海上深水裸岩基础钻孔平台设计与施工.pdf

海 上深水裸 岩基 础钻孔平台设计与施工 叶绍其 5 9 文章 编号 ： 1 0 0 3 -4 7 2 2 ( 2 0 0 9 ) 0 3 一 o o 5 9 0 4 海 上深水裸岩基础钻 孔 平台设计 与施工 叶 绍 其 ( 中铁 大桥 局集 团第五 工程 有 限公 司 ， 江西 九 江 3 3 2 0 0 1 ) 摘 要 ： 福 厦铁 路 厦 门跨 海特 大桥 全 长 5 0 1 2 4 5 m， 桥 式 为 9 8 3 2 m( 简支 t 梁) +3 1 4 8 m ( 简 支箱 梁) +7 3 2 m( 简支 t 梁) 。该桥 1 2 6 1 2 8号墩 与 高崎 海堤通 航通 道 相 对应 ， 所 处地段 海 床为高强度裸岩。主要介绍海上深水裸岩 板凳式 钻孔平台的结构设计、 平 台基础 结构计算及 平 台拼 装施 3 - 过 程 。 关 键词 ： 跨 海 大桥 ； 铁 路桥 ； 深水基 础 ； 钻 孔 平 台 ； 施 工设 计 中图分 类 号 ：u4 4 5 5 5 1 ； u4 4 8 1 3 文 献标 志码 ：a de s i g n a nd co ns t r u c t i o n o f m a r i n e bo r i ng pl a t f o r m s f o r fo u nd a t i o n s re s t i n g i n un c o v e r e d ro c k i n de e p w a t e r ye sh a o q i ( th e 5 t h e n g i n e e r i n g co ，l t d ，ch i n a z h o n g t i e ma j o r br i d g e en g i n e e r i n g gr o u p ，j i u j i a n g 3 3 2 0 0 1，ch i n a ) ab s t r a c t ：the xi a m e n se a cr os s i ng br i dg e o n fu z ho u xi a m e n ra i l wa y i s 5 01 2 4 5 m i n t o t a l l e n g t h a n d i s c o mp o s e d o f t h e s i mp l y - s u p p o r t e d t g i r d e r s o f 9 83 2 m s p a n s + t h e s i mp l y s u p p o r t e d b o x g i r d e r s o f 3 1 4 8 m s p a n s + t h e s i mp l y - s u p p o r t e d t g i r d e r s o f 7 3 2 m s p a n s th e a r r a n ge m e nt of t he pi e r s no 1 2 6 no 1 2 8 o f t he br i dg e a c c ommod a t e s t he na vi g a t i on c ha nn e l s o n t h e s i d e o f ga o q i co a s t a l le v e e a n d t h e s e a b e d wh e r e t h e f o u n d a t i o n s o f t h e p i e r s a r e l o c a t e d i s o f h i gh s t r e ng t h u nc ov e r e d r o c k th i s pa pe r m a i n l y de s c r i b e s t he s t r u c t ur a l d e s i gn o f t he “s t o ol l i ke ”m a r i ne bo r i ng p l a t f o r m s f or c ons t r uc t i o n o f t he f ou nd a t i o ns r e s t i n g i n t he u nc o ve r e d r oc k i n d e e p wa t e r 。t h e s t r u c t u r a l c a l c u l a t i o n o f t h e p l a t f o r m f o u n d a t i o n s a s we l l a s t h e c o n s t r u c t i o n p r oc e s s o f a s s e m b l i ng o f t he p l a t f o r m s ke y wo r d s：s e a c r os s i n g b r i dg e； r a i l wa y b r i dg e； de e p wa t e r f o un da t i on； bo r i ng pl a t f o r m ； c on s t r u c t i on d e s i gn 1 工程 概况 福 厦 铁路厦 门跨海 特 大桥位 于 杏林 站 出站端 至 厦门北站进站端之间 ， 跨越厦门西海湾 ， 位于既有线 右侧 。高崎海堤左面为厦门东海域 ， 右面为西海域 ， 海 面 十分 开阔 ， 两 海域 在 高 崎 端 既 有 海 堤 处 留有 航 道小桥作为通道， 距离跨海特大桥约 2 0 0 厦 门跨海特大桥全长 5 0 1 2 4 5 m， 桥式为 9 8 3 2 m( 简支 t梁) +3 1 4 8 m( 简支箱梁) +7 3 2 m ( 简支 t梁) 。桥 墩为 圆端形实 体墩 ， 基础 为桩 基 础 。全桥共 1 3 7个墩台， 其中 1 2 6 1 2 8号墩问与高 崎海堤通航通道相对应 ， 设置通航孑 l ， 航道等级为 级 ， 通航净高 7 5 o m， 净宽 3 6 6 0 m， 最高通航潮位 +4 5 4 m。最低通航潮位+0 1 6 7 m。 厦门跨海特大桥桥位海域的潮汐类型属正规半 日潮 ， 根据厦 门海洋站的潮位资料 ， 高潮位 h 。 一 5 o m， h 0 o 一4 7 7 m； 低 潮位 h1 o = 一 3 4 6 m， h l 0 。 一一3 4 7 m。近年平均 高潮位 2 4 7 m， 平均 低潮位一1 4 1 m， 最大潮差 6 9 2 m， 平均潮差 3 9 8 收稿 日期 ：2 0 0 8 1 2 2 3 作者简介 ：叶绍 其( 1 9 7 7 一) ， 男， 工程 师， 2 0 0 1年毕业 于武汉化工学院交通土建专业 ， 工学学士 ( y e s h a o q i y e a h n e t ) 。 6 0 桥梁建设 2 0 0 9 年第 3期 m。每 年 的最 高潮 位 出现 在 农 历 8月 1 5日。高集 海峡是 东西 潮流 顶潮 地 带 ， 开 始 涨 潮 时 流 向 由西 往 东 ， 涨 潮后 约 1 5 h东西 两潮 相遇 于海 堤 附 近 ， 往 后 由于东边海域广 阔进潮量大于西边， 水流方 向转为 自东北 向西 南直 到满潮 为止 。退 潮 时 由于 东边排 潮 量较 大 ， 水 流方 向 自西 南 向东 北 ， 退 潮 后 约 2 h ， 海 峡 潮 流 也 在 海 堤 附 近 向 东 西 分 流 ， 流 速 约 为 1 4 m s 。 厦门跨海特大桥 1 2 6 1 2 8号墩位处裸露岩层 为 弱风化 花 岗岩 ， 基 本承 载力 e o 一8 0 0 k p a ， 岩 面高 程 为 一1 7 4 5 m 左右 。 2 1 2 6 1 2 8号墩 下 部结构 总体 施工方 案 综合 考 虑厦 门跨 海特 大 桥 1 2 6 1 2 8号 墩墩 位 处地质 、 水文 条件 以及该 桥位 处 的地理环 境 ， 该段桥 梁下部结构施工必需在施工栈桥施工完成后进行。 2 1 钻 孔灌 注桩施 工 桩 基础 采用 先 拼装 施 工 钻 孔平 台l_ 1 ， 插 打 钢 护 筒 ， 再 用 c j f 一2 o反循 环 冲击 钻成 孔施 工 。 由 于该 墩 位 处 在 施 工过 程 中还 须 满 足 通 航要 求， 同时地基为高强度裸露岩层 ， 通航水域水深、 流 急 ， 钻 孔施 工平 台 的设 计 与施 工 均 不 能 采用 常规 方 案进行， 因此该平 台采用了既能解决钢管桩嵌入深 度不 足 ， 又能抵抗 较 大水平 荷载及 竖 向荷载 的“ 板 凳 式 ” 结构 。 钻孔平 台拼装主要依靠 已施工完成的栈桥 ， 在 栈桥上利用履带吊机逐根插打钢管桩 ， 并及时将钢 管桩与栈桥钢管桩 ， 或与 已插打的钢管桩用联结 系 连成稳定体系。待完成第 1 跨平 台汽车通道后 ， 履 带吊机前移完成其余的平台结构拼装 。 钢护筒利用 钻孔平 台上下层 连接系作导向结 构 ， 振 动锤插 打施 工 。 采用 4台 c j f 一2 o反循环冲击 钻成孔 ， 2个循 环 完成桩 基施工 。 2 2 承台、 墩身施工 采用单臂钢吊箱围堰施工承台。待桩基础施工 完成后 ， 拆除承台范 围内的平台结构， 保 留平台两侧 的汽 车通道 。利 用 吊机 拼 装 钢 吊箱 围堰 后 ， 灌 注 围 堰水下封底混凝土， 围堰内择时抽水 ， 进行承台施工。 墩身混凝土采用整体无拉杆钢模板， 一次浇注 施 工 。 3 钻孔 平台设 计和 施工 分析 ( 1 )通航 孔 段 水 域 水 深 、 流 急， 高 潮 位水 深 2 2 2 2 m左 右 ， 平均 低潮 位水 深 1 6 0 4 m 左 右 ； 基 础 地质为裸露岩层 ， 钢管桩插打深度难以达到结构设 计要求 。平台支撑钢管桩计算长度大 ， 同时作用于 平台上的荷载复杂， 平台结构受力和稳定分析难度 较 大 。 ( 2 )施 工 区域过 往船 只多 ， 潮 流流 速 大 ， 该 区域 钻孑 l 平台施工时无法采用水上打桩设备进行支撑钢 管桩插打施工， 单根钢管桩插打完毕后无法立稳 ， 给 施 工带 来很 大 的难度 和风 险 。 ( 3 )在 钻孔 桩施 工完 毕 ， 拆 除钻 孔操 作平 台后 ， 钻孔平台汽车通道必须要满足 自身的结构稳定、 承 台围堰吊装施工及墩身施工的要求。 ( 4 )通航 孔 段施 工 栈桥 须 先 行 施 工 ， 根 据 栈 桥 钢管桩插打 资料， 为钻孔 平 台的设计 提供设计 参 考_ 2 j ， 同时可将钻孔平台与栈桥连成整体 ， 以提高钻 孑 l 平台和栈桥的整体稳定性。 4 钻 孔 平 台结构设 计 根 据 现场 施 工条 件 和施 工需 要 ， 该 平 台包 括钻 孔操 作平 台 和汽 车 通 道 2部 分 ( 图 1 ) ， 主 要 由钢 管 桩基础 、 钢管连接系、 型钢分配梁、 贝雷梁纵粱及平 台面板 结构组 成 。其 中钢管 连接 系 、 型钢分 配梁 、 贝 雷梁纵梁及平 台面板的组合结构和钢管桩基础形成 了具有抵抗水平荷载性能的“ 板凳式” 结构 ， 该结构 可 以有 效地解 决 钢 管桩 插 打 深 度 不 足 的难 题 ， 该 桥 按钢管桩不嵌入基岩进行设计 。 4 1 钢管 桩基 础及 钢管 连接 系 靠近航道侧外面的一排钢管桩兼作防撞桩 ， 采 用直径 1 0 0 0 mm 的螺旋钢管 ， 其余位置 的钢管桩 均为直径 8 0 0 mm 的螺旋钢管。 平 台钢管桩 基础 设 置 上 、 下 两 层 连 接 系 。上层 连接系采用 2 7 3 mm 的螺旋钢管 ， 设置在距钢管桩 顶 +1 4 5 m 位 置 处 ； 下 层 连 接 系 采 用 6 0 0 r a m 的 螺旋钢管 ， 由于受最低潮位的限制 ， 下 、 上层连接系 的最大间距只有 6 0 m， 设计安装标高为一1 5 2 m。 每层连 接 系在 水 平 面 内采 用 2 7 3 mm 的 螺旋 钢 管 斜杆连接成整体 ， 平 台钢管桩与栈桥钢管桩之间也 用 4 2 7 3 mm 的钢管连接 ， 使平台与栈桥 的整体稳定 性得 到保 证 。连接 系钢 管与 钢管桩 之 间均采 用相贯 线直接焊接连接。 4 2 平台上部结构 ( 1 )汽车通道 。在操作平 台的两侧布置汽车通 道 ， 汽 车通 道 宽 8 0 m， 长 2 4 0 m。除 了要 满 足 钻 孔施工时吊装钢护筒及钻孔机具的要求外， 还应满 海上深水裸岩基础钻孔平 台设 计与施工 叶绍其 6 1 钻孔平台平面 ，、 栈桥中心线 ) o 0 v u 0 目 0 4 0 0 0 4 0 0 0 6 5 0 0 6 5 0 0 4 0 0 03 0 0 0 。 l 1 l l l l e广 ， i 1 j ， ) o l l ： r ； 、 、 k ： o o 、 、 、 分配 梁 、 、 卜 、 操 一 多 汽 、 、 贝 雷 梁 一 至 c 孚 o ： 通 、 、 通 一 ； 线 ， 道 日 、 、 一 ， ， 1 ， 、 、 、 、 、 o o ： 、 、 ： 、 、 ， ： o o 、 、 ： | l lk 、 ： ) i l( 、分 配 粱 i lfu i 【jiij f 贝 雷 梁 + 5 9 3 c 、 钢管桩 连接系i 80 0 钢护筒、 连接系2 甘日 4 0 0 04 00 0 1 5 0 0 4 5 0 0 6 0 0 0 4 50 0 6 00 0 一l 7 4 50 尺寸 单位 ： 标高单位： 图 1 钻 子 l 平台结构布置 足后期 吊箱围堰拼装时 吊装侧板 的要求 。汽车通道 台结构 自重 、 施工活载 、 水流力 、 波浪力 、 船舶撞击力 从上而下依次为： 2 0 c m厚混凝 土预制面板 、 贝雷纵 及风荷载 。 梁、 2 1 4 5 a 桩顶分 配梁。分配梁 型钢长度根 据各个 ( 2 )计算工况 。工况 1 ： 钻孑 l 平 台拼装及钢护筒 部位的需要确定 。为增强整个钢管桩基础的整体稳 插打工况。主要 荷载 有 5 0 t履带 吊机 自重、 吊重 定性和桩顶分配梁本身的稳定性 ， 分配梁与钢管桩 ( 控制荷载 为钢护筒插打) 、 水流力 、 波浪力及 风荷 之间采用刚性连接 ， 其 中有 3道桩顶分配梁将操作 载。工况 2 ： 钻孔桩施工工况 。主要荷 载有 5 0 t 履 平台和两侧的汽车通道连成整体 。 带 吊机 自重 、 吊重( 控制荷载为钻机) 、 钻机 自重 、 施 ( 2 )钻孑 l 操作平台。钻孔操作平 台布置在钻孔 工荷载 、 水 流力 、 波浪力 、 船舶撞击力及风荷载。工 平台的中间位置 ， 宽 1 2 0 m， 长 2 4 0 m。操作平台 况 3 ： 钻孑 l 桩施工完毕 ， 拆除钻孔平台进行 吊箱围堰 主要用于布置钻孔机具和钢护筒插打时的导向定位 施工工况 。此工况 下平 台拆 除后仅剩 两侧汽车通 平台。操作平 台从上至下依次为 ： 钢面板( 钢面板在 道 ， 主要检算汽车通道 的强度及稳定性 ， 主要荷载有 桩位处 预 留孔洞 ) 、 上层 i 2 8 a分配梁 、 贝雷纵 梁及 5 0 t 履带 吊机 自重、 吊重( 控制荷载为 围堰侧板 ) 、 水 2 1 4 5 a 桩顶分配梁 。 流力、 波浪力 、 船舶撞击力及风荷载。 ( 3 )计算模型模拟。根据本平台结构特点及实 5平 台基础 结构 计算 际 工程 地质 情 况 ， 采 用 s ap 2 0 0 0进 行 结 构 及 施 工 ( 1 )设 计荷载。根据通航孔段地质 、 水文及航 过程 受 力 分 析。钢 管桩 及 钢 管 连 接 系采 用 p i p e 道等级等条件 ， 该平台设计 时主要考虑 的荷载有平 ( 管) 单元模拟 ； 钢管桩与岩层 问为铰接 ， 平台其余各 十 t 6 2 桥梁建设 2 0 0 9年第 3期 构件之间均为固接； 作用于平 台上 的荷载均转化成 节点荷载作用 于分配 梁或钢 管桩 上， 计 算模 型见 图 2 。 图 2 计算模型 ( 4 )计算 结果 。平 台基础 强 度及 稳 定性 计算 结 果见 表 1 。由表 1可 知 ， 钻 孔 平 台基 础 钢 管 桩 及 连 接系应力均能满足钢结构设计 规范 “ 要求 ， 平 台 整体屈曲稳定系数满足规范要求。 表 1 平 台基础强度及稳定性计算结果 6 平 台拼 装施 工 由于该钻孔平 台受所处的地理位置及地质 、 水 文等条件的限制， 其设计及施工均不能按常规思路 进 行 。鉴于该 段通 航 孔 栈 桥施 工 的成 功 经验 ， 采 用 “ 钓鱼法” 逐根插打、 逐根连接 的施工方法进行钢管 桩 基础 施工 。 ( 1 )平 台拼装施工流程。钢管桩接长、 防腐处 理 ， 导 向架加工及安装 一 插打靠近栈桥侧第 1 排钢 管桩 一 用连接系逐根将钢管桩与栈桥钢管桩焊接 成整体 一 插打靠 近栈桥侧第 2排钢管桩 一 用连 接系逐根将第 2排钢管桩与已插打的第 1 排钢管桩 焊接成整体 一 + 安装第 1 、 2排桩顶分配梁 ， 贝雷梁及 平台面板结构形成平台上的汽车通道 一 5 0 t 履带 吊机上平台汽车通道， 按上述方法完成剩余 的平台 结构 施工 。 ( 2 )钢管桩插打。采用 5 0 t 履带吊车配合振动 锤插打施工钢管桩 ， 即“ 钓鱼法” 施工。起始阶段履 带吊机停放在 已施工 的栈桥桥 面， 吊装悬臂导向支 架及钢管桩 ， 测量并调整钢管桩平面位置与垂直度 ， 使其满足施工规范 。 的要求后 ， 利用悬臂导 向支架 精 确打入 钻孔 平 台基础 钢管 桩 。振动锤 启动 后在沉 桩 过程 中， 不能有 较长 时 间的停顿 ， 同时振 动的持 续 时间不宜超 过 1 o 1 5 mi n 。待靠 近栈桥侧第 1 、 2 排 钢管 桩 插 打 完 并 用 钢 管 连 接 系 与 栈 桥 连 成 整 体 后 ， 铺设 好 贝雷 梁及 汽 车通 道 面 板后 ， 履 带 吊前 移 ， 进行 下一 排钢 管桩 插 打 。按 此 方 法 ， 循 序 渐进 地 施 工完 整个平 台。 ( 3 )连接系钢管安装 。连接系钢管与钢管桩之 间采 用相 贯线 焊接 连 接 ， 现 场下 料 时先 量 取 每 2根 钢管桩之间的距离 ， 再进行连接系钢管相贯线的切 割 。下层连接系在低潮位时进行安装及焊接 ， 充分 利 用潮差 ， 以减小海 潮对