象山港大桥主墩钻孔平台设计
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摘要：结合宁波象山港跨海大桥主桥工程，对主墩基础钻孔灌注桩施工平台设计进行研究与优化，采用钢护筒直接承重，平台上布置一台QTZ315塔吊及一台100t龙门吊，总体布置合理，构造简单，减少了材料和其他起重设备的投入，可为类似深水桥梁桩基础施工平台设计提供参考。
中图分类号：P634.2文献标识码： A 文章编号：
工程概况
宁波象山港公路大桥及接线工程是浙江省水路交通“十一五”期间规划建设的沿海高速公路（甬台温复线）和宁波市高速公路网的重要组成部分。路线全长46.929公里，其中，象山港公路大桥长6.761公里。
全线采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度100公里/小时，象山港公路大桥为双塔双索面斜拉桥，主塔高225.5m，跨径布置为（82+262+688+262+82）m，为浙江省 “第一大跨”斜拉桥，技术含量高，施工难度大。
P73、P74主墩基础采用41根D3.0m/D2.7m钻孔桩基础，行列式布置，桩长分别为120m和98m，桩底进入中风化晶屑凝灰岩。
图1主墩桩基础布置图
钻孔平台设计
2.1平台总体策划
考虑技术先进、经济合理、安全可靠以及工期、资源的配备，经综合比选，象山港大桥主墩钻孔平台采用钢护筒平台配塔吊、龙门吊方案。钢护筒设置钢管桩作为辅助部分，便于材料堆放以及后期钢套箱下放等操作。
采用该方案主要因素如下：
（1）主墩钢护筒材质为Q345C，内径3.0m，壁厚25mm，设计为永久结构，施工后不拆除，与桩基共同受力。钢护筒底标高为-46.0m，河床标高约-20m，入土深度26m，能够提供足够大的摩擦阻力用以支撑钻孔施工荷载。
（2）施工水域水深近20m，为大型打桩设备施工创造了有利条件，钢护筒总长54m，可整根吊装、插打。
（3）主塔施工需要QTZ315塔吊一台，提前进场用于钻孔平台施工，可以减少前期额外起重设备投入。
（4）龙门吊租赁费用较低，配备一台100t龙门吊，可用于钻机移位、钢筋笼下放等施工，工效较高。
2.2设计主要参数
设计高水位：+4.19m
设计低水位：-2.73m
设计流速：1.72m/s
浪高：1.8m
设计风速：40.92m/s
平台顶面标高：+8.5m（满足施工图纸中的平台顶标高应在最高水位以上3m要求）
2.3 钢材允许应力取值
钢护筒（Q345）容许弯应力，容许剪应力；
贝雷片杆件（16锰钢）容许弯应力，容许剪应力；
其它结构（Q235）容许弯应力，取，容许剪应力，取。
2.4平台结构
P73、74主墩钻孔平台为矩形结构，长88m，宽45m。主要划分为钻孔区、材料存放区、办公区、发电区、塔吊基础区等。采用钢护筒、钢管桩、型钢、贝雷片、花纹钢板以及平台附属结构（栏杆、上下通道等）组成。
平台基础采用钢管桩及钢护筒，钢管桩规格为φ1420×12mm（Q235B）。钢护筒规格为φ3050×25mm （Q345C）。钢管桩、钢护筒外表面按设计要求进行防腐蚀处理。考虑涨落潮时水流速，将横桥向最外排钢管设置为斜桩（倾斜8°），以增强钢管桩及平台的整体稳定性。平联及斜撑采用HN400×200型钢，护筒间平联兼作贝雷梁的支撑牛腿。主分配梁采用贝雷片（16Mn）；顶层分配梁采用工16型钢，间距35cm，面板采用10mm花纹钢板，材质均为Q235B。
平台四周设置1.2m高防护栏杆，采用φ42mm×3mm的钢管，间距1.5m。设置两道水平横杆，竖杆顶部及中间各一道。
为方便人员的上下，在交通船靠船位置设置人员上下通道；平台四周护栏钢管上挂设救生圈、警示标语、安装照明及通航警示标志等设施。
具体结构如图2～4所示：
图2 钻孔平台平面布置图(单位:cm)
图3 钻孔平台平面构造图(单位:cm)
图4 钻孔平台立面构造图(单位:cm)
2.5平台的主要特点
（1）总体布置合理，结构简单，受力明确，利于机械化施工，工效高，易于质量控制。
（2）与以往钢管桩承重平台相比，节约大量材料，减少机械设备投入，经济性显著。
（3）充分利用单根护筒自稳性能，护筒间不需设置强大的连接，平联采用HN400×200型钢，兼作贝雷主梁承重牛腿，一举两得，简化了结构。
（4）平联斜撑在后场加工为整体（考虑施工偏差，预留足够长度），根据现场实际测量数据配切，工效大大增强。
（5）直接在护筒内制浆，护筒间设置连通钢管进行泥浆循环，增加了平台的使用面积。
3．荷载及工况
3.1 计算荷载
钻孔平台的设计荷载主要有结构自重、钻机（包括钻杆）荷载、平台堆载、QTZ315塔吊荷载、100t龙门吊轮压荷载、水流压力、波浪力、风荷载等。采用MIDAS 2006有限元分析软件模拟分析，材料按容许应力控制计算。
3.1.1 结构自重
有限元程序自动计入。
3.1.2 钻机荷载
桩基钻孔施工采用KP3500钻机，主机重480KN，钻头及配重块重量240KN，钻杆重量38×13KN＝494KN（钻杆参数：1.3T（3.47m）/节）。故钻机总重量G1＝480+240+494＝1214KN。
考虑1.2冲击系数，则钻机荷载设计值G1=1.2×1214=1456.8KN。钻机荷载在钻孔平台顶面按4点集中力考虑，单点集中力为G1’=G1/4=364.2KN。
3.1.3 钻杆荷载
钻孔在平台上的堆放不超过4层，可按9排4层堆放（平面尺寸为3.6m（宽）×3.47m（长）），则均布荷载G2=4×9×13/（3.6×3.47）＝37.5KN/m2。
3.1.4 施工平台堆载
荷载包括钻孔施工过程中平台顶面摆放的发电机、油罐、泥浆净化器、小型施工器具等，统一按照10KN/m2均布荷载计。
3.1.5 QTZ315塔吊荷载
QTZ315塔吊锚固于港外侧平台的4根钢管桩顶，根据塔吊参数，最大支反力合计N=2600KN。计算时靠平台侧2根桩各加载1000KN，远离平台侧2根钢管桩顶加载500KN。
3.1.6100t龙门吊轮压荷载
100t龙门吊布置于钻孔平台顶面，龙门吊自重110.3t,施工中最大起吊重量按75t计，起吊施工对平台压力的最不利位置为施工外排桩基。
经计算两侧轨道不计门吊自重的支反力分别为66.7t、8.3t，则单侧轨道计入门吊自重的支反力分别为R1=66.7+110.3/2=121.85t,R2=8.3+110.3/2=63.45t。单侧龙门吊共8个轮子，则单个轮压力分别为R1’=R1/8=15.2t,R2’=R2/8=63.45/8=7.9t。考虑1.3倍冲击系数，则轮压力计算值分别为G31=1.3×15.2=19.76t=197.6KN,G31=1.3×7.9=10.27T=102.7KN。
3.1.7 水流压力
水面标高取20年一遇最高水位+4.19m，计算流速取20年一遇最大落潮流速1.72m/s。
对于钻孔区上下游的钢管桩平台，考虑5m的冲刷深度，冲刷后地面线标高以-25.0m计；对于钻孔区的钢护筒，考虑10m的冲刷深度，冲刷后的河床标高以-30m计。
水流力按下式计算：
式中：F—钢管桩所受的水流作用力，kN；
K—挡水形状系数,取0.8；
γ1—水的容重，10kN/m3；
A—迎水面积；
V—水的流速，V=1.72m/s；
g—重力加速度，g=10m/s2。
对于φ1420钢管桩，
F=0.8×1.42×(4.19+25)×10×1.72^2/（2×10）=49.05KN；
对于φ3050钢护筒，
F=0.8×3.05×(4.19+30) ×10×1.72^2/（2×10）=94.5KN；
3.1.8 风压力
风压力按照20年一遇风荷载计算，设计风速为40.92m/s,风压值取水面5m高度处风压值，为0.63kN/m3。
图5 整体模型图
图6模型全部荷载加载图
3.2 计算工况
3.2.1钢管桩单桩稳定性分析
钢管桩单桩稳定性的最不利工况为插打完成后，未连接平联前，单桩在水流力、波浪力、风力作用下的强度及稳定性分析，荷载组合为：水流压力＋波浪力＋风压力。经计算，最大组合应力为164.2MPa＜188MPa（对临时结构，可取1.3倍允许应力值，即1.3×145=188MPa），满足受力要求。
3.2.2 钻孔区平台
（1）工况一：结构自重+钻机荷载（6台）+钻杆荷载+堆载+横桥向水流压力+横桥向波浪力+横桥向风压力+门吊轮压荷载+船舶系缆力。
（2）工况二：结构自重+钻机荷载（6台）+钻杆荷载+堆载+横桥向水流压力+横桥向波浪力+横桥向风压力+门吊轮压荷载+船舶挤靠力。
（3）计算结果
从以上数据可知，各构件强度、刚度、稳定性均满足受力要求，并有一定的安全储备。
4．结语
实践证明，象山港大桥主墩钻孔平台结构简单，受力明确、施工机械化程度高、设备投入少、经济适用。该钻孔平台体现了当今最先进的技术水平，可为类似工程施工提供经验借鉴。
参考文献：
[1]肖俭，谢建花，宁艳玲。钢护筒平台在水上钻孔平台施工中的运用。公路，0451——0712（2011）07-0122-06
[2] JTJ215-98港口工程荷载规范
[3] JTJ254-98港口工程桩基规范
[4] GB50017-2003钢结构设计规范