组合式深水施工平台设计与施工

潘一强

（中交第三航务工程局有限公司宁波分公司，浙江 宁波 315200）

1 工程概况

浙江舟山某码头建设规模为25万吨级矿石卸船码头1个泊位，年吞吐量3 000万t。码头长475 m，宽37 m。码头共34个排架和3个系缆墩，每榀排架布置4根φ2 800 mm灌注型嵌岩桩（嵌岩深度6.5 m），其中1～19号排架均为直桩，其余排架中间两根为10∶1的斜桩（20～34号排架，共30根），另两根为直桩，共136根；系缆墩为13根φ1 500 mm灌注型嵌岩桩（嵌岩深度4.5 m）。

2 工程地质

本工程区域地质情况较复杂，覆盖层主要为淤泥质粉质黏土及粉质黏土、角砾混粉质黏土，厚度分布不均。码头区域呈现东侧厚，西侧薄，覆盖层主要分布在1～7号排架（20～34号排架有少量较好的土层），15～19号排架位于隆起的岩面上，基本为裸露基岩，且岩面起伏较大，呈两端低中间高（见图1），岩面最低点为-43.88 m，最高处（16号排架岸侧）为-20 m左右；岩面总体由岸侧向海侧倾斜，坡度一般小于1∶2.5，但个别断面岩面较陡，其中最陡处坡度为1∶1.6。

3 深水施工平台设计

3.1 稳桩工艺方案选择

14～19号排架桩基位于隆起岩面上，纵横向双向坡度，均较陡，采用常规人造基床工艺无法形成基床断面，难以达到直接稳桩，经多种工艺比选决定该部分钢护筒采用组合式深水施工平台（见图2）稳桩工艺：利用原较薄的覆盖层（裸露区域先抛2 m厚袋装黏土，2 m厚袋装碎石，总量约7 500 m3）进行深水平台辅助桩稳桩，将深水平台作为承重施工平台和钢护筒的稳桩依靠。

3.2 深水施工平台设计依据

对平台结构在可靠性、施工工艺、施工成本等方面进行设计。为保证辅助桩和工程桩的垂直度，平台采用双层结构，每个平台固定2个排架桩基，平台单构件尺寸为24.2 m×17.8 m×4.6 m。平台顶标高为+4.8 m，平台搁置面标高为+3.4 m，下层连杆顶标高为+0.5 m。

3.3 导管架平台结构计算

3.3.1 桩基计算

桩基计算依据文献[1-7]，平台结构安全等级为二级。

3.3.1.1 计算条件

施工期按2年一遇取值，设计波要素见表1，设计水位及水流见表2。

图1 码头局部纵断面图

图2 导管架平台

表1 设计波要素

表2 设计水位和水流

3.3.1.2 辅助桩的嵌固点深度计算

辅助桩暂取φ1 200 mm，壁厚18 mm的钢管桩进行计算。按《港口工程桩基规范》第4.3.1条，用m法计算。

因人工基床抛填总厚度只有4 m，不能满足6 m的嵌固要求，施工时桩尖可能出现滑动，为保证施工安全，需选在平潮时段施工，沉桩时尽量让桩端进入强风化岩层，并及时进行加固，防止桩基在外力作用下出现偏位。

3.3.1.3 辅助桩施工期强度计算

桩基施工期，由于桩悬臂长度增加，自重弯矩、水流力及波浪力弯矩增加。根据设计高水位和设计低水位分别计算桩身的弯矩（按最深处桩长计算），并验算辅助桩的强度是否满足要求。

1）设计高水位时桩身最大弯矩计算：

式中：H0为作用在泥面处的水平荷载，kN；Pg、Mg分别为泥面处桩自重产生的水平力和弯矩，kN，kN·m，因是直桩，取值均为0；Pq、Mq分别为泥面处浮力产生的水平力和弯矩，kN，kN·m，因是直桩，取值均为0；PF、MF分别为水流力对桩的总力和对桩底弯矩，kN，kN·m；PImax、MImax分别为波浪力最大惯性分力和对Z1断面的力矩，kN，kN·m。

式中：Cw为水阻力系数，圆桩取0.73；γ为水的重度，10.25 kN/m3；V为设计流速，1.60 m/s；D为钢桩直径，1.2 m；d为水深，36.31 m，g为重力加速度，9.8 m/s2。

根据JTJ 213—98《海港水文规范》进行单桩所受波浪力计算，由于桩基全部为直桩，施工期按2年一遇波高考虑：因D/L=0.020 7＜0.2，则按小尺度桩柱计算。

式中：Cm为惯性分力系数，圆形断面取2.0；H为波高，1.4 m；A为桩断面面积，1.13 m2；K2为系数，按《海港水文规范》查图8.3.2-2得K2=1.029 2。

2） 设计低水位时，同理采用m法计算在设计低水位时的桩身最大弯矩Mmax=1 736.77 kN·m。

3）辅助桩结构强度计算：

式中：Wt为钢桩抗扭系数（钢桩直径1200mm，壁厚18mm），取38 919 cm3；σ为钢材的强度设计值，取210 N/mm2。

辅助桩结构强度满足要求。

3.3.2 平台结构计算

3.3.2.1 平台工况

1）平台上材料均匀堆放，平均荷载不大于10 kN/m2；

2） 平台共设两条吊车通道（80 t履带吊），在吊车通道上不得堆载；

3）吊车通道必须满铺钢板，均匀受力；

4） 80 t吊车行走时控制最大吊重为25 t；

5） 安装钢筋笼时，80 t吊车控制吊重为60 t，但必须限定起吊位置。

3.3.2.2 平台结构计算

根据确定的荷载分别对导管架的钢管、节点、上部平台结构进行结构验算，本工程因安装工艺要求，还需对导管架整体进行浮游稳定计算。

3.4 深水施工平台结构

根据桩基直径、间距、船机性能及结构验算确定合理的导管架尺寸为长24.2 m，宽17.8 m，高4.6 m，总重140.5 t，支撑桩采用φ1 200钢管桩，每个导管架12根支撑桩，导管架纵横杆采用φ800钢管，斜撑采用φ600钢管。在每个钢套筒排架沿码头排架方向两侧分别布置1根钢箱梁，搁置在导管架上，然后利用钢箱梁搭设施工平台，最后在钢箱梁上布设型钢和网格板，完成施工平台搭设。

3.5 导管架施工

本工程的导管架、钢管支撑桩等钢结构管件在工厂加工制作，每榀导管架拼装后，运输到现场进行吊打（或安装）焊接。

导管架施工时用起重船定位，由起重船将导管架从驳船上吊至水中漂浮，并用锚缆进行粗定位。待平潮时，调整锚缆用全站仪将导管架精确定位，用起重船将导管架海、岸侧各3根支撑桩安装到位，并用振动锤将6根支撑桩打入覆盖层或人造基床。然后将导管架提升至设计标高，并将支撑桩与钢套管焊接成整体，再将其余支撑桩安装到位。

导管架安装后，复测钢护筒桩位，根据实际位置调整钢护筒限位，用起重船将钢护筒逐个进行吊打，钢平台加固完成后，进行嵌岩桩施工。

桩基施工期间要加强平台的沉降观测，特别是初期观测频率宜加密，待桩基部分完成后可适当延长观测周期。

4 各类技术问题解析

4.1 导管架结构设计

导管架的形式在设计中采用了单层导管架和双层导管架结构，平台搭设采用了箱梁或贝雷架的结构形式。这几种结构在实际施工中取得了较好的效果。本着结构安全和可操作性，采用12根支撑桩的双层导管架，支撑点的增加加强了平台的承重、抗弯能力和整体稳定性，双层的结构以增强导管架的垂直度，并能保证结构桩和支撑桩施打过程中的垂直度控制。应根据不同的自然条件、工程结构形式，对工程桩位预留一定的富裕尺寸，确保工程桩位的偏位在规范允许范围内。

4.2 导管架定位

采取起重船定位，由于导管架尺寸、重量（约140 t）均较大，对现场风浪条件、船舶性能、固定方法等有很高的要求。本次进行安装的起重船船体大、抗风浪能力佳，且安装时间选择在3级风浪的情况下进行，导管架与起重船的固定采用钢丝绳及缆绳双重锁紧系牢，确保位置准确。

4.3 导管架提升、固定

在吊打两端6根支撑桩后，因潮水影响可能会出现导管架被支撑桩轻微卡住的现象，致使导管架产生一定的位移或高差，可用起重船进行移位微调，或用其他设备进行辅助提拉、校正，并及时进行加固，防止导管架系统发生偏移或扭转。

4.4 嵌岩桩施工顺序及过程监测

由于岸侧覆盖层相对较厚，对成孔较为有利，且不易漏浆，每一组导管架的嵌岩桩均从岸侧桩往海侧桩进行钻孔作业，实时掌握嵌岩桩的成孔情况以及观测基床的变化情况，对是否需采取防漏措施等提供参考依据。钻孔期间需紧密观测限位架等的焊缝、钢套筒下沉等情况，记录相关数据；另外对导管架进行常规的周期性沉降位移观测，确保导管架的稳定及安全。

4.5 挑梁法施工

海侧桩位于码头前沿，采用钢箱梁悬挑支撑，限位架不预先施工，在打桩船沉桩后再用槽钢或型钢临时加固，达到限位及稳桩效果。要考虑好箱梁与打桩船龙口、背板等的位置冲突，不造成碰撞。另外涉及到结构桩的桩长设计，参考现场的沉桩、地质、平台标高等情况，适当加长，以免沉桩贯入度未达到设计要求，且需避免桩帽碰触到箱梁，注意施打控制。

5 结语

目前人造基床和导管架区域均完成了嵌岩桩施工，稳桩达到了预期的效果，大坡度裸岩稳桩措施获得了成功，为类似恶劣地质条件的工程施工提供参考。

[1] JTJ 213—98，海港水文规范[S].

[2]JTJ 285—2000，港口工程嵌岩桩设计与施工规程[S].

[3] JTJ 215—98，港口工程荷载规范[S].

[4] JTJ 291—98，高桩码头设计与施工规范[S].

[5] JTJ 267—98，港口工程混凝土结构设计规范[S].

[6] JTJ 254—98，港口工程桩基规范[S].

[7] JTJ 225—98，水运工程抗震设计规范[S].