庫區(qū)裸巖河床裝配式鉆孔平臺設(shè)計及施工工藝

徐安祺，付甦，黃鳳達(dá)

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

八渡三號大橋在國道G357田林經(jīng)八桂至定安段，位于原八渡村附近（瓦村水電站淹沒區(qū)）。主橋位于庫區(qū)，兩岸河床陡峭，跨中地勢較為平坦。主橋上部結(jié)構(gòu)采用（93+168+93）m現(xiàn)澆變載面連續(xù)鋼構(gòu)混凝土箱梁，下構(gòu)橋墩為矩形墩，主墩承臺為12.6 m（長）×12.6 m（寬）×4 m（高），承臺樁基為9根φ2.2 m樁。

1.1 地質(zhì)條件

橋位區(qū)屬于低山剝蝕丘陵地貌，橫跨馱娘江，樁位處河床為無覆蓋層裸巖地質(zhì)，樁頂?shù)臉?biāo)高為+261.78 m。地層分布從河床由上往下排布分別為：強(qiáng)風(fēng)化砂巖（層厚3.2 m，350 kPa），中風(fēng)化砂巖（層厚26 m，2000 kPa）。墩位處河床上表面地勢起伏不大，巖面較為平坦。

1.2 水文特征

由于本橋梁位于水電站庫區(qū)，水位變化明顯，預(yù)計年水位差為16 m左右，最大水深可達(dá)46 m，相當(dāng)于16層樓的高度。由于瓦村水電站建成的時間短，水文資料極其有限，經(jīng)過對瓦村水電站2020年1—11月水位資料數(shù)據(jù)分析，最高水位為301.86 m（出現(xiàn)連續(xù)降雨），最低水位291.46 m。水位變化受降雨影響較大，而降雨同樣具有季節(jié)特征，6—8月為汛期，水位較高。水位基本穩(wěn)定，每日的水位變化不大，汛期時候一般在1 m左右。經(jīng)過長期觀察，本橋位于庫區(qū)，水流速不大，漂浮物長時間處于靜止?fàn)顟B(tài)，起風(fēng)時甚至有逆流現(xiàn)象。

2 平臺設(shè)計

根據(jù)主墩承臺的結(jié)構(gòu)，采用φ2500×16的鋼護(hù)筒為裝配式鉆孔平臺的支撐結(jié)構(gòu)，如圖1所示。為適應(yīng)庫區(qū)水位隨季節(jié)產(chǎn)生的大幅水位變化，設(shè)計了便于拆卸的鋼抱箍結(jié)構(gòu)，在鋼抱箍上焊接2HM588×300型鋼牛腿，作為鉆孔平臺的支點(diǎn)。為便于整體起吊，主梁采用HM588×300型鋼焊接形成整體式等高結(jié)構(gòu)，在等高主梁上鋪設(shè)分配梁及面板即可形成鉆孔平臺。同時，在等高主梁四角設(shè)置吊耳結(jié)構(gòu)，在水位變化時，可將鉆孔平臺整體起吊，達(dá)到適應(yīng)庫區(qū)水位變化的目的。

圖1 鉆孔平臺平面布置圖（mm）Fig.1 Layout plan of boring platform(mm)

3 結(jié)構(gòu)計算

利用有限元軟件對鉆孔平臺進(jìn)行了空間整體分析。結(jié)合施工工藝，考慮施工過程中最不利的受力情況，對鉆孔平臺進(jìn)行了4個工況的驗(yàn)算。

工況一：平臺搭設(shè)完畢（僅4根角點(diǎn)護(hù)筒）。在最大風(fēng)速及水流力作用下。

工況二：平臺搭設(shè)完畢，在工作風(fēng)速下使用鉆機(jī)鉆孔作業(yè)（包括2號墩護(hù)筒下放前的沖擊砸孔作業(yè)），鉆機(jī)采用CK2500型沖擊鉆，整機(jī)尺寸為7.5 m×2.2 m×7 m，鉆機(jī)自重15 t，作業(yè)時考慮1.3的沖擊系數(shù)，按最大布置3臺鉆機(jī)計算。

工況三：在平臺上鋼護(hù)筒下放作業(yè)工況，φ2500×16鋼護(hù)筒為992.8 kg/m，鋼護(hù)筒在平臺上接高，考慮最不利情況約50 m長，總重49.7 t，考慮鋼護(hù)筒下放架自重荷載6 t。

工況四：在平臺上鋼筋籠下放作業(yè)工況，單根樁鋼筋籠自重荷載19 t，考慮鋼筋籠下放架自重荷載6 t。

在各工況下，最大組合應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在工況三下整體式等高主梁處，分別為181 MPa和59 MPa。各工況下平臺豎向最大位移與順橋向最大位移均小于規(guī)范限值，平臺各構(gòu)件強(qiáng)度剛度滿足要求。

同時，鋼護(hù)筒為長細(xì)比很大的薄壁構(gòu)件，可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，從而導(dǎo)致整個平臺發(fā)生破壞，這往往是施工過程中需要注意的關(guān)鍵問題。鋼護(hù)筒φ2500×16最不利內(nèi)力設(shè)計值為N=1879 kN，M=1267 kN·m。經(jīng)計算，鋼護(hù)筒φ2500×16穩(wěn)定性滿足要求。

此外，在庫區(qū)水位大幅上漲后，裝配式鉆孔平臺需要整體起吊，待抱箍牛腿重新安裝完成后，將平臺重新安裝在牛腿上。因此，需要驗(yàn)算裝配式鉆孔平臺整體起吊時各構(gòu)件的強(qiáng)度剛度。

經(jīng)計算，吊裝時平臺的最大應(yīng)力設(shè)計值為102 MPa，最大位移31 mm，均小于規(guī)范限值，強(qiáng)度剛度滿足要求。

4 施工工藝

主墩承臺的鉆孔樁樁位處為無覆蓋層裸巖地質(zhì)，且9根樁位相鄰較近，其施工空間有限。施工工藝中的突出性難點(diǎn)為，在巖石河床上插打定位鋼護(hù)筒[1]。同時，墩位位于庫區(qū)內(nèi)，低水位水深30 m，高水位水深達(dá)46 m，深水施工同樣增加了施工的難度，且鉆孔平臺需要適應(yīng)這樣大幅的水位變化。具體施工工藝流程如下：

搭設(shè)浮式平臺并拋錨定位→沖孔機(jī)械沖砸定位坑→清孔定位并下放鋼護(hù)筒→澆筑水下混凝土包裹鋼護(hù)筒→安裝焊有型鋼牛腿的鋼抱箍→起吊預(yù)制完成的整體式等高主梁，下放到位并焊接→進(jìn)行正常鉆孔施工→水位大幅變化后整體起吊鉆孔平臺→根據(jù)水位變化重新安裝鋼抱箍。

4.1 浮式平臺定位

浮式平臺是利用水浮力作為平臺支撐反力來承受其豎向施工荷載的一種剛性浮體作業(yè)平臺[2]。文中浮式平臺由浮箱、橫梁及錨固系統(tǒng)組成，如圖2所示。平臺浮箱為2組由3塊標(biāo)準(zhǔn)浮箱（9 m×5.4 m）拼接而成的浮體組成，每組長27 m，寬5.4 m，2組浮箱由型鋼組成的橫梁連接為一個整體。借鑒類似工程實(shí)踐[3-5]，錨定系統(tǒng)設(shè)有4套固定錨。每套固定錨包括設(shè)置在浮式平臺四角的卷揚(yáng)機(jī)、連接在卷揚(yáng)機(jī)上的錨繩及拋設(shè)在河床上的海軍錨。

圖2 浮式平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of floating platform

拋設(shè)海軍錨前，需測量出錨位的水面標(biāo)高和水深，同時拋錨艇根據(jù)錨位布置圖依次拋錨，拋設(shè)海軍錨時，注意使錨繩與水平角度之間的夾角不大于30°，錨繩臨時浮掛在拋錨艇上。在浮式平臺中心和4角點(diǎn)設(shè)置測量點(diǎn)，通過測量先將浮式平臺運(yùn)至墩位處，將各個錨繩拉錨連接至平臺四角的卷揚(yáng)機(jī)上，初步固定平臺。再利用全站儀跟蹤測量，通過平臺四角的卷揚(yáng)機(jī)調(diào)整錨繩的長短，對位偏差要求小于10 cm[6]。調(diào)整到位后，保證錨繩拉緊。定位后，浮式平臺可能會隨水位變化而產(chǎn)生變化，因此需要隨時進(jìn)行調(diào)整。

4.2 鋼護(hù)筒插打

若直接采用振動打樁機(jī)振動下沉，具有較大難度，不僅需要采用大型振動設(shè)備，而且在施工過程中容易出現(xiàn)變形及卷邊[7]，施工上投入大且效果不好。

樁位布置見圖2，在浮式平臺上安裝機(jī)具，進(jìn)行1號、3號、7號及9號樁基施工。

以1號樁基為例，將沖砸機(jī)械CK2500型沖擊鉆運(yùn)至浮式平臺上，在全站儀的配合下，沖砸出符合設(shè)計的定位坑。由于強(qiáng)風(fēng)化層厚度為3.2 m，故設(shè)計定位坑深度為4.0 m，進(jìn)入中風(fēng)化層。在沖孔過程中，應(yīng)保持小沖程、連續(xù)性沖孔，同時加快沖錘上下提拉的頻率，盡量使鉆渣懸浮起來。每個沖孔盡量保證不間斷連續(xù)施工，在每進(jìn)深30～50 cm，采用氣舉反循環(huán)法清孔一次，以減少孔底沉渣[8]。

鋼護(hù)筒下放前，保證定位孔清孔完成，然后逐節(jié)接長直徑2.5 m的鋼護(hù)筒，整體沉放到定位孔內(nèi)。下放時，需嚴(yán)格控制鋼護(hù)筒精度，準(zhǔn)確調(diào)整其平面位置和豎向垂直度后，保證其傾斜度不大于0.4%，隨后在鋼護(hù)筒外四周灌注水下混凝土，完成鋼護(hù)筒的嵌巖埋設(shè)[9-10]。

通過建模計算，鋼護(hù)筒樁底最大反力設(shè)計值為1939 kN，埋深為4.0 m的鋼護(hù)筒與包裹混凝土的握裹力[11]為：

故鋼護(hù)筒包裹混凝土握裹力滿足要求。

用同樣的方法施工完其余3根鋼護(hù)筒后，在設(shè)計位置安裝抱箍牛腿，利用浮吊起吊整體式等高主梁放于牛腿上，在主梁上安裝分配梁和面板就完成了低水位時鉆孔平臺的搭設(shè)，形成“板凳式”鉆孔平臺，如圖3所示，剩余鋼護(hù)筒利用鉆孔平臺進(jìn)行精準(zhǔn)施工。

圖3 鉆孔平臺立面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical layout of boring platform

4.3 裝配式鉆孔平臺

在主墩承臺施工過程中，高水位為307 m，低水位為291 m，開始施工時處于低水位，平臺頂?shù)脑O(shè)計標(biāo)高為295 m，當(dāng)水位開始提升到293 m時，需要將裝配式鉆孔平臺整體起吊，根據(jù)高水位時平臺設(shè)計標(biāo)高重新安裝抱箍牛腿，再將平臺安裝在牛腿上連接固定，重新安裝的平臺頂標(biāo)高為309 m。裝配式鉆孔平臺的整體起吊需要在整體式等高主梁的四角焊接吊耳結(jié)構(gòu)，如圖1所示，使用拆卸式80 t浮吊對平臺進(jìn)行整體吊裝。

抱箍牛腿的使用，很好地適應(yīng)了庫區(qū)水位的大幅變化，使得鉆孔平臺能夠根據(jù)水位的變化整體提升或下放，抱箍牛腿結(jié)構(gòu)如圖4所示。在施工過程中，抱箍牛腿受到的最大豎向荷載設(shè)計值為694 kN。

圖4 抱箍牛腿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of hoop bracket

按照最不利原理，假設(shè)鋼抱箍體的兩扇半圓不平衡受力，豎向荷載均由鋼抱箍兩側(cè)的8.8級M22螺栓組承受，查找資料[12]對其抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

單根M22螺栓的允許承載力：

式中：P為高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力，M22螺栓取190 kN；μ為摩擦系數(shù)，取0.3；n為傳遞摩擦面數(shù)目，取1；K為安全系數(shù)，取1.7。

所需螺栓數(shù)目：

每個鋼抱箍實(shí)際設(shè)置螺栓總數(shù)目為24個，能滿足豎向荷載的抗剪承載力的要求。

鋼抱箍在螺栓擰緊后，通過橡膠的摩擦能提供足夠的豎向支承力。由最大靜摩擦力公式計算鋼抱箍與鋼護(hù)筒之間的正壓力：

式中：F為豎向荷載；μ為摩擦系數(shù)，鋼抱箍與鋼護(hù)筒之間設(shè)置一層橡膠，取0.3。

此壓力由24根M22高強(qiáng)螺栓產(chǎn)生，單側(cè)抱箍螺栓組截面共12根螺栓，分2排布置，考慮螺栓群受力為更偏安全設(shè)計，因此假設(shè)12根螺栓平均受力，則單個螺栓的拉力為N1=96.4 kN。螺栓連接的軸向拉應(yīng)力為：

因此，在鋼抱箍按高強(qiáng)螺栓預(yù)拉力擰緊后，便可為抱箍牛腿提供足夠的豎向承載力。

5 結(jié)語

1）采用多用途浮箱搭設(shè)浮式平臺，拆卸方便，具有施工工藝簡單、輔助材料投入少、操控性強(qiáng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。利用拋錨加上卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行定位，配合全站儀實(shí)時監(jiān)測，可以達(dá)到精準(zhǔn)定位的目的。

2）河床為堅硬巖石裸露河床，采用沖擊鉆配合全站儀，保證小沖程、連續(xù)性沖孔，每進(jìn)深30～50 cm，采用氣舉反循環(huán)法清孔一次，形成精準(zhǔn)的定位坑。堅硬巖石成孔不會塌孔，輔助措施少，施工方便、速度快且能節(jié)省成本。本技術(shù)解決了深水裸巖鉆孔平臺“生根”的技術(shù)難題。

3）鉆孔平臺采用“板凳式”結(jié)構(gòu)，相鄰沖砸坑相互影響小，單根鋼護(hù)筒定位錨固效果好，結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)良，能抵抗一定水流沖擊，安全可靠。

4）利用抱箍牛腿便于拆卸和整體式鉆孔平臺可吊裝的優(yōu)點(diǎn)，使得裝配式鉆孔平臺可以根據(jù)水位高差變化進(jìn)行提升或下沉，以克服庫區(qū)水位大幅變化的施工環(huán)境，讓各個施工階段不受水位變化影響，為同類型樁基施工提供了參考。