性計算參照《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）［13］，平聯、斜撐焊縫強度計算參照《鋼結構連接節點設計手冊》［14］，在此不一一展開說明。

4 結論

依托實際工程項目，通過對特殊水文地質下的傾斜樁基施工平臺抗臺風工況設計過程具體分析，得出如下結論：

（1）平臺樁基入土深淺與平臺整體側向剛度大小密切相關，當平臺整體側向剛度不足時，重點選擇在淺覆蓋層樁基處通過拋填碎石的方式來改善中長樁及剛性樁樁側土壓力狀態，進而改善平臺樁基的邊界條件。

（2）優先選擇平臺四周角部及淺覆土的樁基進行混凝土灌注樁施工，混凝土灌注樁對平臺整體側向穩定性的改善體現在兩個方面：①樁基自身抗彎性能得到顯著提升，理論計算得出配筋鋼管混凝土柱與鋼護筒的抗彎剛度相比提高了140%；②可以通過提高樁基入土深度改善樁基邊界條件，使部分剛性樁轉為彈性長樁。