永临结合钢管桩平台施工技术在高桩码头中的应用_侯禹辰.pdf

广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年3月第30卷 第3期MAR 2023Vol.30 No.3DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.03.020作者简介：侯禹辰（1996-），男，硕士，助理工程师，主要从事地下及市政工程施工与研究工作。E-mail：0引言随着我国基建行业飞速发展，港口码头工程日渐增多，目前国内对于高桩码头施工大部分都是采用贝雷梁体系搭建临时钢栈桥、钻孔灌注桩临时钢平台，从而达到海域施工转换为全平台陆域施工的效果1-5。但这种施工方法前期需要搭设临时施工平台，后期又得大规模拆除，工期、成本也随之增加，特别是对于人工岛上的附属码头工程，施工现场的周边环境较为复杂，临时平台的搭建受到限制，因此，如何在保证安全、工期以及成本的基础上完成海域人工岛高桩码头施工平台的搭设成为一项亟待解决的施工难题。永临结合的施工理念在国内已有一定的研究，王日艺等人6将永临结合的钻孔咬合桩运用在下穿通道工程中，解决了临时支护仅在基坑施工阶段利用的问题；王茂等人7研究了地下室底板布设塔吊基础永临结合施工技术的应用，降低了施工难度，加快了施工进度；沈波等人8对门架式双排桩永临结合基坑围护方案进行分析，从内力及位移计算、造价以及工期等方面得出了永临结合施工技术的优势更加明显。可以看出永临结合的施工技术在地下、建筑等工程都已有所应用，而在海域人工岛施工环境下的高桩码头工程中，永临结合施工技术的研究内容较少，深圳某码头工程临近人工岛岛壁，周边存在岛壁基底搅拌桩加固，另外还受到工期、成本的限制，无法大规模搭设临时钢栈桥和钢平台，本文将根据该项工程实例，详细探讨永临结合钢管桩施工平台的设计方案和关键施工技术，可为类似工程提供一定的参考经验。1工程概况1.1依托项目概况依托项目工程位于深圳侧岸滩，宝安机场南侧、紧邻机场福永码头，东侧与机荷高速枢纽衔接，西接沉管隧道，南北向与沿江高速机场衔接。东人工岛救援码头设在东人工岛西南侧，采用高桩码头+抛石斜坡式岛壁结构，码头长 101.0 m，宽 22.6 m，码头底部基础为钻孔灌注桩，上部为现浇平台结构。具体项目永临结合钢管桩平台施工技术在高桩码头中的应用侯禹辰，李东乾，李云超，祝阿龙，余露（中铁隧道集团三处有限公司深圳518000）摘要：针对复杂海域人工岛高桩码头施工中存在的问题，提出永临结合的钢管桩平台施工技术，钢管桩既可以作为码头施工的临时钢平台基础，又可以作为灌注桩浇筑时的护筒。结合深圳某码头工程实例，阐述了永临结合钢管桩施工平台的设计方案以及关键施工技术，并且利用有限元软件对施工平台进行受力分析，验证了平台结构的安全可靠性。工程实践表明：永临结合施工技术在实际工程中应用效果良好，有效地解决了复杂海域人工岛环境下施工存在的一系列问题，施工安全、工期、质量可控，取得了良好的社会、经济效益，可为今后类似工程实践提供借鉴。关键词：永临结合；钢管桩平台；高桩码头；施工技术；应用中图分类号：U655.4文献标志码：A文章编号：1671-4563（2023）03-088-05Application of Steel Pipe Pile Platform Construction Technology in High Pile QuayApplication of Steel Pipe Pile Platform Construction Technology in High Pile QuayCombining Permanency and TempoparyCombining Permanency and TempoparyHOU Yuchen，LI Dongqian，LI Yunchao，ZHU Along，YU Lu（China Railway Tunnel Group Three Co.，Ltd.Shenzhen 518000，China）AbstractAbstract：Given the construction problems of a high pile quay on an artificial island in the complex marine environment，the temporaryand permanent combination technique of a steel pipe pile platform is proposed，which the steel pipe pile can be used as both the temporarysteel platform foundation for quay construction and the shoring when pouring the infill pile.Combined with the example of a terminal inShenzhen the design scheme and key construction technique of the construction platform with the above technique are explained.The forceanalysis of the construction platform is carried out by finite element software to verify the safety and reliability of the platform structure.Engineering practice shows that：the application effect of temporary and permanent combination technique in the actual project is good，whichcan effectively solve a series of problems in the construction of the artificial island in a complex marine environment，ensure the safety，schedule and quality in the construction process，achieve good social and economic benefits and provide a reference for the future practiceof similar projects.Key wordsKey words：combining permanency and tempopary；steel pipe pile platform；high pile pier；construction technology；application88侯禹辰，等：永临结合钢管桩平台施工技术在高桩码头中的应用MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期平面位置及码头设计如图1、图2所示。1.2水文及气象情况救援码头区域海床面标高（-6.15）（-2.87）m，最低水深2.674.87 m、最高水深5.958.15 m，平均高潮位1.28 m；平均低潮位-0.18 m；平均海平面0.52 m；最大潮差3.22 m；平均潮差1.47 m。海域的年平均波高为0.2 m，最大波高为1.92 m；海域潮流系数变化趋势为自北向南逐渐递增，潮流的运动形式以往复流为主。地下水分为松散岩类承压水含水岩组和基岩裂隙水，松散岩类承压水含水层 主要富含于砂砾层、含砾中粗砂层。该区域属于亚热带海洋性气候，受欧亚大陆和热带海洋的交替影响，该区域天气气候复杂多变，灾害性天气频繁。根据现场实测数据，极端风速为27 m/s。1.3地质情况工程地勘显示，码头施工陆域和水域隶属华南褶皱系，地层自上而下依次为淤泥层、淤泥质土层、黏土层、粉砂质黏土层、砂土层、全风化花岗岩、强风化花岗岩以及中风化花岗岩层，其中，淤泥层厚度在814 m左右，淤泥下软土层厚度在36 m左右。场区软土具有含水量高、孔隙比大、高压缩性、低强度、低渗透性、易触变和流变等特点。2总体施工方案深圳某码头设计为高桩码头，底部为80根灌注型嵌岩桩，为给嵌岩桩施工提供便利条件，将先进行钢护筒打设施工，待护筒全部打设至全风化岩层。随即展开抛石岛壁施工，作为行驶履带吊，运输车辆、挖机等施工设备的施工便道，在岛壁抛石施工过程中考虑到潮汐因素，将设计的-0.6 m抛石岛壁顶部标高暂时提高至+0.6 m，增长岛壁便道通行时间。同时，利用钢护筒作为支撑搭设一个长 100 m，宽 22 m，总面积2 200 m2的钢管桩施工平台，东南侧放置临时钢栈桥板连接岛壁与作业平台作为人行便道，从而提高灌注桩施工效率及施工安全性，改善水上作业条件，减少水上作业船舶数量与时间，节约成本。施工平台平面布置如图3所示，现场实际施工如图4所示。3永临结合钢管桩平台设计及验算3.1钢管桩平台结构设计钻孔灌注桩作业平台采用永临结合的思路，平台直接以钻孔灌注桩的钢护筒作为基础，为确保平台承载力，钢护筒打设至全风化层下2 m，单根长度2425 m，护筒桩径1.1 m，壁厚为1.2 cm。为提高护筒稳定性，护筒底部1 m部分加厚至1.6 cm，两部分焊接成整体，如图5所示。钻孔灌注桩护筒顶部两侧焊接采用I36三拼工字钢组成的牛腿，牛腿顶部标高+2.24 m；钢护筒纵横向均采用 16焊接剪刀撑以加强平台整体稳定性，靠海侧两排桩纵向护筒间考虑抛石影响不设置剪刀撑，避图1依托工程总体效果Fig.1Relying on the General Effect of the Project图2救援码头效果Fig.2Rescue Dock Effect101m22.6m挡浪墙现浇平台灌注桩橡胶护舷靠船构件图3钢管桩施工平台平面布置Fig.3Steel Pipe Pile Construction Platform Plan LayoutI36三拼工字钢主梁I56工字钢横撑I36三拼工字钢牛腿1 100钢护筒I22工字钢+10 mm花纹钢板I56工字钢连系梁800防撞桩临时栈桥图4现场实际施工Fig.4Actual Construction on Site图5钢管桩分节示意图Fig.5Schematic of Steel Pipe Piles in Sections（m）1#护筒：长12 m，壁厚12 mm，内径1.1 m，外径1.124 m1.241.1122#护筒：长11 m，壁厚12 mm，内径1.1 m，外径1.124 m3#护筒：长1 m，壁厚16 mm，内径1.1 m，外径1.132 m1.241.1111.1321.11匝道隧道岛上隧道填筑段隧道救援码头建筑园林绿化89广东土木与建筑MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期免抛石挤偏。平台主梁采用I36双拼工字钢，南北方向纵向设置，护筒两侧各一组，横向方向采用I56工字钢连接以增强平台稳定性。分配梁及面板采用 I22工字钢及10 mm厚钢板，分配梁间距为33 cm，工字钢与面板焊接成模块铺设在主梁上，采用焊接角钢限位方式防止模块因震动滑移，在充分考虑潮汐因素后将平台面板标高设计为+2.83 m，保证最高潮位时海水无法淹过作业平台。施工平台具体断面如图6所示。3.2临时便桥及附属设施设计平台施工完成后，为便于后期施工过程中材料运输，在码头南部搭设临时便桥连接岛壁与平台。临时便桥采用I36工字钢为骨架，表面铺设10 mm厚防滑钢板，便桥工字钢骨架之间连接部分采用满焊。在平台的面板上部设置1.2 m高金属护栏、警示灯带、码头海侧防撞钢护筒等。3.3结构受力分析验算永临结合钢管桩平台作为码头施工的主要作业平台和运输通道，其结构的安全稳定性是保证施工正常进行的关键，并且由于本项目施工平台中钢管桩永临结合的特点，该平台结构的稳定性也直接影响着钻孔灌注桩的施工质量，目前国内采用有限元软件分析临时钢栈桥、钢平台的方法较为成熟，与传统手算相比，省去了繁琐的计算步骤，节省了计算时间，并且通过位移等值线图、应力云图等计算结果可以清楚知道结构的薄弱位置，进而加以优化9-13，因此，本项目采用有限元软件对施工平台进行受力分析。3.3.1结构受力分析验算平台建模时采用的材料截面参数及容许应力值如表1、表2所示。3.3.2荷载分析永久荷载主要为施工平台的自重，由软件自行加载。可变荷载中考虑最不利的工况，即100 t履带吊、50 t混凝土罐车以及钻孔桩机同时工作，另外海域环境中水流力、风荷载不可忽略，根据相关规范将其换算成集中力，加载于钢管桩顶部。履带吊和混凝土罐车以移动荷载的形式加载于设置好的车道面上，单向往返通行，钻孔桩机以均布面荷载的形式加载于平台上。强度计算时按照1.3永久荷载+1.5可变荷载添加分项系数，挠度计算时分项系数均为1.0，以达到实际变形效果。3.3.3计算模型建立选取4跨施工平台进行建模分析，共建立节点数量5 569，单元数量5 399，弹性连接数量3 605，支承数量20。平台面板采用板单元，分配梁、钢管桩及牛腿等型钢构件采用梁单元模拟，钢管桩底部设置固结约束，各层分配梁之间设置一般弹性连接。附属便桥单独进行建模分析，计算模型如图7、图8所示。3.3.4计算结果通过计算结果可知，该组合工况下模型的最大组合应力为149.47 MPa，最大剪应力为46.71 MPa，最大反力为 241.64 kN，最大位移值为 4.73 mm，具体计算结果如表3所示。施工平台、附属便桥各个构件在强度、刚度验算上均满足要求，本项目因钢管桩永临结合的特性，对图6施工平台断面Fig.6Construction Platform Cross-sectional16槽钢剪刀撑I56工字钢I36双拼工字钢主梁I22330分配梁+10厚面板I36双拼工字钢牛腿限位角钢1 100钢护筒2.930m表1材料截面参数Tab.1Material Cross-section Parameters项目1 100钢管桩，壁厚=12 mm双拼I36三拼I36I22a10 mm厚防滑花纹钢板16槽钢I56I36材料强度Q235Q355Q355Q355Q235Q235Q355Q355使用部位平台桩基础纵向主梁钢管桩外侧牛腿上部分配梁平台面板剪刀撑横向连接件附属便桥表2钢材设计强度取值Tab.2Steel Design Strength Take Value项目抗压弯强度/MPa抗剪强度/MPa弹性模量E/MPaQ235钢2151252.06105Q355钢3051752.06105图7施工平台计算模型Fig.7Construction Platform Calculation Model图8附属便桥计算模型Fig.8Calculation Model of the AttachedRight-of-way Bridge16剪刀撑I56横向连接I36双拼主梁I22a分配梁平台面板1 100钢管桩I36三拼牛腿便桥面板I36工字钢90侯禹辰，等：永临结合钢管桩平台施工技术在高桩码头中的应用MAR 2023 Vol.30 No.32023年3月 第30卷 第3期其沉降控制有较高的要求，虽然钢管桩设计入土深度已达到持力层，但为了保守考虑，还应根据 公路桥涵地基与基础设计规范：JTG 33632019 计算单桩承载力，钢管桩为敞口桩，不计桩端土的承载力及桩内侧摩阻力，仅考虑桩周摩阻力，土层参数如表4所示。则容许单桩承载力为 3.768（152+531.6+602）/1.5=589.82 kN最大反力 241.64 kN，可知单桩承载力满足要求。4钢管桩平台施工4.1钢管桩施工 在运输船在指定区域停靠好后，测量人员及时在钢护筒的顶部标识出相应刻度，控制打设过程中护筒顶标高。开始钢护筒平面位置的定位，测量人员取打桩船上打桩导向架顶部的平面中心，作为钢护筒的平面中心位置。指导打桩船操作人员对船身做出相应的调整，当达到设计要求的位置后，将所有锚缆带紧，保证打桩船的稳定性。船身固定后测量人员再对平面位置及垂直度进行复测。将钢护筒顶部的钢丝绳、抗风缆挂好之后，利用400 t打桩船的吊钩将钢护筒从运输船上吊至导向架的顶部，当钢护筒的底部距导向架50 cm左右时，微调钢护筒位置，使护筒中心对准导向架中心，然后吊钩缓缓下放，保持吊钩的位置始终处于钢护筒中心的上方，使钢护筒沿着导向架垂直插入土中。在钢护筒位置、垂直度满足要求后，吊机卸掉钢丝绳，再采用冲锤对钢护筒进行打设。当钢护筒先打入淤泥层35 m时，测量人员对钢护筒的垂直度及桩位进行检测，若符合要求则继续插打，若有偏差且偏差较大则拔出后重新定位。在钢护筒被锤至设计标高后，停止锤击，打开导向架底座上的闸门，将船顺着闸门开口方向退出。钢护筒设计打设深度为全风化岩层顶面下2 m或冲锤无法再将钢护筒打入为准。4.2牛腿、横向连接件、剪刀撑焊接使用海上浮排、钢筋吊篮等措施，进行I36三拼工字钢牛腿焊接施工，焊接顶部标高为+2.24 m，其中中间工字钢延长焊接成横梁以加强平台整体稳定性：待牛腿焊接完成后，使用起吊船、履带吊进行 16槽钢焊接成斜向、平行加固支撑，将所有钢护筒连接成整体。4.3主梁及上部结构施工主梁待牛腿、剪刀撑及护筒间横向连系梁焊接完成后采用履带吊进行安装，安装过程中采用全站仪对主梁的位置、间距及标高严格进行控制，待位置调整完成后采用焊接的方式将主梁固定在牛腿及护筒上。主梁接长采用钢板进行搭接焊接，钢板与工字钢腹板之间采用满焊，钢板之外交接部分沿着缝隙进行满焊，焊缝不低于二级焊缝标准。平台面板由I22工字钢分配梁及10 mm厚钢板焊接成模块以便于安装，分配梁间距33 cm。在主梁安装完成后，利用履带吊将面板模块安装至主梁上并调整好位置，在位置调整好临时在面板上焊接角钢对面板位置进行限位，从而防止设备行驶过程中导致面板滑落。4.4附属设施安装在平台面板边沿安装设置了挡脚板，高为1.2 m的红白漆金属护栏，平台的钢护筒顶部使用1.81.8 m的钢筋防护网覆盖，保障施工过程中的安全。沿钢便桥及平台临边防护栏顶层横杆设置连续警示灯带及爆闪警示灯。在钢平台海侧施打一排直径800 mm，间距7 m的钢管桩，并在钢管桩上安装爆闪警示灯，保证临时钢管桩平台的安全。5结论与建议本文针对无法大规模搭设临时栈桥及钢平台的海域人工岛复杂施工环境，提出了永临结合钢管桩平台的新思路，从方案设计、结构验算以及现场施工等方面对其进行了详细阐述，并在深圳某码头实际工程验证了该施工技术的安全可靠性，在今后类似工程中主要有以下建议：表3计算结果汇总Tab.3Summary of Calculation Results结构构件1 100钢管桩纵向主梁双拼I36三拼I36牛腿横向分配梁I22a桥面钢板剪刀撑 16槽钢横向连接件I56附属便桥I36骨架整体结构项目组合应力/MPa剪应力/MPa最大反力/kN组合应力/MPa剪应力/MPa组合应力/MPa剪应力/MPa组合应力/MPa剪应力/MPa组合应力/MPa组合应力/MPa剪应力/MPa组合应力/MPa剪应力/MPa组合应力/MPa剪应力/MPa最大位移/mm计算结果11.671.26241.6486.4628.4860.7329.29149.4746.7173.2111.250.6645.5829.18127.5532.524.73表4土层参数Tab.4Soil Layer Parameters土层名称淤泥黏土砂质黏土全风化混合花岗岩桩周极限摩阻力/kPa0155360厚度/m3.382.001.602.0091因永临结合钢管桩平台的所有上覆荷载均由钢管桩两侧牛腿与钢管桩之间的焊缝承担，在方案设计时应充分考虑其设计承载力，适当提高安全系数，并做好结构受力计算，在现场施工时更应着重检查该部分的焊接质量，以此保证施工平台的安全稳定性。参考文献1 杨凯.钢栈桥及钻孔平台施工方法探讨 J.低碳世界，2017（7）：224-226.2 张远东.高桩码头施工中桩基平台的施工技术探讨 J.沿海企业与科技，2010（5）：128-129.3张健，朱玉可.桩基平台施工技术在高桩码头工程中的应用 J.珠江水运，2022（8）：87-89.4郭梅辉.某高桩码头工程钢栈桥及钻孔平台施工技术 J.福建交通科技，2022（4）：92-97.5刘闯.高桩码头全平台施工 J.珠江水运，2022（3）：47-49.6王日艺，黄宗宁，朱万旭，等.永临结合的钻孔咬合桩在城市下穿通道工程中的应用 C/2020年工业建筑学术交流会论文集（下册），2020：446-481.7王茂，高飞，谈世兵，等.地下室底板布设塔吊基础永临结合施工技术 J.中国港湾建设，2019，39（12）：56-59+78.8沈波，陈能成.门架式永临结合结构在基坑围护中的应用J.陕西水利，2016（5）：114-117.9沈波，詹海刚，张富兵.MIDAS软件在海上钢栈桥计算中的应用 J.公路，2012（12）：33-35.10 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