浅无覆盖层平台设计及抗台加固施工技术

·桥涵工程·1浅无覆盖层（裸岩区）平台设计及抗台加固施工技术摘要本文依托新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥浅无覆盖层（裸岩）钻孔平台，从钻孔平台的结构设计、平台搭设施工、加固处理等方面进行了介绍，满足台风区深海裸岩平台设计及施工的目的，为以后类似工程提供参考和借鉴。关键词裸岩区钻孔平台设计加固施工技术中图分类号文献标识码文章编号TheDesignofPlatformforDrillingintheUncoveredRockAreas&TheTechnologyofReinforcementPlatformtoAgainstTyphoons(ChinaRailwayConstructionBridgeEngineeringBureauGroup1stEngineeringCO.,LTD，LiaoningDalian116033,China)AbstractInthispaper,basedontheconstructionoftheplatformfordrillingintheuncoveredrockareasoftheDualHighwayAndRailwayBridgeSpanningThePingtanChannelintheNewFuzhoutoPingtanRailway.Giveabriefstatementofthemainpointsofthedrillingplatformstructuredesign,platformbuiltforconstruction,reinforcementtheplatform.Providingareferenceforfuturesimilarengineeringconstruction.Keywordsuncoveredrockareas;designofplatformfordrilling;reinforcement;technology1工程概况1.1工程简介新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥北东口水道段全长3712m，公铁主跨均采用92m+2×168m+92m预应力混凝土连续刚构，其余桥跨铁路为64m、40m简支梁。全桥共设置59个墩台，B41#～B55#墩位于深水裸岩区（共15个墩）。1.2施工条件1.2.1水文条件1.2.1.1气象桥位处属于亚热带海洋季风气候，百年重现期10min平均最大风速V10＝45.8m/s；5月中收稿日期：2015年6月30日基金项目：无平均风速和级速12级，登陆及影响区域的台风主要出现在6～9月，年平均3.8次，全年≥6级大风天数达到309d；全年≥7级大风天数达到234d；全年≥8级大风天数达到123d；5～6月为雨季，月最高雨日18d。1.2.1.2潮汐、潮流海域潮型属正规半日潮，最大潮差达7m；涨潮历时平均为5h59min左右，落潮平均为6h26min左右；桥位处100年重现期最高潮位为4.65m，100年重现期最低潮位为-3.79m；沿岸岛屿之间及水道内一般为往复流，最大流速为2.23m/s，正常流速为1.03m/s。1.2.1.3浪高海坛海峡北东口波浪系由风成浪和涌浪组合的混合浪，100年重现期H1%波高4.65m，周期7.1s，50年重现期H1%波高4.3m周期6.8s，历史出现最大波高为16m，周期9.3s。1.2.2地质条件桥址区的岩土层按其成因分类主要有：第四系坡积层（Q4dl）块石土，第四系残坡积层（Qel+dl）粉质黏土夹碎石，白垩系下统石帽山组（K1sh）凝灰岩，燕山晚期（γδ5）花岗岩。其中海床表层以强风化花岗岩为主，呈灰黄～肉红色，中粗粒结构，块状构造，岩体较破碎，抗压强度达·桥涵工程·270MPa以上。1.3工程特点桥位区水深、浪高、流急的影响较大，浅无覆盖层（裸岩）和不均匀球状风化海床钻孔桩施工平台的搭设，钢护筒的沉放定位，以及钻孔桩施工过程中钢平台的整体稳定与安全控制难度高[1]。季风及台风的影响贯穿施工全过程，钻孔平台结构的设计必须考虑季风、台风的影响，考虑相应的安全措施抗风、波流力的冲击。2钻孔平台结构2.1钻孔平台的布设钻孔平台需满足冲击钻成孔、吊放钢筋笼、桩基混凝土灌注、承台及墩身施工、材料堆放等功能施工作业，为了满足100t履带吊行驶及工作，考虑在承台横桥向单侧设置钢管桩形成支栈桥，支栈桥及钢护筒通过特种桁梁连接形成整体钻孔平台结构。2.2平台结构的选定钻孔平台结构由钢管桩组成支撑体系，钢管桩之间采用联结系纵横连接，在钢管桩顶设置横梁，横梁上放置承重梁，主梁铺设分配梁，顶面铺设花纹钢板形成整体平台结构。由于浅无覆盖层（裸岩）钢护筒不能打入基岩，无法实现自稳，故钢护筒在没有形成整体基础前只考虑结构受力，不进行整体稳定性受力分析；待水下不离散混凝土基础施工完成后再对平台整体稳定性进行分析。3钻孔平台结构的设计3.1钻孔平台结构构造钻孔平台主要由平台钢管桩、管桩连接系、桩顶横梁、特种桁梁、平台面板等组成。见图1、图2。钢管桩采用φ1420×16mm钢管，纵横向间距8m，钢管桩纵横向之间采用φ630×10mm钢管连接形成支撑体系；桩顶设置2HN900×300mm横梁；上部结构梁部采用间距@90cm特种桁梁，并用花窗连接成整体；分配梁采用工20b，面板采用δ=10mm花纹钢板。考虑现场吊装、减小海上施工时间、缩短工期、提高施工效率，面板采用制式板结构即分配梁和面板设计成统一尺寸的平台板在加工厂加工制作运输至现场吊装。图1钻孔平台平面结构图图2钻孔平台立面结构图3.2设计准则3.2.1标高的确定H=h1+0.5h2+h3+h4=4.33+0.5×2.71+2.21+1.0=8.895m取平台顶标高9.0m。其中h1—20年重现期高水位；h2—10年重现期波高；h3—上部结构高度；h4—安全高度，取1.0m；·桥涵工程·33.2.2钢管桩的计算厚度钢管桩壁厚考虑预留腐蚀厚度。参考海域腐蚀速度0.4mm/年，设计壁厚=计算厚度+2mm。3.2.3设计准则⑴设计使用年限：5年。⑵钻孔平台根据钢筋笼等吊重选择100t履带吊通行、吊装作业。⑶设计条件见表2：表2设计条件表序号类型施工情况1≤7级风结构自身施工2≤8级风结构处于正常工作状态3≤14级风在风荷载、水流力及波浪力等荷载作用下，主体结构不被破坏⑷设计方法：平台结构采用以概率论为基础的极限状态设计法，用分项系数设计表达式进行设计[1]。⑸材料的选用：钻孔平台结构中特种桁梁采用Q345,其它构件均采用Q235。Q345、Q235材料参数取值详见《水运工程钢结构设计规范》（JTS152-2012）[2]、《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[3]。3.2.4荷载计算及组合作用在结构上的荷载分为恒载和活荷载。对恒载采用标准值作为代表值，极限状态设计法设计时，对活荷载采用标准值或组合值为代表值。3.2.4.1荷载计算在结构设计中，荷载种类及计算如下：⑴根据结构设计方案确定；⑵平台布置4台冲击钻；⑶100t履带吊起吊钢筋笼或钢护筒：2-7780×950mm；⑷管线荷载：2.0kN/m；⑸施工人员、施工机具荷载：2.5kN/m2⑹风荷载：根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[4]第11“风荷载”作用于港口工程结构上的风荷载标准值：kPazsk51.00⑺水流力：根据《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）[5]第13“水流力”作用于港口工程结构上的水流力标准值：gVAFw2C2W⑻波浪力：管桩波浪力按《海港水文规范》（JTS145-2-2013）[6]第8.3“波浪对桩基和墩柱的作用”来计算。H/d≤0.2且d/L≥0.2，按《海港水文规范》（JTS145-2-3013）8.3.2.2计算：2Im2KAHCPMax⑼船舶及漂浮物冲击荷载：平台设计应按规定设置临时防撞结构，结构本身不考虑承受撞击力3.2.4.2荷载工况结构设计时计算时应考虑以下工况及各种工况下参数的取值见表3。表3荷载工况参数取值表设计工况风级风速/（m/s）水流流速/（m/s）浪高/m波长/m周期/s施工状态7级17.11.11.345.55.4工作状态8级20.71.621.645.55.4极限非工作状态14级45.42.234.6578.47.13.2.4.3荷载组合对于平台结构的极限状态，按荷载效应的基本组合进行荷载（效应）组合，基本组合下结构的荷载分项系数，见表4。表4荷载组合表设计工况平台荷载组合计算强度计算刚度施工状态Ⅰ1.2×①+1.4×（⑥+⑦+⑧）①+⑥+⑦+⑧工作状态Ⅱ1.2×（①+④）+1.4×（②+③+⑤+⑥+⑦+⑧）①+④+②+③+⑤+⑥+⑦+⑧极限非工作状态Ⅲ①+④+⑥+⑦+⑧--·桥涵工程·43.2.5验算准则施工状态下，平台结构应满足自身施工过程中的安全；在工作状态下，平台应满足正常车辆通行的安全和适用性的要求、并具良好的安全储备，7级风以上应停止平台上的吊装施工作业，8级风以上平台禁止通行；在极限非工作状态下，平台主体结构不被破坏。3.2.6应力分析按照工序分两种工况及结构受力分析：一种是支栈桥完成锚桩后与钢护筒共同受9级风的作用结构受力分析；第二种是完成模袋混凝土围堰及水下不离散混凝土基础后受14级台风的作用结构受力分析和平台的稳定性。⑴平台受9级风的作用结构受力分析通过采用MidasCivil建模计算分析第一种工况结构形式，受力结果如下表3：图39级风作用工况下受力分析图表5计算结果一览表结构形式钢管桩铁建桁梁应力/Mpa反力/kN桩顶位移/mm应力/Mpa扰度/mm第一种工况17292022828020.6⑵平台受14级台风的作用结构受力分析和平台的稳定性针对混凝土与海底基岩胶结面实际情况，通过现场和室内试验研究，根据试验研究成果及现场实际情况，综合对各种影响因素分析，得到水下不离散混凝土与岩面胶结面的整体抗剪强度参数值，确定平台设计参数和平台整体稳定性。基底摩阻力试验分两部分进行：一是水下不离散混凝土与强弱风化花岗岩接触面摩阻力室内试验研究；二是现场浇筑水下不离散混凝土与强弱风化花岗岩接触面现场剪切试验研究。充分考虑胶结面基岩面和水下不离散混凝土的性质、法向应力状态，基岩表面清洁度、水的弱化作用、胶结面的粗糙程度及基础尺寸效应等因素影响，以现场原位试验为基准，结合室内试验数据，综合考虑以上影响因素，总结出基岩面与混凝土胶结面摩擦系数和整体粘聚力公式为01=sdyhcffKKKKKKfA⑴01=sdyhcfcKKKKKKcA⑵将各个影响因素系数代入公式⑴、⑵中，计算得到水下不离散混凝土与基岩胶结面的整体抗剪强度参数值：=0.490.58f，=6998ckpa。以此为依据对平台整体的受力及稳定性进行检算。稳定性分析如下图4：图414级风作用平台稳定性受力分析图通过计算分析，在完成模袋混凝土围堰及水下不离散混凝土基础后受14级台风的风、浪、流等荷载作用下，平台整体结构稳定，能满足受力要求。3.3设计结论经计算分析该钢护筒参与受力结构形式的钻孔平台满足施工要求。本设计中的组焊结构应·桥涵工程·5满足《钢结构工程施工及验收规范》（GB5205－2001）要求[7]。特种桁梁、管桩等型钢构件采用防腐处理。4钻孔平台搭设及加固根据设计图纸、前期海洋扫测资料及现场试桩情况，采用打桩船直接插打法施工，浅无覆盖层（裸岩区）打桩利用低平潮水位快速搭设起始平台钢管桩，迅速形成稳定单元体（4～6根一组，一个平潮期完成），临时连接系快速连接，并安装永久联结系形成锚桩平台，锚桩完成后利用既有的稳定单元为起始平台扩展成为支栈桥，支栈桥锚固稳定后插打钢护筒，钢护筒与支栈桥连接成整体，平台形成后采取水下围堰，浇筑不离散混凝土进行平台稳固处理，保证施工平台结构稳定。4.1平台搭设4.1.1钢管桩插打4.1.1.1打桩船、桩锤的选择打桩船的选择根据水深、浪涌等水文条件及钢管桩的长度、重量等因素确定。桩锤根据桩形状、尺寸、重量、打入长度、地质条件等多方面因素确定。4.1.1.2插打工艺流程见图5图5钢管桩