水上可移动式旋喷桩施工平台结构验算

水上可移动式旋喷桩施工平台结构验算

张习上

安徽岩土工程有限责任公司 安徽 合肥，230000

摘要：可移动式旋喷桩施工平台是一种专门用于水上桩基施工的设备。它具备在水域中自由移动和定位的能力，同时能够进行高效的旋喷桩施工。可移动式旋喷桩施工平台具备灵活性强、施工效率高的特点，可以在水域中进行高效的桩基施工。它在建设桥梁、码头、堤防等工程中得到广泛应用，提高了工程的施工效率和质量，同时也减少了对水域生态环境的影响。本文基于深圳某机场跑道改扩建工程，对水上可移动式施工平台立柱系统和安全性进行结构验算和校核，研究结果表明：单桩轴心竖向力满足规范及设计要求，横梁最大弯矩和最大应力满足施工要求；水上平台最大应力位于主梁中间部位，约为71MPa（材料强度345MPa），达到规范设计的安全要求。

关键词：旋喷桩，施工平台，横梁，结构验算

1引言

高压旋喷桩是一种常用的地基处理技术，它通过将水泥浆或混凝土以高速喷射到地下形成旋转的桩体，以提高地基的承载力和稳定性[1~3]。随着建设需求的增加和技术的进步，高压旋喷桩在工程领域得到了广泛应用，并且在发展中不断改进和完善。随着材料和设备的不断创新，高压旋喷桩的施工技术得到了改进和优化[4]。例如，改进喷头设计和控制系统，提高了施工的精确度和效率；采用高性能材料如高强度水泥、添加剂等，提升了桩体的强度和耐久性。高压旋喷桩具有施工速度快、适应性强等特点，可以在较短时间内完成大量桩基施工。随着设备和施工工艺的改进，施工效率得到了进一步提升，可以更好地满足工程进度要求。高压旋喷桩施工中，质量控制是关键。通过引入自动化控制系统和实时监测设备，可以提高施工的精确度和可靠性，确保桩体质量符合设计要求。在高压旋喷桩施工过程中，减少环境污染是一个重要的考虑因素。现代技术不断改进，使得在施工中减少水泥和混凝土的使用量、降低噪音和振动等影响，以减小对周围环境的影响[5~7]。

目前，水上可移动式旋喷桩施工平台在基础设施建设领域发展迅速。这种平台可以用于河流、湖泊等水域的桩基施工，具有灵活性强、施工效率高的特点[8~10]。随着城市化进程和水利工程的不断推进，水上可移动式旋喷桩施工平台在桥梁、码头、堤防等工程中得到广泛应用。该平台的使用可以避免水域深部的大型施工设备进入，节约施工时间，降低施工成本，同时对水域生态环境的影响也相对较小[11~13]。未来，随着技术的不断进步和工程需求的增加，水上可移动式旋喷桩施工平台将继续得到推广和改进，为水域工程建设提供更加便利和高效的解决方案。

本文基于深圳某机场跑道改扩建工程，对水上可移动式旋喷桩施工平台进行结构计算，验证该施工平台在工作过程中的安全性能，保证工程项目的顺利完成。研究结论可为相关工程实际提供参考。

2项目概况

2.1工程概况

深圳机场三跑道扩建工程位于深圳市宝安区，113°47.3′E，22°38.3′N 附近，深圳宝安国际机场深圳机场二跑道以西，沿江高速以东、福永河以南区域 ，地理位置如下图1所示。

图1工程地理位置图

地处珠江三角洲河口湾河海交汇处的拟建场区，覆盖着第四纪不同成因形成的地层。根据本次钻探揭露和区域地质资料，工程场地勘察深度范围内主要地层分布如下：从上至下依次为第四系全新统的海陆交互沉积淤泥、全新统的冲洪积粘土和中砂。

（1）跑道区

跑道区为三跑道范围，长度3680m，宽度75m，地基处理面积为27.6万m2。跑道区陆域形成工程量为461.3万m3。

（2）滑行道区

滑行道区位于跑道区东侧，面积为48.6万m2，地基处理面积为41.6万m2。滑行道区陆域形成工程量为190.7万m3。

（3）穿越道及绕行滑行道区

穿越道及绕行滑行道区位于滑行道区东侧，面积为23.1万m2，地基处理面积为16.5万m2。穿越道及绕行滑行道区陆域形成工程量为44.7万m3。

（4）土面区

土面区为三跑道、停机坪及滑行道周边的绿化用地，面积为152.4万m2，地基处理面积为151.4万m2。土面区陆域形成工程量为679.9万m3。

（5）水面区

水面区为调蓄水池区，面积为43.3万m2，分为吹填后开挖形成的水面区和现状保留的水面区。吹填后开挖形成的水面区面积为14.6万m2，现状场地保留的水面区面积为28.7万m2。水面区陆域形成工程量为81.9万m3。

2.2工程地质

拟建场区位于珠江三角洲河口湾河海交汇处，其上覆盖着第四纪不同时期不同成因形成的地层，根据本次钻探揭露，结合区域地质资料，本工程场地勘察深度范围内主要地层分布从上至下依次为：第四系全新统海陆交互沉积淤泥，全新统冲洪积粘土、中砂，上更新统湖沼沉积淤泥质粘土、淤泥质中砂，冲洪积粘土、中砂，中更新统残积砂质粘性土及全～中风化蓟县系的混合花岗岩。

2.3施工工艺及方法

施工工艺流程分为三次搅拌、两次喷浆工艺，其工艺流程如下：

（1）定放桩位：根据测量定位核实桩位，在轨道上做好标记。

（2）机械定位：桩位核准后，设备就位，对中调平。

（3）预搅下沉：启动搅拌头电机，放松钢丝绳，使搅拌头慢速下沉，若下沉速度过慢，可适当补给清水钻进，直至穿透钻进土层，下沉过程中应减速钻进，电网电压低于额定电压时应停钻以保护设备。

（4）制备灰浆：当搅拌机下沉即将到位时，后台搅拌站应根据配方投料拌制水泥浆液，拌制方法如下：水灰比：0.45；水泥掺入量为20%。

（5）重复搅拌下沉：当搅拌头提升至设计桩顶标高位置时，停止送浆，重复搅拌下沉，下沉速度为0.8m/min。

（6）试块制作：每日做一组试块（尺寸为7×7×7cm3），取重复搅拌提升钻头带出来的水泥土，分层入模捣实、养护，24小时后脱模，编号、记录、养护，到28天送测试单位进行试压。

3计算依据

1、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2012)；

2、《水下深层水泥搅拌法加固软土地基技术规程》（JTJ/T 259-2004）；

3、《复合地基技术规范》（ GB/T 50783-2012）；

4、《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）；

5、《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46-2005）；

6、《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）；

7、《广东省建筑地基基础设计规范》（ DB J 15-31-2003）；

8、《建筑工程施工质量验收统一标准》（GB50300-2013）。

4结构计算

4.1平台结构

本项目采用水上搭设钢结构平台方式（临时施工措施）施工旋喷桩，先在水上进行钢结构平台搭设，施打钢管桩（振动锤工艺）作为平台基础，然后拼接或焊接钢平台上部结构，形成钢结构作业平台后，将旋喷桩设备安装在钢平台上，开展高压旋喷桩施工，旋喷桩施工结束后，拆除钢平台。

旋喷桩施工平台主要由三大部分组成：①立柱系统，②平台系统，③桩机系统。平台总体结构图如图2所示。

图2 平台总体结构图

4.2施工流程

先施工立柱系统，再安装平台系统，最后安装桩机系统。

图3钢平台施工流程

(1)施工立柱系统：测量定位→施打立柱钢管桩→安装桩顶盖板→安装横梁→安装轨道（跨间横向移位处不需安装轨道）。

(2)安装平台系统：安装上平台—→安装下底盘

(3)安装桩机系统：安装走管—→安装桩机机架及动力系统

(4)旋喷桩施工：具体施工工艺方法详见旋喷桩施工方案

(5)由于第二跨与第一、第三跨共用轨道，第一跨和第三跨桩机先施工，待施工一段距离后，第二跨平台系统安装并施工，确保第二跨与第一跨、第三跨互不干扰。

采用打桩船施工钢管桩。钢管桩完成后，采用红外线水准仪测量桩顶标高，高的部分进行氧焊割除整平。钢盖板规格：800*800*16的钢板，钢板的四角采用三角形钢肋板将钢盖板与钢管桩连接固定。

4.3结构计算

（1）立柱桩（钢管桩）结构计算

立柱桩采用Φ630*12的钢管桩。桩长根据地质勘察资料确定，平均水面高程约-0.90m，泥面高程-3.90m，一般桩端进入土层深度约11m，钢管桩桩长一般为15m，持力层取卵石层。

1、平台结构重量：平台结构总荷载约1200KN，结构尺寸17.75m*13.26m。施工时平均由6根钢管桩共同承担平台结构的全部荷载。

2、钢管桩及盖板重量：钢管桩规格Φ630*12，每米重量约183KG。盖板规格为800*800*16。每块钢板自重约0.8*0.8*0.016*7850=80.4KG。6根钢管桩及盖板自重为6*15*183+6*80.4=16470+482=16952KG=169.5KN。

3、横梁重量：上部横梁规格500*300*20的矩形方管，横梁计算长度取13.26m，分布在6根桩上，横梁每米重约251KG。分布在6根桩的的横梁重量为13.26*2*251=6657KG=66.6KN。

4、轨道重量：上部轨道采用50型重轨。轨道计算长度取13.26m，分布在6根桩上，轨道每米重量51.5KG。分布在6根桩上的轨道重量为13.26*2*51.5=1366kg=13.7KN

5、作用于桩顶的单桩轴心竖向力：Nk=(1200+169.5+66.6+13.7)/6=1450/6=242KN

6、考虑到海上作业受风力影响，偏心竖向力作用，旋喷桩提升时土体阻力、桩自重，水的浮力等，实际计算时考虑作用于单桩桩顶的轴心竖向力不小于300KN。

（2）单桩竖向承载力特征值计算

根据地质资料，卵石层标贯击数实测12-57击，修正后平均14.8击。由于缺少卵石层极限端阻力标准值数据，参考JGJ94-2008表5.3.5-2，计算时按钻孔灌注桩最低1400KPa取值。计算结果如下表1（不考虑桩端土塞效应）：

表1 单桩承载力估算

根据公式、上表数据及桩端土塞效应按最不利工况考虑，计算结果如下：u∑qsikLi=659KN ，λpqpkAp=165KN （λp 取0.38），Quk=659+165=824KN，Ra=Quk/K=412KN

单桩轴心竖向力Nk=300KN＜Ra=412KN；满足规范及设计要求。桩侧摩阻力及端阻力取值按地质资料提供的钻孔灌注桩取值，钢管桩的取值应比钻孔灌注桩还要高，可以作为安全储备。

（3）横梁安装及安全性计算

横梁规格：500*300*20的矩形钢，牌号345D。横梁安装前先用红外线水准仪测量定位，并在盖板上做好标记，确保横梁定位偏差符合要求。横梁与盖板之间采用角铁焊接牢固。如下图4（a-b）所示

4（a）

4（b）

图4横梁安装

横梁采用H700*300*13*24的H型钢。横梁长10m，两端分别搁置在轨道上。上部荷载按最不利情况考虑，梁上均布荷载为60KN/m。弯矩Mmax=ql2/8=60*10*10/8=750KN·m

惯性矩 Ix=∑(Ix1+Ai*yi2)＝1.94*109mm4，截面抵抗矩 Wx=Ix/y=5.56*106mm3，最大应力σmax=Mmax/Wx=135MPa < [f]=300MPa，挠度ωmax=5ql4/384EI=19.6mm满足设计及规范要求。

（4）海上移动平台安全性校核

海上移动平台安全性校核采用有限元分析软件（ansys)进行分析计算。

5（a）应力云图

5 （b）变形云图

图5海上移动平台应力和变形云图

从图5（a-b）可以看出，平台最大应力位于主梁中间部位，约为71MPa（材料强度345MPa），安全系数K=345/71=4.9>1.2，安全。平台最大变形位于横梁中部，最大变形最为4.34mm。满足设计要求。

5结论

本文以深圳某机场跑道改扩建工程为背景，对水上可移动式旋喷桩施工平台进行结构计算，研究结果表明：本项目可移动式旋喷桩钢平台结构的稳定性计算均满足各项安全要求，可用于指导现场施工。

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