悬挑式平台在深水钻孔灌注桩施工中的应用

DOI编码：10.19412/j.cnki.42-1395/u.2016.06.008悬挑式平台在深水钻孔灌注桩施工中的应用吴纬功黄声斌胡伟才（长江重庆航道工程局重庆400010）【摘要】深水钻孔灌注桩作为水工构（建）筑物的下部结构的重要组成部分，其钻孔操作平台的搭设是施工的关键所在，尤其是随着水域环境的复杂程度和水深的增加，钻孔施工平台的经济适用性和安全性也将受到严峻挑战。本文以重庆某滨江路护岸挡墙排危加固工程为例，从方案的选择入手，对悬挑式平台的设计、施工及稳定性计算等方面进行了详细的阐述，对于高桩码头、桥梁桩基及临水护岸等工程的群桩、排架桩等深水灌注桩施工具有很好的借鉴意义。【关键词】悬挑式平台；深水灌注桩施工；应用【中图分类号】U44文献标识码：A文章编号：1006-7973（2016）06-0046-101工程概况

重庆某滨江路护岸挡墙排危加固工程位于重庆市主城区内，毗邻长江主航道，工程沿线码头众多，缆绳密布，且上方紧邻重庆市的交通要道——滨江路,不具备大填大挖条件，采用重力式支挡结构施工难度较大。针对该段岸线现状，设计采用桩板挡墙布置方案，沿滨江路现状一阶加筋土挡墙外侧1.0m布置悬臂桩板挡墙。共有267根抗滑桩，桩顶高程174.0m，桩身为圆形，桩径为Φ2.8m～Φ3.2m，桩中心间距均为5.0m，桩长24～36m不等，全部位于现状一阶加筋土挡墙外侧的长江主河道中，施工受长江水位影响较大，只能采用搭设水上施工平台的方式进行抗滑桩作业。

环境发生了重大的变化，相对低水位期时间大大缩短，为每年3月份至6月份，水位基本在165m以下，对抗滑桩施工有利；每年7月份至9月份为长江主汛期，最大洪水位达到185m以上，且洪水来势迅猛，频率高，安全风险较大，无法施工，按照长江委等相关部门的防汛要求，必须于汛期来临之前拆除全部施工平台，以确保度汛安全；每年10月份至次年2月份，为三峡大坝蓄水期，水位相对较高，基本保持在170.0m左右，但流速相对较小，对水下桩基施工影响较小，有利于桩基施工。

2009—2015年水位历时曲线如图1所示。2.2工程地质条件

该工程施工场地内地层结构自上而下依次为原加筋土挡墙抛石基础、砂卵石、基岩（泥岩、砂岩）等，施工平台下部结构采用钢管桩基础时须穿越抛石基础并进入砂卵石地层，因此，在插打过程中极易因钢管桩变形较大造成沉放困难等问题，施工难度较大。

2工况条件分析

2.1水文条件

工程位于三峡大坝库尾区域，根据历年来重庆水文记录资料，三峡大坝蓄水后，施工区域的水域

462016·6航道工程设计与施工

2.3周边环境条件

工程施工范围处于重庆朝天门港主港区内，沿线停靠的趸船设施及大型船舶较多，施工环境复杂，施工干扰大。据调查统计，在本标段长1.32km的长度内，共有15个泊位，19艘趸船，对工程有影响的

系锚设施超过185个。施工沿线缆绳密布，水电管线较多，且移船困难，对施工干扰非常大。另外，受长江水位变化的影响，缆绳的高度和位置也在不断变化，特别是在汛期，水位经常出现陡涨陡落，给施工平台的使用安全带来了较大的隐患。

图12009年—2015年水位历时曲线图

3平台搭设方案的选择

针对本工程工期紧、任务重、低水位施工时间短、高水位期平台下部结构搭设连接困难等施工难

题，结合现场实际情况，提出了两种技术方案。3.1方案一：分段搭设钢管桩平台

方案一的平台立面图如图2所示。

图2第一种方案平台立面图

2016·7中国水运·航道科技

根据总体工期及跳桩施工的要求，抗滑桩共分三个阶段进行施工，每个阶段分多段搭设共计450m长的施工平台，下部结构采用Φ529×10mm钢管桩斜联连接做支撑，上部采辅以Φ325×6mm钢管平、

用“型钢+贝雷梁”结构，每段抗滑桩完成后，拆除平台并依次进行下一阶段平台搭设、抗滑桩施工，如此循环，直到完成全部抗滑桩施工。

该方案中平台搭设面积较大，且连成一片，整体稳定性较好。但是该方案的缺点也比较明显：平台搭设周期长；汛期时拆除难度较大；沿线系缆设施较多，对平台安全影响较大；高水位期平台下部结构的钢管桩平、斜联焊接施工困难，平台安全隐患较大；一次性投入材料较多，成本较高。3.2方案二：钢管桩平台+悬挑平台

全部桩基分两个阶段组织施工：第一阶段采用跳9根桩施工的方案，下部结构采用Φ529×10mm钢管桩辅以Φ325×6mm平、斜联连接作支撑搭设26个平台，先完成26根桩基，然后拆除平台，安

全度汛，等待混凝土龄期；汛期过后第二阶段桩基施工时，混凝土龄期已达到设计强度要求，此时充分利用已成型抗滑桩及外围钢护筒作为平台下部支撑结构，在桩基钢护筒上焊接牛腿，再在牛腿上搭设“型钢+贝雷梁”悬挑结构的钻机平台，取消了平台下部钢管桩施工。

该方案的优点在于：平台搭设时间短，安拆方便，汛期拆除工作量小，且上部结构可整体吊装，节约工期；取消了下部结构钢管桩施工，减小了施工水位的影响；可提前制作并在已成型的抗滑桩钢护筒上焊接牛腿，基本不受抗滑桩施工影响；可通过局部临时改迁的方式，避开沿线趸船系缆设施对平台的影响；一次性投入材料少，节约成本。不足之处就是第一阶段平台下部钢管桩较少，抗滑桩施工时，受冲击荷载的影响，平台存在一定安全隐患，但可通过在岸坡上增设地梁并与加宽平台进行连接或在悬挑平台前端增设钢管桩来保证平台的水平方向上的稳定。方案二的平台立面图如图3所示。

图3第二种方案平台立面图

通过以上对比分析，方案二采用“平台+悬挑平台”在经济合理性、技术可行性、安全施工及工

482016·6期保证等方面具有显著的优势，因此，本工程拟采用第二种平台搭设方案进行的抗滑桩施工。

航道工程设计与施工

4悬挑式平台设计

4.1平台高程的确定

深水施工平台的高程主要考虑在施工期间内最不利的自然状况（如汛期）下，能够保证施工作业不受影响。其高程按下式计算：

H=h1+h2+s

为钻机设备两侧工作面宽度，一般取1.5～2.0m。

长度按下式计算：

A=L+D+S′

2L为钻机设备的长度式中：A为平台长度；（外轮廓S′为钻机设备两端D为抗滑桩钢护筒外径；尺寸）；

工作面宽度，一般取1.5～2.0m。4.3平台下部结构

在钢护筒上对称焊接八组型钢牛腿作为平台的下部支撑结构，牛腿标准尺寸为H×B×L=800mm×300mm×500mm，长度L可根据护筒直径进行调整，但应保证牛腿前端位于同一水平面上。牛腿与钢护筒采用焊接连接，竖向焊缝长度800mm，焊高不小于8mm。制作牛腿时，考虑预留螺栓孔，以便于上部结构主横梁与牛腿的连接。

牛腿平面、里面布置如图4、图5所示。

h1为施工期间最高水位；h2H为平台顶高程；式中：

为平台上部结构高度（含主横梁、贝雷梁、分配梁及1.0m。

4.2平台平面尺寸的确定

面板等）；s为牛腿底部安全超高，一般取0.5～

平台的平面尺寸按成孔孔径大小和施工设备的尺寸确定。宽度按下式计算：

b=D+2×S

Sb为平台面宽度；D为抗滑桩钢护筒外径；式中：

图4牛腿平面布置图

图5牛腿立面布置图

2016·9中国水运·航道科技

4.4平台上部结构

贝雷梁、平台上部结构由2I45b型钢主横梁、I16@60顶层分配梁及δ=10mm面层钢板组成，并

20mm，悬挑平台施工时灌注桩混凝土已经达到龄期，在制定方案前，采用Ansys三维非线性有限元对“钢护筒+灌注桩”体系在施工荷载作用下结构的受力和变形进行了分析，并确认钢护筒抗撕裂能力、灌注桩混凝土的强度指标均满足施工要求，因此，本文将重点从冲击荷载作用下牛腿的弹塑性变形、悬挑平台的稳定性等方面入手，对悬挑式平台的稳定性进行系统分析。5.1计算假设

采用有限元计算软件MIDAS空间结构1：1建立模型，并按照荷载实际情况进行加载。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009—2009）规定，按永久荷载（恒载）分项系数取1.2，可变荷载分项系数取1.4进行模型计算，其基本假定如下：

1）贝雷梁、型钢部分由计算机自动计入自重；2）荷载组合按分布形式，以集中荷载或均布荷载方式加入；

3）贝雷梁、型钢间采用弹性连接或刚性连接；4）贝雷梁、型钢均设置为梁单元；5）支承的边界条件无转动自由度。5.2荷载计算组合

本方案中平台10mm面板与分配梁I16工字钢焊接成框架结构，其结构稳定可靠，在此不再对面板进行计算，仅对I16工字钢、贝雷梁、I45b工字钢、钢管桩等进行计算即可。

具体荷载计算组合如表1所示。

在其上设置安全护栏。主梁、贝雷梁、分配梁呈空间网格形式布置，相互之间采用M16“U”型螺栓固定。

（1）主横梁主横梁由2根45b工字钢拼接而成，并预留螺栓孔，采用Φ32精轧螺纹拉杆将2I45b工字钢连接固定在牛腿上。

（2）贝雷梁用“321”型贝雷梁，沿桩基中心连线方向放置“U”型螺栓固定。在主横梁上，与主横梁间采用M16

（3）顶层分配梁顶层分配梁采用I16工字钢，与主横梁布置方向一致，布置间距60cm，分配梁与贝雷梁之间采用M16“U”型螺栓固定。

（4）面板采用δ=10mm厚Q235钢板满铺，并与分配梁点焊连接。

（5）栏杆平台四周设置防护栏杆，栏杆采用Φ48×3.5mm钢管制作，高1.5m，与平台焊接连接，外挂密目式安全网。

5悬挑式平台稳定性计算

由于本工程项目的钢护筒壁厚较大，已达到表1

构件名称I16工字钢

各构件的荷载计算组合表

荷载组合

1.2×（①＋②＋⑤）＋1.4×（⑦＋⑧）1.2×（①＋②＋③＋⑤）＋1.4×（⑦＋⑧）1.2×（①＋②＋③＋④＋⑤）＋1.4×（⑦＋⑧）1.2×（①＋②＋③＋④＋⑤＋⑥）＋1.4×（⑦＋⑧）

“321”型贝雷梁I45b工字钢

型钢牛腿

②I16热轧普通工字钢自重；③“321”型贝雷梁自重；④I45b热轧普通工字钢自重；⑤钢管护栏自重；⑥型钢牛腿自注：①Q235钢板自重；重；⑦钻机荷载；⑧施工及人群荷载。

502016·6航道工程设计与施工

5.3平台下部结构受力计算

平台下部结构的灌注桩混凝土、钢护筒及牛腿均采用非线性有限元方法对其进行受力特性分析，计算原理基本相同。计算模型均为实体单元，混凝土采用solid65单元，钢护筒及牛腿焊接体系采用solid45单元。

表2

荷载大小牛腿最大有效应力（MPa）混凝土最大拉应力（MPa）混凝土最小压应力（MPa）结构整体变形（mm）牛腿变形（mm）桩身轴力（kN）混凝土是否出现开裂

考虑到平台上荷载存在不确定性，因此，计算时上部荷载按60t、80t、100t、120t四种情况分别进行梯级加载，混凝土按设计强度的70%（7天龄期）进行计算。

灌注桩混凝土、钢护筒及牛腿在荷载作用下的受力特性计算结果如表2所示。

灌注桩混凝土、钢护筒及牛腿受力计算结果

60t62.91.192.340.780.7600否

80t83.61.183.111.371.379860否

100t1191.626.561.651.6510100否

120t1491.917.1.81.810460是

从有限元仿真计算结果可见，7d时混凝土强度已经能够满足搭建贝雷梁平台及钻孔施工的受力要求。当上部结构的计算荷载不超过100t时，钢护筒及牛腿的应力变形均满足结构安全使用的要求，灌注桩桩身的完整性较好；当上部结构计算荷载达到120t时，钢护筒及牛腿的应力变形已超出许可值，灌注桩混凝土也出现开裂的情况，影响结构的整体稳定。

由于平台上部结构的最大计算荷载为78t左

右，因此，利用已经形成的灌注桩及钢护筒体系作为下部支撑结构搭设悬挑式施工平台的结构稳定性满足施工要求。5.4平台上部结构受力计算

（1）各构件的受力计算根据上述荷载计算组合，按照最不利工况，采用有限元计算软件MIDAS空间结构，按1：1建立悬挑式平台上部结构的计算模型，如图6所示。该模型计算结果如表3所示。

图6悬挑式平台各构件受力计算模型

2016·651中国水运·航道科技

表3

构件名称

计算应力

I16工字钢

各构件的受力计算结果

应力（MPa）

容许应力145210145

计算挠度1.22.00.9

挠度（mm）

结论

容许挠度1.515.03.75

满足要求满足要求满足要求

27.0100.327.7

321贝雷梁I45工字钢

上述计算结果均满足要求。另外，根据上述模型，计算出支座处最大支反力为22.3t，即单个牛腿最大受力为22.3t。

（2）平台上部结构整体稳定性计算钢平台整体稳定性计算屈曲特征值图如图7所示。屈曲特征值计算结果如表4所示。

图7悬挑式平台整体稳定性屈曲特征值图

表4

模态123456

特征值

结构稳定性特征值计算结果

容许误差3.94E-231.76E-231.00E-172.67E-176.98E-061.94E-06

22.2001122.2491124.8849724.9299933.1126733.22283

根据Midas软件对钻孔平台进行屈曲分析，悬挑式平台的最小稳定性特征值为22.2，整体稳定性满足要求。

522016·66悬挑式平台施工工艺

6.1施工工艺流程

悬挑式平台施工工艺流程如图8所示。

图8

悬挑式平台施工工艺流程框图

6.2型钢牛腿施工

型钢牛腿采用δ=10mm和δ=20mm两种厚度的Q235钢板加工制作而成。

（1）测量放样测量放样工作分两步进行，一是根据牛腿设计图纸的要求，在对应的钢板材料上将实际尺寸、轮廓线标示出来，以备下料；二是在灌注桩钢护筒外侧将牛腿的焊接位置在护筒上标示出来，以便于在焊接过程中对牛腿的位置及高程进行准确的控制。

（2）钢板加工采用剪板机或火焰数控等离子切割机将钢板加工成图纸所需要的尺寸，同时将焊缝两侧至少5cm范围内的锈蚀、油污等杂物清理干净，并露出新鲜的金属光泽，以保证焊接质量。

（3）牛腿制作将加工好的板材按照图纸要求依次进行拼装，点焊进行临时固定，全部拼装完毕后，检查牛腿的外观尺寸，确认符合要求后再进行焊接。

牛腿采用手工方式进行焊接，焊接时，应控制焊接方向、焊接电流、焊缝尺寸，每一焊缝熔敷金属的深度或熔敷的最大宽度不应超过焊缝表面的宽度，同一焊缝连续施焊，一次完成。焊接完成后，清

航道工程设计与施工

理焊缝表面的熔渣和金属飞溅物，并检查焊缝厚度及外观质量，如不符合要求，应进行补焊或打磨。

（4）牛腿安装安装前，应先将护筒外侧施焊处两侧至少5cm范围内的锈蚀、油污等杂物清理干净，并露出新鲜的金属光泽，以保证牛腿的安装质量。

牛腿加工制作完成后，采用吊车将牛腿吊至指定位置，根据在钢护筒上测量放样的位置及高程，悬空调整牛腿，确认其高程、位置基本符合要求后，再用水平尺进行微调，使其完全达到图纸要求后进行临时固定，然后按照前述的焊接要求进行牛腿的焊接安装施工。6.3平台上部结构施工

平台上部结构施工主要包括主横梁、贝雷梁、

顶层分配梁，钢面板及防护栏杆等内容。

（1）主横梁施工前，先在现场将2根I45b工字钢拼接在一起，然后根据牛腿位置尺寸在双拼工字钢顶面和底面分别焊接顶板和底板，并预留螺栓孔，以便于主横梁与牛腿、主横梁与贝雷梁之间连接。安装时，采用吊车吊至指定位置，并采用Φ32精轧螺纹拉杆将2I45b为了防止应力集中造成主梁破坏，工字钢连接固定在牛腿上。

可在主横梁

顶底板两侧加设襟板，提高主梁的刚度。

（2）贝雷梁现场拼装成型后，用吊车吊放主横梁上，在垂直主横梁方向上用M16“U”型螺栓进行连接固定。

（3）分配梁分配梁采用I16工字钢，间距60cm，与主横梁布置方向一致，分配梁与贝雷梁之间采用M16“U”型螺栓连接固定。

（4）面板及栏杆分配梁安装完成后，依次进行面板铺装及防护栏杆的安装。面板与分配梁之间采用点焊连接，栏杆立杆与面板采用焊接连接。6.4平台体系转换

桩基施工完成后，将平台上面钻机及其他杂物

2016·653中国水运·航道科技

采用整体吊装清理干净，松开Φ32精轧螺纹拉杆，的方法将贝雷梁及以上结构整体吊装至下一施工地点，进入下一轮桩基施工。

定的影响。因此，在平台搭设前，可采用有限元方法，对混凝土早期强度进行建模分析，结合以往的施工经验，并现场试验，确定钻孔作业对桩身的完整性及混凝土后期强度最低值。

（2）合理安排施工7施工中应注意的问题

（1）混凝土早期强度悬挑式平台施工的核心问题在于施工第二根及以后的桩基必须以第一根桩基为基础，因此，施工前，必须根据工程实际情况及工期要求进行合理安排，确定第一根桩基的具体桩号，然后围绕第一根桩基，按照图9所示的“1→2→3→4……”的顺序进行跳桩施工，直到完成全部桩基施工。

悬挑式平台的优点在于充分利用了已完成的灌注桩和钢护筒体系作为平台的下部支撑结构来承受平台及以上的全部施工荷载，取消了钢管桩基础，大大降低了施工难度及施工成本。但考虑到冲孔施工振动较大，对混凝土早期强度可能会造成一

图9抗滑桩施工顺序图

（3）施工中应加强平台监测8工程实例

根据施工总体计划安排，在重庆某滨江路护岸挡墙排危加固工程施工中，全部桩基分两个阶段组织施工：第一阶段为2015年5月份至6月中旬，本阶段采用跳9根桩施工的方案，下部结构采用Φ820×斜联连接作支撑10mm钢管桩辅以Φ325×6mm平、

搭设26个的钢管桩施工平台，先完成26根桩

由于冲孔施工振动较大，可能会对作业平台的安全造成一定的影响，在施工过程中，必须重点加强对悬挑平台牛腿焊缝、连接螺栓的监测，如出现由焊缝开裂或螺栓松动现象，立即停止钻孔作业，采取补焊或必要的加固措施后方可继续施工，以防发生意外。

542016·6航道工程设计与施工

基。2016年6月中旬首桩完成后开始拆除平台，7—9月份安全度汛，等待混凝土龄期，同时利用汛期进行牛腿制作和安装。

2015年10月份汛期过后，开始第二阶段抗滑桩施工时，依次在牛腿上安装2I45b工字钢主横梁、“321”型贝雷梁、I16工字钢分配梁，并铺设10mm厚钢板，焊接安全护栏，形成第二阶段施工平台。然后按照图9所示的顺序依次完成抗滑桩施工。

该工程于2015年5月份开工，2016年4月中旬完成了全部267根抗滑桩施工，在保证施工安全的前提下，计划工期目标提前近两个月完成，大大减轻了2016年的防汛压力。

一次性投入材料的数量和人工、机械费用，可节约成本30%以上，经济效益显著。同时，利用灌注桩作为基础搭设的悬挑式深水施工平台拼装和拆卸流程简便，且能实现上部结构整体吊装和流水作业，大大加快施工进度，从而有效缩短施工工期。对于深水群桩、排架桩等灌注桩基础施工具有很好的指导意义。【参考文献】

[1]中华人民共和国国家标准（GB50017—2003）.钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社,2003.[2]中华人民共和国国家标准（GB50755-2012）.钢结构工程施工规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2012.【收稿日期】2016-09-28

【作者简介】吴纬功（1981-），男，工程师，主要从事

9结论

与钢管桩施工平台相比，悬挑式平台充分利用已完成的灌注桩钢护筒及牛腿体系共同作为平台的下部支撑结构，取消了钢管桩施工，大大减少了

市政路桥工程的施工工作。

长江中游新洲—九江河段航道整治工程顺利竣工验收2016年11月3日，交通运输部水运局在九江市组织召开长江中游新洲—九江河段航道整治工程（以下简称“新九工程”）竣工验收现场核查会。与会代表和专家认为，新九工程已按批准的规模、内容建设完成，建设效果明显，一致同意该项目竣工验收，标志着新九工程正式交付使用。

新洲—九江河段位于武汉—安庆河段，是长江中、下游的“关节”段，为长江中游重点浅水道之一。工程实施前，新洲浅区和九江上浅区的发展导致该河段航道条件趋于不利，航道水深只能维持4.0m，严重制约了九江港的发展以及九江航段航运效益的发挥。为了进一步改善新九河段通航条件，2011年10月，交通运输部批准实施新九工程，总投资4.3亿元。该工程按照“攻守并重”的系统治理思路，针对重点浅区采用了护滩带、梳

（来源：长江航道局工程建设指挥部）

2016·6齿坝、护岸等工程措施，以应对徐家湾边滩头冲尾淤，鳊鱼滩洲头冲刷萎缩的不利局面。工程实施后，新九河段内浅区段航槽内最小水深维持达4.5m以上，航道条件明显改善。

据悉，为确保工程顺利实施，长江航道局工程建设指挥部提前谋划，积极协调，快速完成了土地征用、青苗补偿等外围工作，并在工程实施中着力开展“平安工地”创建活动，首次推行《长江航道整治工程现场管理绩效考核办法》，不断强化施工质量安全管理措施。2012年，该工程被交通运输部评为“平安工地”示范项目，并在部质量安全督查中获得高度好评，为后续工程的建设管理积累了宝贵的经验。

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