浮式平台施工方案.docx
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浮式平台施工方案
中铁五局昆曼公路湄公河大桥
水上施工方案
1､概述
1.1､工程概况
湄公河大桥主桥为预应力混凝土连续梁结构,共五墩一台,桥跨形式为75+110+110+110+75m,长480m｡基础为钻孔灌注桩基础,M6､M7､M8､M11为摩擦桩;M9､M10为支承桩｡主墩承台为高桩承台,承台为圆端形截面,平面尺寸:
横桥向长21m,顺桥向长11m,高3.5m,除M7墩外,其余承台均设计有1.5m高的裙边,每个承台混凝土量为800m³;M6､M11为矩形承台,M6由两个平面尺寸6.5*6m的承台组成,M11承台平面尺寸为20*6m｡主墩墩身均为花瓶型桥墩,顺桥向宽2.5m,横桥向宽从墩底的6.4m渐变到墩顶的7.4m｡边墩M6墩身为两个顺桥向宽1.4m､横桥向宽从2m渐变到2.78m花瓶型桥墩｡
M11台身为长15.5m,宽2.8m的矩形台身｡
桩基情况:
序号
墩号
桩径（m）
设计桩长（m）
实际钻孔长度
桩基
总数
桩顶标高
备注
1
M6
1
28
31.6
10
2
M7
1.5
45
51
13
341.1
筑岛后
3
M8
1.5
52.5
46
13
341.6
河床面标高335m
4
M9
1.5
24.1
16
13
341.6
河床面标高333m
5
M10
1.5
18
18.5
13
341.6
筑岛后
6
M11
1
28
30
14
7
合计
76
1.2､水文地质情况
本区属亚热带季风气候区,一年三季,分别是热季（2月中旬至5月中旬）､雨季（5月下旬至10月中旬）和凉季（11月至次年2月中旬）,温差在38℃到19℃之间,平均气温为28℃左右,湿度在82.8%到66%之间｡湄公河枯水期为每年的12月份至次年的5月份,平均水深约4.5m,水面高程339.5m,流速约1.3m/s;丰水期为每年的6月份至11月份,平均水深9.5m,水面高程344.5m,最高水位350.0m,流速约2.5m/s｡
湄公河大桥桥位处属斜坡浅丘及河流阶地地貌,地形总体东西两侧高,地面坡度较大,中间为较平缓的湄公河阶地,湄公河由北向南从场地中部流过｡
主桥桥位处地质情况如下:
M7墩位于湄公河泰国岸边,0—3m粉砂;3-45m沙砾,夹带胶泥层;
M8墩位于湄公河中,0—7.5m河水;7.5—53m沙砾,夹带胶泥层;
M9墩位于湄公河中,0—9m河水;9—28m岩石,岩石面最大高差4.5m｡
M10墩位于湄公河老挝岸边,0—3.5m河水;3.5—18m沙砾和岩石,岩石面最大高差1.5m｡
1.3､施工难点
1）､浮式平台随着水位起落､设备的移动位置有变化,就位难度比较大｡
2）､在倾斜裸露的岩面上钢护筒定位困难;防止护筒底漏浆和阻止细砂落入正在钻进的孔中难度大｡
3）､混凝土水上运输采用小型浮船搭设浮桥,在雨季施工时,河水水位变化大,存在浮船无法正确定位的问题;同时河中漂浮物比较多,漂浮物的撞击无法估计｡
1.4､施工节点
1）､水中桩基完成时间:
2012年3月27日
2）､水中承台完成时间:
2012年5月6日
3）､梁部完成时间:
2013年2月22日
4）､桥梁竣工:
2013年5月7日
2､施工方案
2.1､水中桩基施工方案
2.1.1､M8桩基浮式平台施工
2.1.1.1､M8浮式平台介绍
M8平台由4艘30×1.8m自制浮船拼接而成,拼接后平台平面尺寸为30×15m,浮式平台设计竖向荷载212T｡浮式平台固定通过锚碇系统,锚碇系统分主锚和尾锚,主锚为4个5T的钢筋混凝土锚,尾锚为两个5T的钢筋混凝土锚,通过松紧锚绳长度来适应湄公河水位变化,前期4根钢护筒插打完成后,将浮式平台与之在平面固定,浮式平台的平面位置变化就能控制在5cm范围内,可以满足后续钢护筒的精确插打及整个平台的安全稳定｡平台上布置冲击循环钻机两台､龙门吊1台,龙门吊横梁采用I56工字钢,净高12m,设计起重量20T,龙门吊及钻机走行轨道均沿横桥向布置,满足钢护筒及钢筋下放要求｡
2.1.1.2､钢护筒定位
钢护筒在浮式平台上如何得到可靠的固定是浮式平台钻孔施工的关键所在｡由于浮式平台上导向架导向长度和横桥向刚度不够,单根钢护筒长度12m,直径1.7m,重达6t,着床前护筒的水流冲击力达50kN,产生的力矩足以使平台横梁扭曲变形｡为此,钢护筒的插打采取了“上固定､下拉缆”的施工方案｡在横梁上､下安装“井”字形导向,同时由浮船上的卷扬机､滑轮组牵出下拉缆,牵住护筒下口,以达到控制护筒垂直度的目的｡在钢护筒着床前,对钢护筒的垂直度进行检查,并通过下拉缆将钢护筒垂直度调整到允许范围内后,将钢护筒打人河床｡钢护筒采用DZ-90型振动锤震动下沉｡
2.1.1.3､M8墩桩基浮式施工平台设计
2.1.1.3.1､设计目的
1）､满足二台冲击循环钻机同时施工｡
2）､满足直径1.7m,总长12m钢护筒的接长,吊放,震动打入｡并且施工时不影响成孔施工｡
3）､满足成孔后钢筋笼的安装,并且不影响成孔施工｡
4）､满足正反循环成孔工艺｡
5）､满足混凝土泵送及吊运浇筑桩基水下混凝土｡
6）､满足水位落差1m以内的成孔施工｡
7）､满足浮式平台自行移动｡
2.1.1.3.2､设计荷载
1）､竖向恒载:
153t
（1）浮式平台自重:
62t
钢板:
910m²*0.005m*7.85t/m³=35.7t
槽钢:
1500m*0.01t/m=15t
扁铁:
3800m*0.002t/m=7.5t
导向架:
6个*0.6t/个=3.6t
（2）设备:
91t
300匹马力推进器:
2t
220KW发电机:
2台*6.5t/台=13t
龙门吊:
13t
1500mm冲击循环钻机:
2台*25t/台=50t
90震动锤:
8t
5t卷扬机:
4台*1t/台=4t
3t卷扬机:
2台*0.5t/台=1t
2）､竖向活载:
59t
泥浆:
20m³*1.5t/m³=30t
施工人员:
20人*0.08t/人=1.6t
冲击:
2台*5t/台=10t
钢绳:
6t
钢筋:
3t
雨水:
8t
3）､水平荷载:
64.3KN
（1）流水压力:
浮式平台水流阻力（4艘船）:
R=4*（fSV2+ψA1V2）×10-2（KN）
式中:
f—铁驳摩阻力系数,取f=0.17
S—船舶浸水面积S=L（2T+0.85B）=30*（2*1+0.85*1.8）=106m2
L—船舶长度（30m）
T—吃水（1m）
B—船宽（1.8m）
Ψ—阻力系数,方头船取Ψ=10
A1—船舶垂直水流方向的投影面积,A1=TB=1×1.8=1.8m2
V—计算流速V=2.5m/s
R=4*（fSV2+ψA1V2）×10-2=4*（0.17*106*2.52+10*1.8*2.52）*10-2
=9KN
（K-截面形状系数,圆形截面取值0.8;γ-水的重力密度,取值9.8KN/m3;V-水流速,取值2.5m/s）
直径1.7m钢护筒:
P2=0.8*A*γ*ν²/2*g
=0.8*17m²*9.8（KN/m³）*（2.5m/s）²/（2*9.8m/s²）
=42.5KN
（2）漂流物撞击力:
12.8KN
P4=w*ν²/g*t
=50KN*（2.5m/s）/（1s*9.8m/s²）
=12.8KN
2.1.1.3.3､设计计算
1）､材料参数:
Q235钢材:
抗拉强度标准值:
fsk=235MPa
抗拉强度设计值:
fsd=195MPa
抗压强度设计值:
f’sd=195MPa
弹性模量:
Es=2.1*105MPa
泊松比:
v=0.3
钢丝绳:
抗拉强度标准值:
fgk=1400MPa
弹性模量:
Eg=7.5*10^4MPa
2）､船底板计算:
（5mm厚钢板）
底板浮力Pw=F竖向/A（船底）=2120/（30*1.8*4）
=9.8KN/m²=0.0098N/mm²
吃水深度:
h=P/ρg=0.98m
最大格间距400mm*400mm;四边固结｡
取1mm为计算单元:
q=Pw*1=0.012*1=0.012N/mm
截面抵抗矩:
W=bh2/6=1*52/6=2.167mm3
查表《建筑施工计算手册》附录二
长边比短边:
lx/ly=0.4/0.4=1
支点弯矩:
M0x=M0y=-0.0513*q*l2
=-0.0513*0.0098*4002=-80.4N.mm
应力:
δ=M0x/W=80.4/2.167=37.1MPa<195MPa
中心弯矩:
Mx=My=0.0176*ql2
=0.0176*0.0098*4002=27.7N.mm
换算弯矩:
M=Mx+ν*My=27.7+0.3*27.7=36N.mm
应力:
δ=M0x/W=36/2.167=16.6MPa<195MPa
挠度验算:
f=0.00127*ql4/BC
刚度BC=Eh3/12（1-v2）=2.1*105*53/12（1-0.32）
=2403846N.mm2
f=0.00127*0.0098*4004/2403846
=0.13mm<400/400=1mm
3）､船底板筋板计算:
（5mm厚钢板,高55mm）
取400mm为计算单元:
q=Pw*400=0.0098*400=4N/mm
截面抵抗矩:
W=bh2/6=5*552/6=2520mm3
支点弯矩:
Mx=-ql2/12=-4*4002/12=-53333N.mm
应力:
δ=Mx/W=53333/2520=21.2MPa<195MPa
跨中弯矩:
Mx’=ql2/24=4*4002/24=26667N.mm
应力:
δ=Mx’/W=26667/2520=10.6MPa<195MPa
挠度验算:
截面惯性矩I=bh3/12=5*553/12=69322mm4
fmax=ql4/384EI
=4*4004/（384*2.1*105*69322）
=0.2mm<400/400=1mm
4）､锚碇检算
浮式平台最大水平力64.3KN,
锚碇受力图如下:
主锚检算:
主锚在距浮式平台桥头的上游80米处安设,水深为10米
锚绳与水平方向的夹角θ=tan-1（10/80）=5.7°
F=F水平力/cos5.7°=64.6KN
为保证锚碇稳定,锚碇的竖向分力G:
G≥F*K*L*sinθ/l=64.6*2*1.8*sin5.7°/0.9=25.7KN
安全系数K=2
水中锚碇的重力密度:
14KN/m3
本平台正前方主锚为两个,锚碇重量为2*1.8*1.3*0.5*14=32.8KN≥G
锚碇通过
5）､锚绳计算（只考虑两个主锚,边锚作为安全储备）
单根锚碇钢丝绳承受的拉力为:
;
锚绳采用6*37-φ24-1400Mpa的钢丝绳,查表可知钢丝破断拉力总和为:
;
钢丝绳破断拉力换算系数
钢丝绳安全载重系数
则钢丝绳的容许拉力为:
;满足要求｡
7）､龙门吊检算
M8龙门吊横梁采用I56工字钢,净高12m,设计起重量20T,龙门吊走行轨道均沿横桥向布置,龙门吊平面及立面布置图如下:
I56工字钢横梁计算
龙门吊天车自重2t,考虑门吊整体稳定,悬臂段限定起重量不超过10t,满足护筒及震动锤上船的要求即可,横梁其它部分设计最大起重量为20t｡
I56工字钢横梁按简支梁计算,最大弯矩为:
M1=1/4*220*5.1=280.5KN.m
按悬臂梁计算,最大弯矩为:
M2=120*（3.6-1）=312KN.m
Max（M1,M2）=312KN.m
I56工字钢参数如下:
截面积A=135cm2
截面惯性矩Ix=65590cm4
截面抵抗矩Wx=2342cm2
通过｡
工字钢横梁实际横断面如下:
由于加强钢板未参与计算,只做为横梁的安全储备,所以,横梁偏于安全｡
8）钢护筒抗倾覆检算
浮式平台再打设4根钢护筒后开始进行钻孔施工,平台水平推力全部由钢护筒承受,水上平台承受的总的水平推力如下:
船体水流力:
9KN｡
漂流物撞击力:
12.8KN
以上合计:
F=9+12.8=21.8KN
假定水平推力由4根钢护筒固定,则每根钢护筒需承受的水平力为,F=21.8KN/4=5.5KN｡
钢护筒受力图如下:
（假定水深10米）
钢护筒水流压力:
Fw=P2=0.8*A*γ*ν²/2*g
=0.8*17m²*9.8（KN/m³）*（2.5m/s）²/（2*9.8m/s²）
=45.5KN
倾覆弯矩M倾覆计算如下:
M倾覆=5.5*（10+h）+45.5*（5+h）KN.m
砂土的内摩擦角取30度,则:
Kp=tan2（45+φ/2）=3
被动土压力Ep=1.7*1/2γh2Κp=1.7*0.5*18*h2*3=45.9h2KN
稳定弯矩M稳定=45.9h2*h/3=15.3h3KN.m
由上可知:
M倾覆=M稳定
5.5*（10+h）+45.5*（5+h）=15.3h3
h=3m
2.1.2M9桩基浮式平台施工方案
2.1.2.1M9浮式平台介绍
M9平台由四艘26×2.2m自制浮船组成受力主体,浮船由原M9的矩形浮箱及混凝土搅拌船加底接长改装而成,在浮船上组拼12道槽钢桁架纵梁构成平台主结构,拼接后平台平面尺寸为26×24m｡平台上布置自制龙门吊1台､冲击循环钻机两台｡平台横桥向设置龙门吊及钻机走行轨道,满足两台钻机同时施工需要｡
2.1.2.2钢护筒定位
由于M9桩位处河床基岩裸露,岩面倾斜大（A排桩到C排桩之间有4米多高差）,钢护筒定位困难,原（C4､C1､A4､A1）采用钻机先冲孔后钢护筒跟进定位方式,存在的主要问题:
一是钢护筒在跟进的过程中无法保证其垂直度和位置正确,二是无法及时对护筒底进行封底,无法有效的阻止河砂进行孔内从而导致进尺速度慢,效率不高｡现准备采用震动锤辅助震动下沉,提高钢护筒定位效率｡
2.1.2.3､M9墩桩基浮式施工平台设计
2.1.2.3.1设计目的
同M8浮式平台
2.1.2.3.2设计荷载｡a.竖向荷载（2255KN）;b.水平荷载（109.3KN）
1）､竖向恒载:
166.5t
（1）浮式平台自重:
90.54t
面板及竖肋:
841m²*0.05152t/m2=43.3t
槽钢桁架:
12榀*1.078t/榀=12.9t
槽钢分配梁:
1668m*0.01t/m=16.7t
导向架:
6个*0.6t/个=3.6t
防护木板及方木:
20m3*0.7t/m3=14t
（2）设备:
76t
10t龙门吊:
13t
1500mm冲击循环钻机:
2台*25t/台=50t
90震动锤:
8t
5t卷扬机:
4台*1t/台=4t
3t卷扬机:
2台*0.5t/台=1t
2）､竖向活载:
59t
泥浆:
20m³*1.5t/m³=30t
施工人员:
20人*0.08t/人=1.6t
冲击:
2台*5t/台=10t
钢绳:
6t
钢筋:
3t
雨水:
8t
3）､水平荷载:
（1）流水压力:
底板水压力:
2255*1.2/26*2.2*4=9.8KN/m2
吃水深度:
0.98m
（2）浮式平台:
R=4（fSV2+ψA1V2）×10-2（KN）
=4*（0.17*100.6*2.52+10*2.2*2.52）*10-2
=10KN
（3）直径1.7m钢护筒:
P2=0.8*A*γ*ν²/2*g
=0.8*17m²*9.8（KN/m³）*（2.5m/s）²/（2*9.8m/s²）
=42.5KN
（4）漂流物撞击力:
12.8KN
P4=w*ν²/g*t
=50KN*（2.5m/s）/（1s*9.8m/s²）
=12.8KN
2.1.2.3.3设计计算
1）､材料参数:
钢材:
抗拉强度标准值:
fsk=235MPa
抗拉强度设计值:
fsd=195MPa
抗压强度设计值:
f’sd=195MPa
焊缝强度设计值:
ftu=160MPa
弹性模量:
Es=2.1*105MPa
泊松比:
v=0.3
钢丝绳:
抗拉强度标准值:
fgk=1400MPa
弹性模量:
Eg=7.5*10^4MPa
2）､船底板计算:
（受力和结构与M8平台接近,不检算）
底板浮力Pw=12KN/m²=0.012N/mm²
3）､船底筋板计算:
同上
4）､锚碇检算
浮式平台最大水平力65.3KN
锚碇受力图如下:
主锚检算:
主锚在距浮式平台桥头的上游80米处安设,水深为10米
锚绳与水平方向的夹角θ=tan-1（10/80）=5.7°
F=F水平力/cos5.7°=65.6kN
为保证锚碇稳定,锚碇的竖向分力G:
G≥F*K*L*sinθ/l=65.6*2*1.8*sin5.7°/0.9=26.1KN
安全系数K=2
水中锚碇的重力密度:
14KN/m3
本平台正前方主锚为两个,锚碇重量为2*1.8*1.3*0.5*14=32.8KN≥G
锚碇通过
5）､锚绳计算（只考虑两个主锚,边锚作为安全储备）
单根锚碇钢丝绳承受的拉力为:
;
锚绳6*37-φ24-1400Mpa的钢丝绳,查表可知钢丝破断拉力总和为:
;
钢丝绳破断拉力换算系数
钢丝绳安全载重系数
则钢丝绳的容许拉力为:
;满足要求｡
6）､平台槽钢连接桁架计算
M9平台槽钢连接桁架高1.5m,每隔2米布置一道,桁架上､下弦杆均为双拼[10槽钢,腹杆采用双拼L75*6角钢,“米”字形布置｡结构图如下:
冲击钻钻机重8t,钻头重为8t,钻机长7m,钻机轨道宽3m,钻机的冲击荷载为:
｡其荷载主要集中在钻机的前半部分,平均分配到钻机底座的两个轨道上｡最不利情况为,钻机所有荷载作用在一片桁架上,其受力情况及组合应力图如下:
计算通过｡
刚度验算:
经midas程序分析,挠度图如下
桁架焊缝检算:
根据上图看出支点最大反力为110KN,下弦杆双[10槽钢与船体面板满焊,焊缝高度6mm,焊缝长度Lw=100*2+48*4=296mm｡
=110*1000/0.7*6*296=88.5MPa<160Mpa,通过｡
8）､平台[10槽钢分配梁计算
槽钢桁架上设[10槽钢分配梁,每根分配梁由两根[10槽钢双拼而成｡分配梁与桁架焊接连成整体｡
冲击钻钻机重8t,钻头重为8t,钻机长7m,钻机轨道宽3m,钻机的冲击荷载为:
｡其荷载主要集中在钻机的前半部分,平均分配到钻机底座的两个轨道上｡最不利情况为,钻机所有荷载作用在两根分配梁上,分配梁按两端固结梁计算:
M=1/8*55*2=13.75KN.m
σ=M/W=13.75*1000/2*39.7=173.2MPa<195MPa,通过｡
2.1.2.4M9浮式平台就位
详见《湄公河大桥M9施工平台就位步骤图》｡
2.1.2.5混凝土水上运输
本项目的水中运输方式采用浮桥搭载泵管的方式进行泵送,地泵安设在河岸边｡浮桥由小型浮船组成,每隔6米安置一条浮船,浮船间用前后两条钢丝绳全桥相连,每两艘浮船上用三根[10槽钢和2cm木板组合作为桥面板以方便工人安装和拆卸泵管｡由于湄公河流域雨水充沛,在雨季经常出现昼夜水位高差超过0.5米的现象,且河水深流速快,混凝土通过地泵输送到M8､M9,泵管长度在高水位时超过150米,浮船的固定对作业的安全至关重要｡浮船布置图如下图所示:
2.2､水中承台施工方案（M8､M9承台）
M8､M9承台为水中高桩承台,在施工承台前先应该搭设承台底模,先在厚12mm的钢护筒上焊接牛腿,布设28工字钢作为底模支架的主梁,用15*10cm的方木作为底模分配梁,再用12mm厚单面光的竹胶板作为底模的面板,形成底模支架系统｡承台混凝土分三次浇注｡第一次浇筑裙边及承台底以上0.5m高部分的混凝土;第二次浇筑至承台底以上2m高的位置,第二次浇筑高度为1.5m;第三次浇筑至承台顶,第三次浇筑高度为1.5m｡
M8､M9承台底标高为341.5m,承台的外围设计有裙边,裙边底标高为340m,裙边支架的最下沿标高为339.5m,在枯水期,当水位低于支架牛腿最下缘时,就必须及时组织人手对已完成桩基的牛腿进行焊接作业,以保证在桩基施工完成后在最短时间内完成承台底模支架的搭设｡
承台底模支架结构大样图如下图所示:
2.2.1底模支架检算
2.2.1.1､设计计算指标采用值
钢材物理性能指标:
弹性模量E=2.1×105MPa;质量密度ρ=7850kg/m3;
钢材强度设计值:
抗拉､抗压､抗弯[σ]=215MPa;抗剪[τ]=125MPa;
焊缝抗拉､抗压､抗弯､抗剪[σ]=160MPa
容许挠度:
钢模板板面〔δ〕≤1.5mm,≤L/400;
支架主肋〔δ〕≤L/400;隐蔽面支架主肋〔δ〕≤L/250;
2.2.1.2､荷载计算
承台底模支架荷载取值:
第一次浇筑高度0.5m,则,混凝土荷载:
F1=24*0.5=12KN/m2;
承台底部钢筋总重40.7t,承台总面积224.74m2,则,钢筋荷载:
F2=407/224.74=1.8KN/m2;
承台底模采用12mm厚的胶合板,150*100mm方木做小楞,方木间距0.25m,则模板自重:
F3=0.5KN/m2;
混凝土震捣荷载取值:
2KN/m2;
人群及机具荷载取值:
2.5KN/m2;
混凝土及钢筋重力为恒载,分项系数取1.2;
震捣､倾倒荷载为活载,分项系数取1.4;
底模及支撑小楞的强度验算时采用荷载设计值为:
（12+1.8+0.5）×1.2+（2+2.5）×1.4=23.46kN/m2
底模及支撑小楞的刚度验算时采用荷载设计值为:
（12+1.8+0.5）×1.0+（2+2.5）×1.0=18.8kN/m2
2.2.1.3､承台底模系统检算
2.2.1.3.1､底模胶合板检算
承台底模结构图如下:
承台底模采用12mm厚的胶合板,150*100mm方木做小楞,方木间距0.25m,取1米宽度胶合板进行验算,则面板所受的均布荷载为:
1.0m×23.26KN/m2=23.26KN/m｡
胶合板的截面参数:
胶合板抗弯强度:
[σ]=22.9MPa;
弹性模量E=9×103MPa;
取1m宽胶合板进行计算,则,Ix=1/12*100*1.23=14.4cm4
按三等跨连续梁计算:
Mmax=0.1×ql2=0.1×23.46×0.252=0.147KN·m
弯曲应力:
σ=Mmax/W=0.146×103/（1/6×100×1.22）=6.08Mpa<[σ]=22.9Mpa,通过｡
检算面板刚度时,q=1.0m×18.8KN/m2=18.8KN/m,计算结果如下:
δ=0.677×ql4/100EI=0.677×18.8×2504/（100×9000×144000）=0.38mm<[δ]=250/250=1.0mm,通过｡
2.2.1.3.2､方木小楞检算
胶合板下为间距0.25m的15cm×10cm方木小楞,方木小楞按简支梁验算｡方木所受的均布荷载为:
q=0.25m×23.46KN/m
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