超大平面深水基礎(chǔ)施工平臺方案研究

吳嬌媚

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

超大平面深水基礎(chǔ)施工平臺方案研究

吳嬌媚

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶 400067)

萬州長江公路三橋南岸主塔為大直徑、深水高樁承臺，介紹該橋施工平臺貝雷梁方案和桁架方案并將其進(jìn)行對比，提出施工平臺設(shè)計和施工中應(yīng)注意的事項。

超大平面深水基礎(chǔ)；施工平臺；貝雷梁；桁架；方案比選

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展以及對航道要求的提高，大跨度橋梁得到越來越多的應(yīng)用，其中主塔置于水中的案例也越來越多。橋梁深水基礎(chǔ)施工是橋塔(墩)施工的關(guān)鍵，水下地質(zhì)條件及施工條件對深水基礎(chǔ)施工提出了較高要求，其中施工平臺的搭設(shè)是深水基礎(chǔ)施工中的重要一環(huán)[1]。本文以萬州長江公路三橋為工程背景，介紹該橋2種施工平臺方案的對比分析及方案選取，其可為同類橋梁施工平臺設(shè)計提供參考。

1 工程概況

萬州長江公路三橋主橋為4×57.5 m+730 m+4×57.5 m雙塔雙索面混合梁斜拉橋，長1 190 m。南岸主塔基礎(chǔ)采用直徑43 m的圓形高樁承臺，承臺高8 m，設(shè)置32根Φ3.0 m 的樁基。承臺底高程為131.76 m(黃海高程，下同)，墩位處河床標(biāo)高平均為122.0 m。最低通航水位143.76 m，最高通航水位174.22 m。根據(jù)以往資料，橋位處最低通航水位水流速度2.5 m/s，20年一遇水位(164.884 m)水流速度2.0 m/s，最高通航水位水流速度0.6 m/s。橋型布置如圖1所示[2]，主墩承臺斷面如圖2所示[3]。

2 設(shè)計方案介紹

萬州長江公路三橋施工工期較長，工期內(nèi)需經(jīng)歷三峽蓄水，因此施工平臺須距地面52.2 m以上。另外，因水流流速較大，需配合鋼圍堰施工，施工過程較為復(fù)雜，從而對施工平臺的設(shè)計提出了如下較高要求：

1) 高樁承臺樁基如何成孔。

2) 施工平臺上需承擔(dān)樁基成孔設(shè)備荷載和樁基鋼筋籠吊裝荷載。

3) 施工平臺需承受圍堰安裝荷載和起吊荷載[4]。

4)在施工荷載及水流作用下如何保證施工平臺的穩(wěn)定性。

圖1 主橋橋型布置

圖2 主墩承臺斷面示意

5) 施工平臺如何適應(yīng)圓形高樁承臺且不在平臺角點附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

對于該類高樁承臺，施工中常采用鋼護(hù)筒+貝雷梁或桁架組成施工平臺[5-7]。萬州長江公路三橋設(shè)計時提出了如下2套施工方案，現(xiàn)對其分別進(jìn)行闡述。

2.1 方案1：貝雷梁方案

根據(jù)南岸主塔樁基呈行列式設(shè)計的特點，鋼護(hù)筒導(dǎo)向定位船設(shè)計采用2艘1 500 t甲駁船，在甲駁上分別設(shè)置6個導(dǎo)向架，且導(dǎo)向架對應(yīng)連接為整體。從墩軸線2排基樁開始插打鋼護(hù)筒，再分離鋼護(hù)筒導(dǎo)向船，逐排完成鋼護(hù)筒的插打，最終將32根Φ3.3 m鋼護(hù)筒分別插打嵌固入河床內(nèi)，并采用2I45b工字鋼將鋼護(hù)筒兩兩相連，最后形成以貝雷梁為主要受力體系的鋼平臺。

當(dāng)鋼護(hù)筒接高到預(yù)定高程后，在預(yù)設(shè)牛腿上布置順橋向貝雷梁桁片，頂層布置I25工字鋼，并在其上布置軌道鋼，軌道鋼型號為43 kg/m。在平臺頂設(shè)置2套60 t龍門吊機(jī)。在鋼護(hù)筒上設(shè)置牛腿分別承擔(dān)施工平臺上部結(jié)構(gòu)荷載和鋼圍堰首節(jié)段安裝起吊荷載。方案1施工平臺布置如圖3所示。

其中，為發(fā)射功率，fc為載波頻率，α=2為視距通信的路徑衰減指數(shù)，η為自由空間傳播損耗余量，c為光速.

圖3 方案1 施工平臺布置

2.2 方案2：桁架方案

施工平臺下部結(jié)構(gòu)(鋼護(hù)筒)與方案1相同，只是施工平臺上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架為主要受力體系。

當(dāng)鋼護(hù)筒接高到預(yù)定高程后，在預(yù)設(shè)牛腿上布置導(dǎo)向架，導(dǎo)向架上布置2根Ⅰ45b型鋼用于放置鉆機(jī)分配梁，在分配梁間放置12.6型Ⅰ鋼并在其上鋪設(shè)8 mm厚花紋鋼板作為施工平臺。在2根Ⅰ45b分配梁沿順橋向布置2根Ⅰ25b型鋼將其作為龍門吊軌道分配梁，并在其上布置軌道鋼。方案2施工平臺布置如圖4所示。

圖4 方案2施工平臺布置

2.3 2個方案的主要區(qū)別

方案1上部結(jié)構(gòu)采用貝雷梁體系，方案2采用鋼桁架體系；方案1牛腿采用帶單根斜撐的牛腿形式，方案2對部分牛腿采用加設(shè)斜撐或拉桿進(jìn)行加強(qiáng)。

3 方案對比及選取

3.1 作業(yè)方式

方案1：采用流水作業(yè)方式，先用浮式導(dǎo)向架完成南塔32根樁基鋼護(hù)筒的插打嵌巖，然后拆除鋼護(hù)筒導(dǎo)向船及導(dǎo)向架，通過嵌巖鋼護(hù)筒設(shè)置牛腿并安裝貝雷梁型鋼施工平臺，最后在施工平臺上布置沖擊鉆機(jī)完成樁基成孔。

方案2：按方案1作業(yè)方式，首先插打南塔中間12根基樁鋼護(hù)筒(11#～22#)嵌巖，然后將已完成嵌巖的12根鋼護(hù)筒相聯(lián)并形成獨立的鉆孔平臺，進(jìn)行首批樁基先期成孔；在先期基樁成孔的同時，接長河心、河岸側(cè)導(dǎo)向架，并分別平移兩岸導(dǎo)向船至插打第2批(5#～10#、23#～28#)基樁鋼護(hù)筒位置泊定；當(dāng)?shù)?批基樁鋼護(hù)筒插打嵌巖完成后，在鋼護(hù)筒之間設(shè)置剛性支承牛腿，并將導(dǎo)向架荷載轉(zhuǎn)換到鋼護(hù)筒牛腿上，且通過導(dǎo)向架懸臂插打第3批樁基鋼護(hù)筒。

為滿足南塔基樁成孔的連續(xù)性，當(dāng)鋼護(hù)筒嵌巖完成后，將鋼護(hù)筒導(dǎo)向架支承于鋼護(hù)筒牛腿上，并在牛腿支點處增加桁架豎向立桿，以使鋼護(hù)筒導(dǎo)向架形成鉆孔施工平臺。

3.2 工作平面

方案1：需在貝雷梁架設(shè)完成后才可形成鉆孔平臺。

方案2：在插打完主墩中間2排12根鋼護(hù)筒后，將12根鋼護(hù)筒接高(高出現(xiàn)有導(dǎo)向架平臺)并相聯(lián)，以形成獨立鉆孔平臺。

3.3 施工工序

方案1：在完成南塔32根鋼護(hù)筒施工后，拆除導(dǎo)向架，移除駁船，安裝貝雷梁鋼平臺。

方案2：采用方案1的鋼護(hù)筒平臺，將導(dǎo)向架作為鉆孔鋼平臺，無需拆除導(dǎo)向架后再安裝貝雷梁鋼平臺，僅對導(dǎo)向架進(jìn)行細(xì)微改動即可。

3.4 計算結(jié)果

由于施工過程中存在各種不確定因素，故計算時需做如下假定：

1) 未考慮結(jié)構(gòu)加工制作、鋼材厚度的偏差；

2) 假定各構(gòu)件間通過焊縫完整結(jié)合，組成聯(lián)合截面共同參與受力；

3) 假定平臺桁架下弦桿與分配梁為固結(jié)；

4) 未考慮地震、漂流物撞擊及爆炸等偶然外力作用；

5) 未考慮平臺停泊施工船只時的系纜力、靠船時的擠靠力。

計算中主要考慮了恒載、溫度、流水壓力、風(fēng)荷載、水浮力、施工設(shè)備等荷載，其中活載為吊裝鋼筋籠的龍門吊。另外，由于圍堰首節(jié)段安裝是在施工平臺上完成并起吊的，故計算時應(yīng)考慮圍堰安裝時牛腿上的荷載以及起吊時施工平臺上的荷載。

采用有限元計算軟件MIDAS2013對施工平臺進(jìn)行有限元劃分，并賦予相應(yīng)的荷載及邊界條件，計算模型如圖5所示。

圖5 計算模型

對計算模型進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：1) 方案1桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在貝雷梁豎桿，桿件(16Mn鋼)最大應(yīng)力為293 MPa，大于容許應(yīng)力[σ]=273 MPa，不滿足規(guī)范要求，其余構(gòu)件均滿足受力要求；2) 方案2桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)向架下弦，導(dǎo)向架下弦(2I56，Q235鋼)最大等效拉應(yīng)力為148.2 MPa，最大等效壓應(yīng)力為169.4 MPa，均小于容許應(yīng)力[σ]=182.0 MPa，滿足規(guī)范要求，其余構(gòu)件均滿足受力要求。

3.5 方案選取

根據(jù)以上方案對比和分析，確定萬州長江公路三橋南主塔施工平臺的施工方案選用方案2。

4 施工要求

1) 由于計算時未考慮漂浮物對平臺下部結(jié)構(gòu)的影響，故施工過程中須加強(qiáng)監(jiān)管并采取預(yù)防措施，及時清理平臺橋墩與梁前的漂流物，減少阻水面積,減輕對結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。

2) 為保證護(hù)筒偏位和傾斜度控制在容許范圍內(nèi)，護(hù)筒下沉過程中應(yīng)進(jìn)行全過程測量。

3) 加強(qiáng)汛期對鉆孔平臺及鋼圍堰的觀測，護(hù)筒平聯(lián)處的位移須控制在一定范圍內(nèi)(根據(jù)計算確定)。

4) 首節(jié)段鋼圍堰起吊與龍門吊起吊不能同時工作，現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)施工管理。

5 結(jié)束語

在橋梁建設(shè)中，雖然貝雷梁為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，采用貝雷梁能有效提高桿件拼裝進(jìn)度,但是由于貝雷梁為定型化產(chǎn)品，故其不能較好地適應(yīng)現(xiàn)場施工需要。而采用桁架作為施工平臺的上部結(jié)構(gòu)，雖進(jìn)行桿件拼裝時較為費力，但卻能夠較好地適應(yīng)現(xiàn)場施工條件[8]。

本文對萬州長江公路三橋南塔基礎(chǔ)施工平臺設(shè)計及施工方案進(jìn)行了介紹。方案1采用貝雷梁，雖然其可以加快平臺施工過程，但構(gòu)造較復(fù)雜，且部分桿件受力超過容許應(yīng)力。方案2采用桁架梁，其傳力途徑較為直接，且桿件應(yīng)力較方案1小很多。通過現(xiàn)場施工表明，方案2安全可靠，能夠較為靈活地適應(yīng)超大面積高樁承臺的施工條件。

[1]沈平歡，祝 強(qiáng).江中圍堰及鋼平臺施工技術(shù)[J].四川建材，2008(4)：193-195.

[2]四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司萬州長江公路三橋B合同段項目.萬州長江公路三橋南塔Z09樁基專項施工方案圖[Z].成都：四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，2014.

[3]四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司萬州長江公路三橋B合同段項目.萬州長江公路三橋南塔Z09樁基施工優(yōu)化方案圖紙[Z].成都：四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，2014.

[4]袁華昭.萬州長江公路三橋Z09#主墩鋼圍堰首節(jié)段拼裝及下放施工技術(shù)[J].四川水泥，2016(4)：51.

[5]肖躍文，陳 璋，裴炳志，等.荊岳長江公路大橋北主塔深水基礎(chǔ)施工技術(shù)[C]//中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程分會全國橋梁學(xué)術(shù)會議.北京：人民交通出版社，2007：502-510.

[6]鄒 歡.淺談瑯岐閩江大橋鉆孔平臺設(shè)計與施工方案[J].江西建材，2014(2)：147-148.

[7]孫百峰.深水裸巖鉆孔平臺施工方案比選[J].鐵道建筑技術(shù)，2015(11)：22-25.

[8]李躍穗，吳能森.烏龍江大橋新建復(fù)線橋深水基礎(chǔ)施工平臺設(shè)計研究[J].土木工程與管理學(xué)報，2011，28(3)：31-34.

Study on Construction Platform of Super-large Surface Deep-water Foundation

WU Jiaomei

The main tower on the south bank of the Wanzhou Yangtze River Expressway No. 3 Bridge is a large-diameter,deep-water high-rise pile cap. This paper introduces and compares the Bailey beam scheme and the truss scheme of the bridge construction platform,and puts forward attentions to be taken in design and construction of the construction platform.

super-large surface deep water foundation; construction platform; Bailey beam; truss; scheme comparison and decision

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.010

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51608080)

2016-08-25

吳嬌媚(1984-)，女，福建省莆田市人，碩士，工程師。

1009-6477(2016)06-0043-03

U445.55

A