代筠杰, 李 輝, 劉才華, 陳明浩, 林賢光

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖北 武漢 430074; 2. 鄖西縣公路局, 湖北 十堰 442600;3. 武漢交科工程咨詢(xún)有限公司, 湖北 武漢 430063; 4. 湖北省路橋集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢 430052)

近年來(lái)，水上構(gòu)筑物特別是深水大跨橋梁的大量出現(xiàn)使得深水基礎(chǔ)施工技術(shù)不斷發(fā)展[1]。施工平臺(tái)的施工技術(shù)經(jīng)歷了利用鋼管樁單獨(dú)受力建立施工平臺(tái)、利用鋼護(hù)筒單獨(dú)受力建立施工平臺(tái)和利用鋼管樁和鋼護(hù)筒共同承力建立施工平臺(tái)的發(fā)展過(guò)程[2～4]。本文以一座公路大橋?yàn)楣こ瘫尘埃榻B大跨橋梁深水基礎(chǔ)施工技術(shù)及其計(jì)算方法，重點(diǎn)介紹了鋼管樁和鋼護(hù)筒共同承力施工平臺(tái)。

1 工程概況

一座公路大橋?yàn)?3+125+73 (m)預(yù)應(yīng)力箱形截面連續(xù)剛構(gòu)，橋梁全長(zhǎng)280.7 m。設(shè)計(jì)行車(chē)速度為40 km/h，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅱ，橋面寬度8.5 m，雙向兩車(chē)道。本橋1#和2#橋墩為樁基承臺(tái)薄壁墩，主墩承臺(tái)厚4.0 m，基礎(chǔ)采用樁徑2.5 m的鉆孔灌注樁，基樁按縱向、橫向均為兩排布置，每墩共4根樁。

樁底植入微風(fēng)化絹云母石英片巖，其承載力基本容許值[fa0]=1500 kPa。橋墩為高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，水底以上樁基長(zhǎng)達(dá)34.0 m左右。橋型布置如圖1所示。

2 深水基礎(chǔ)施工

2.1 水上施工平臺(tái)

水上施工平臺(tái)是為鋼護(hù)筒豎立埋設(shè)、鉆機(jī)鉆孔、灌注水下混凝土等施工需要而搭設(shè)的。它是鉆孔樁施工時(shí)鋼護(hù)筒下沉、鉆機(jī)鉆孔和水下混凝土灌注的水上作業(yè)平臺(tái)，同時(shí)也作為承臺(tái)施工時(shí)鋼吊箱圍堰施工的作業(yè)平臺(tái)。為確保安全可靠、科學(xué)合理，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文條件、施工機(jī)械設(shè)備、荷載情況、工期安排等因素進(jìn)行綜合考慮[5]。

圖1 橋型布置/ cm

深水樁基礎(chǔ)施工平臺(tái)采用固定平臺(tái)形式[6]，以鋼管樁受力為主，鋼護(hù)筒受力為輔，并依靠鋼管樁間多道縱橫向聯(lián)結(jié)來(lái)保證其整體穩(wěn)定，主墩工作平臺(tái)平面尺寸根據(jù)主墩承臺(tái)的大小及施工作業(yè)需要而定，為鉆孔樁本身施工和后續(xù)承臺(tái)套箱圍堰拼裝、下沉提供寬闊的作業(yè)面。

根據(jù)孔深、樁徑、鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性要求，并考慮到鉆孔施工過(guò)程中免受水浸泡等因素，確定鉆孔平臺(tái)順橋向13.5 m，橫橋向21.6 m，鉆孔平臺(tái)頂面標(biāo)高為256.0 m。施工平臺(tái)由14根直徑600×10 mm鋼管樁支承，鋼管樁間用I25工字鋼和I14槽鋼焊接連接成平聯(lián)和斜撐，鋼護(hù)筒與鋼管樁間通過(guò)I25工字鋼連接，鋼護(hù)筒間用I25工字鋼焊接連接，兼做泥漿循環(huán)系統(tǒng)。施工平臺(tái)起重梁為貝雷支撐架聯(lián)結(jié)的單層4排貝雷片主梁；鉆孔平臺(tái)分布梁為I25a工字鋼，平臺(tái)頂面平鋪厚10 mm鋼板[7]。

平臺(tái)的搭設(shè)采用20 t汽車(chē)吊配合30 kW振樁錘進(jìn)行施工，鉆孔平臺(tái)可為鋼護(hù)筒下放及樁基礎(chǔ)施工提供工作平臺(tái)，同時(shí)作為鉆樁設(shè)備、材料的堆放場(chǎng)地，并在承臺(tái)及墩身第一節(jié)施工時(shí)能利用龍門(mén)吊吊裝材料，進(jìn)行材料運(yùn)輸。

施工時(shí)，首先在岸邊控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀確定鋼管樁的準(zhǔn)確位置，用打樁船的振動(dòng)錘振打鋼管樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后由浮吊將事先在平板船上組裝好的承重縱梁進(jìn)行吊運(yùn)安裝。

當(dāng)平臺(tái)支承鋼管樁和平臺(tái)承重梁施工完畢后即開(kāi)始下沉鋼護(hù)筒。由于護(hù)筒需下沉到基巖一定深度，故應(yīng)采用沖擊鉆機(jī)成孔，平臺(tái)布置一臺(tái)鉆機(jī)施工。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于鉆機(jī)的振動(dòng)對(duì)樁護(hù)筒的影響較小，采用鋼管樁水中平臺(tái)方案施工，發(fā)揮浮吊和浮箱的作用，成本經(jīng)濟(jì)、方便易行。

2.2 鋼管樁、鋼護(hù)筒設(shè)計(jì)與制作

受庫(kù)區(qū)水位影響，施工最大水深在30 m以上。鋼管樁選用Q235-A鋼板加工制成。鋼管樁長(zhǎng)50 m，為了保證鋼管打入河床后能夠穩(wěn)定，所打鋼管樁均與2根直徑2.6 m長(zhǎng)6.0 m的鋼護(hù)筒浮式定位架聯(lián)接，浮式定位架由4對(duì)8根錨繩固定，錨繩的夾角應(yīng)控制在≤45°，鋼絲繩從鋼護(hù)筒浮式定位架底部穿過(guò)，形成整體，確保管樁位置準(zhǔn)確和穩(wěn)固。

鑒于主墩樁基直徑為2.5 m，鋼護(hù)筒尺寸擬采用內(nèi)徑2600 mm、壁厚12 mm的Q235-A鋼板加工制成。每根鋼護(hù)筒長(zhǎng)43 m，單根重約40.3 t，2個(gè)主墩8根鋼護(hù)筒總長(zhǎng)344 m，總重約322.8 t。該鋼護(hù)筒的特點(diǎn)是：直徑大，護(hù)筒長(zhǎng)，覆蓋層淺，自由長(zhǎng)度長(zhǎng)，樁位垂直度控制精度要求高，護(hù)筒作為主墩樁基的一部分不拆除，并在鉆孔樁施工時(shí)兼作承重平臺(tái)的支撐管樁。

2.3 鋼管樁錘擊打設(shè)

打樁時(shí)，先將全站儀架設(shè)在導(dǎo)線點(diǎn)上，校正樁的垂直度，并保持錘、樁帽與樁在同一縱軸線上，然后空打1～2 m，再次校正垂直度后正式打樁。當(dāng)沉至一定深度并復(fù)核沉樁質(zhì)量良好時(shí)，繼續(xù)打擊。鋼管樁直接開(kāi)口打入，土體由樁底涌入樁管內(nèi)，至一定高度，測(cè)量鋼管樁內(nèi)高度，以控制貫入深度。錘擊樁頂時(shí)對(duì)樁產(chǎn)生的錘擊應(yīng)力按照80%鋼管樁材料允許應(yīng)力考慮。停打標(biāo)準(zhǔn)以貫入深度為主，并結(jié)合打樁時(shí)最后1 m平均貫入度和每根樁總錘擊數(shù)等綜合判定。平均貫入度S≤4 mm/擊[7, 8]。

打樁過(guò)程中，詳細(xì)記錄出現(xiàn)的問(wèn)題及處理措施等。施工期間，每日均派專(zhuān)人記載打樁記錄。記錄內(nèi)容應(yīng)包括樁號(hào)、位置、打樁設(shè)備、樁尺度型式、每50 cm打擊數(shù)、作業(yè)起始時(shí)間、每打1次貫入量、樁位偏移量、傾斜度、最后30 cm之錘擊數(shù)或最后10擊之平均貫入量與其它有關(guān)事項(xiàng)。

2.4 鋼護(hù)筒施沉

首先，在鋼管樁平臺(tái)上焊拼定位架，再利用鉆孔龍門(mén)將第一節(jié)自浮鋼護(hù)筒起吊插入導(dǎo)向架內(nèi)，利用全站儀實(shí)現(xiàn)護(hù)筒精確定位，然后逐節(jié)現(xiàn)場(chǎng)拼焊接長(zhǎng)下沉，在鋼護(hù)筒著床后，再進(jìn)行一次準(zhǔn)確定位，最后再用90 t沉拔錘錘擊到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3 管樁平臺(tái)與龍門(mén)吊計(jì)算

3.1 管樁平臺(tái)方案

管樁平臺(tái)如圖2所示。管樁頂部12 m范圍內(nèi)設(shè)置3道橫向聯(lián)系，橫向聯(lián)系采用Ⅰ20工字鋼，剪刀撐采用Ⅰ14槽鋼。龍門(mén)吊桁架如圖3所示。

圖2 管樁平臺(tái)布局 / cm

圖3 龍門(mén)吊桁架結(jié)構(gòu)圖示

3.2 計(jì)算模型

采用空間有限元分析軟件對(duì)鉆孔平臺(tái)系統(tǒng)和龍門(mén)吊兩個(gè)主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了內(nèi)力和變形等相關(guān)計(jì)算[9, 10]。管樁平臺(tái)和龍門(mén)吊桁架有限元模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 管樁平臺(tái)有限元模型

圖5 龍門(mén)吊桁架有限元模型

3.3 計(jì)算參數(shù)取值

計(jì)算中不僅詳細(xì)考慮了施工恒載，而且考慮了錘擊的沖擊力以及根據(jù)水流速度計(jì)算的流水水平力[11, 12]。管樁平臺(tái)荷載取值按照貝雷桁架的支點(diǎn)反力換算后作用在平臺(tái)的兩根挑梁上，同一側(cè)兩個(gè)荷載作用點(diǎn)間的距離為145 cm，假定貝雷桁架起吊左上角鋼護(hù)筒，則左側(cè)管樁平臺(tái)所受荷載較大，右側(cè)管樁平臺(tái)所受荷載較小。其值分別為：186.6 kN、186.6 kN、106 kN、106 kN。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1桁架分析

計(jì)算結(jié)果表明，龍門(mén)吊桁架在荷載作用下兩個(gè)支點(diǎn)豎向反力分別為93.3 kN、53 kN。龍門(mén)吊桁架在荷載作用下，最大豎向變形13.9 mm；假定一個(gè)支點(diǎn)固定，另一個(gè)支點(diǎn)可以延桁架長(zhǎng)度方向活動(dòng)，則另一個(gè)支點(diǎn)產(chǎn)生水平位移3.6 mm，即荷載作用后兩支點(diǎn)間的距離增加了3.6 mm，此增量以水平推力的形式作用在管樁平臺(tái)上。

桁架在荷載作用下，靠跨中荷載作用點(diǎn)附近的桁架上弦受軸向壓應(yīng)力為最大，其最大值為95.9 MPa，小于16 Mn鋼拉壓應(yīng)力容許值[σ]=273 MPa，安全系數(shù)約為2.8；桁架剪應(yīng)力值均較小，可不作考慮。

3.4.2管樁平臺(tái)分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大支點(diǎn)反力為217.0 kN。管樁平臺(tái)在荷載作用下，管樁頂端往內(nèi)側(cè)收攏，中部往外側(cè)膨脹，結(jié)構(gòu)在水平(長(zhǎng)度)方向最大位移0.34 mm；整個(gè)管樁平臺(tái)頂部往受力的一側(cè)偏移，最大變形為2.7 mm；在荷載作用點(diǎn)處產(chǎn)生豎向最大變形3.1 mm；管樁自身變形2.9 mm，其它管樁由于橫向聯(lián)系及剪刀撐的拉壓也產(chǎn)生了相應(yīng)的變形。

管樁平臺(tái)軸向壓應(yīng)力最大的構(gòu)件不在主支撐管上，而在受力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的管樁兩側(cè)的剪刀撐上，其最大值為20.5 MPa。管樁軸向壓應(yīng)力最大值11.7 MPa；剪應(yīng)力最大值為11.5 MPa，在挑梁上兩個(gè)荷載作用點(diǎn)之間。

深水樁基礎(chǔ)施工實(shí)施中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相一致，說(shuō)明提出的深水樁基礎(chǔ)施工方案是可行、合理的。

4 結(jié) 語(yǔ)

從深水基礎(chǔ)施工方案的實(shí)施與鉆孔平臺(tái)的空間計(jì)算來(lái)看，該施工方法不但步驟明了，成本節(jié)省，而且結(jié)構(gòu)的傳力途徑清晰、便于計(jì)算，風(fēng)險(xiǎn)較小。對(duì)于深水橋梁及深水鉆井平臺(tái)(海上地質(zhì)鉆探或石油鉆探)都有較重要的參考價(jià)值。

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