支撑式平台整平船桩腿拔桩力计算

冯海暴;曲俐俐;魏红波

【摘 要】Combined with the Zhuhai Bridge Tunnel Engineering foundation leveling,the calculation methods are put forward to analysis inserting and pulling pile of leveling ship legs in different geological conditions.It is concluded the leg buried layer of self elevating riprapping leveling ship in the work state,and the ultimate bearing capacity and pullout ultimate load of pile legs in the construction of the leveling ship inserting legs.At the same time,pre control measures in the special geological conditions are put forward.The practice proves that the analysis and calculation method is correct.%结合港珠澳大桥沉管隧道基础整平工程,采用了多种计算方法分析整平船桩腿在不同地质条件下的插桩和拔桩,得出了自升式抛石整平船桩腿在工作状态下的入土停止层,以及在整平船插腿施工中的抗压极限承载力和桩腿抗拔极限荷载,同时提出在特殊地质条件下的预控措施,并通过工程施工实践验证,证明该分析计算方法是正确的. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2017(000)004 【总页数】5页(P185-1)

【关键词】支撑式;平台船;插桩深度;拔桩力 【作 者】冯海暴;曲俐俐;魏红波

【作者单位】中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;中国交建海岸工程水动力重点试验室,天津300222;中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071;中交一航局第二工程有限公司,山东青岛266071 【正文语种】中 文

在涉水工程基床整平施工中，为提高作业精度通常采用支撑式平台整平船。2000年竣工的丹麦厄勒海峡隧道采用碎石基床浮式铺设平台船，韩国釜山-巨济沉管隧道基础施工中也采用了“KUS-ISLAND”号自升平台式深水整平船，两种平台船作业时桩腿插入基底支撑船体，以免受水流及波浪的作用影响整平精度。整平船桩腿入土顶升起平台，实现整平船操作时不受浪流的影响，整平船桩腿入土的深度根据地质和荷载确定，作业完成后移船时需要将平台支腿从土中拔出，尤其在多种地质条件下进行拔腿操作，需要提前计算出桩腿的拔桩力，以确保桩腿顺利拔出避免出现误工现象。

文献[1-2]提出了采用数模计算等方法进行自升式钻井平台桩腿入土深度计算，但该计算多侧重于静态、均匀压载及工作行走荷载不大的项目，对于以上部作业荷载为主的支撑式自升式平台船，在工作期间需要由上部的整平框架在台车的辅助下进行往复行走，随之荷载也在不断变化，该施工方式和工况较为复杂。在港珠澳大桥沉管隧道基础整平施工中，采用的自升式平台整平船桩腿的拔桩和插腿的计算较为复杂，该计算分析必须考虑在不均匀地质条件下的偏载工况的计算，同时动载的施工也为该课题的研究增加了难度，需要通过多种方法进行分析比较，同时在工程实践中验证该方法的正确性，得出桩腿入土和拔腿的计算方法，为工程施工提供理论研究依据。

港珠澳大桥东连、西接珠海，是集桥、岛、隧为一体的跨海通道，全长35.6 km；岛隧工程是控制性工程，海底沉管隧道长约5 6 m，为目前世界上最

长的沉管隧道，基床整平施工为沉管隧道施工的关键技术之一。沉管基床所铺设的碎石垫层，其抛石整平总工程量约为24.95万m2(36.3万m3)，抛石整平工作量大。整平水深8～50 m，整平宽度42 m；沉管基础的整平工艺和整平精度要求非常高，50 m水深下整平精度要求±40 mm，水下高程控制难度大。沉管基础地质及设计见图1。 2.1 整平船指标参数

整平船按照文献[2]设计，空船质量6 276 t，型长81.8 m、型宽46 m、型深5.5 m，设计吃水线4.2 m，桩腿长90 m，抛石管长72.7 m、直径2.8 m，中间月池尺寸为59 m×30 m，作业区域为沿海海区。整平船在工作时，跨于边坡上，整平船工作时和边坡位置关系见图2。 2.2 作业区地质情况

沉管施工区域内主要地质自上而下分别为①1淤泥、①2淤泥、①3淤泥质土、①2淤泥混砂、②1黏土、②2粉细砂、②3粉细砂、②4中砂、③1淤泥质土、③1-1粉质黏土、③2粉质黏土夹砂、③2-1粉细砂、③2-2粉细砂、③2-3中砂、③3粉质黏土、④1粉细砂、④2粉细砂。 3.1 计算原则

分析对象为自升式抛石整平平台桩腿抗压极限承载力和桩腿抗拔极限荷载(拔桩力)，分两种方法进行计算。第1种方法计算分两部分，第1部分参考规范计算桩腿抗压极限承载力和拔桩力[1]，其中压桩和拔桩都不考虑浮力的影响；第2部分压桩和拔桩考虑浮力影响。第2种方法计算也分两部分，第1部分参考规范[3]计算桩腿抗压极限承载力，拔桩力计算参考文献[4-6]，其中压桩和拔桩都不考虑浮力影响；第2部分计算压桩和拔桩考虑浮力影响。以特殊孔号地质作为计算参数(表1)。 3.2 平台船插腿及拔腿计算分析 3.2.1 第1种计算方法

1)不考虑船腿浮力的第1部分插桩计算。 受压桩极限承载力为：

式中：Qd为受压桩的极限承载力(kN)；Qf为桩侧摩阻力(kN),Qf =fiAsi，fi为单桩第i层土的单位面积侧摩阻力(kPa),fi在黏土中取值应小于或等于黏土的不排水抗剪强度C,Asi为第i层土的桩侧面积(m2)；Qp为总的桩尖阻力(kN), Qp=qAp，q为单位面积桩尖阻力(kPa),q在砂性土取值按公式q=PoNq计算，q在黏土中取值为桩尖处土不排水抗剪强度C的9倍,Po为有效上覆压力(kPa),Nq为阻力系数，Nq取值40,Ap为桩尖毛面积(m2)。

计算得出桩腿在④2粉细砂顶层时，上部累计桩侧摩阻力Qf=3 943.6 kN，桩尖阻力Qp=104 342.2 kN，受压极限承载力Qd=108 285.8 kN；整平船压桩时上部荷载为21 440 kN，受压极限承载力大于上部荷载，船腿在④2粉细砂层顶面停止下沉。

2)不考虑船腿浮力的第1部分拔桩计算。

根据文献[1]，抗拔侧摩阻力按压桩侧摩阻力取值计算，抗拔总阻力为：

式中：Ft为抗拔总阻力力(kN)；Fa为桩靴底部吸附力(kN)，Fa=10Ap；Fl为桩腿侧黏土阻力(kN)，Fl= ftiAsu，fti为抗拔桩第i层土的单位面积侧摩阻力(kPa)，Asu为抗第i层土的桩侧面积(m2)；G为桩腿自重力(kN)。根据文献[2]，G=4 500 kN，计算得Ft=Fl+Fa+G=8 505.1 kN。

船体本身质量4 776 t，整平船平台框架型长方向从下部至上部由窄变宽不规则变化，平台上部2 m部位型长为81.8 m，船舶吃水变化时简化平均型长按76 m计算，则整平船吃水每增加1 m可提供的浮力为17 260 kNm。

整平船在4根桩腿同时拔起时，需要的总拔桩力为81 780.4 kN，此时根据船体吃水及浮力变化，需要的吃水深度为4.74 m,干舷高度0.76 m，其他方法整平船4根桩腿拔起按此计算。

3)考虑船腿浮力的第2部分插桩计算。

按照规范[1]的计算，桩单位面积侧摩阻力按照不排水抗剪强度C取值。受压桩极限承载力为：

式中：F浮为桩腿浮力(kN),F浮=ρVg,ρ为海水密度，1.025 tm3，V为桩腿入水后排开水的体积(m3),r为桩腿半径(m)，h为桩腿入水高度(m)，g为重力加速度，取值10 ms2。计算得：F浮=63.08 h(kN)。在桩腿进入泥层后，浮力按总浮力70%进行取值。

在④2粉细砂顶层，上部累计Qf=3 943.6 kN，F浮=2 779.2 kN，Qp=104 342.2 kN，受压桩极限承载力Qd=111 065.0 kN，大于上部荷载21 440 kN，受压极限承载力大于上部荷载，船腿在④2粉细砂层顶面停止下沉。 4)考虑船腿浮力的第2部分拔桩计算。

根据第1部分计算公式，考虑船腿浮力，则整平船单根桩腿抗拔总力抗拔总力Ft=Fl+Fa+G-F浮。 3.2.2 第2种方法计算

1)不考虑船腿浮力的第1部分插桩计算。 受压船腿极限承载力为：

式中：γR为单桩轴向承载力分项系数；U为桩身截面外周长(m)；qfi为第i层土的打入桩单位面积极限侧摩阻力标准值(kPa)，qfi取值参考工程地基加固方案研究报告中的试验值 ；Li为桩身穿过第i层土的长度(m)；η为承载力折减系数[3]或桩端闭塞效应系数；qR为打入桩单位面积极限端阻力标准值(kPa)，qR取值参考试验值和文献[3]；A为桩端外周面积(m2)。

在④7粉质黏土层，上部累计桩侧摩阻力Qf=9 747.3 kN，桩端阻力Qp=11 693.4 kN，该处的轴向极限承载力Qd=21 440.7 kN，和上部荷载21 440 kN几乎相同，出现受力极限平衡状态，在该处如没有施加荷载则桩腿会在④7粉质黏土

层停止下沉。

2)不考虑船腿浮力的第1部分拔桩计算。 抗拔桩单位面积的抗拔侧摩阻力为：

式中：Asu为抗第i层土的桩侧面积(m2)；fpi为抗压桩各土层单位面积侧阻力(kPa)；L为桩的入土深度(m)；D为圆形桩的桩径或等边方桩的边长；G为4 500 kN，Fa为61. kN。则整平船单根桩腿抗拔总力Ft=Fl+Fa+G。 3)考虑船腿浮力的第2部分插桩计算。

根据文献[3,10]中的经验参数法计算，压桩和拔桩考虑浮力对船腿的影响，桩单位面积侧摩阻力按照试验资料取值。 受压钢管桩极限承载力为：

式中：η根据文献[3]中为承载力折减系数，取值为1；qfi取值参考试验值；qR按文献[3]和试验取值。

桩腿浮力F浮=63.08h(kN)，在桩腿进入泥层后按照70%进行取值。

在④7粉质黏土层，桩尖阻力Qp=11 693.4 kN，本层顶部以上累计桩侧摩阻力∑UqfiLi =7 199.3 kN，在桩腿沉入④7土层2.24 m时上部累计荷载达到21 440 kN，F浮为2 505.1 kN，在该处如没有施加荷载则桩腿会在④7粉质黏土层2.24 m处停止下沉。

4)考虑船腿浮力的第2部分拔桩计算。

根据文献[4]，单位面积的侧摩阻力为fti=(0.676+0.007 86LD)fpi；考虑船腿浮力，则整平船单根桩腿抗拔总力Ft=Fl+Fa+G-F浮。

计算得整平船在4根桩腿同时拔起时，需要的总拔桩力为75 681.96 kN,此时根据船体吃水及浮力变化，需要的吃水深度为4.38 m、干舷高度1.12 m。计算结果见表2。

平台船在进行桩腿入泥计算时，停止下沉的入泥层分别为④2粉细砂和④7粉质黏

土，在桩腿入泥时，由于桩腿为封闭状态应考虑浮力影响[11]，但在桩腿入泥部分为淤泥时，水渗透较慢无法形成浮力，但从安全考虑应加大压桩力，考虑折减后的浮力进行计算较为安全[10-12]。

在拔桩计算时，虽然桩腿拔出时会形成缝隙，但水通过缝隙进入桩底的速度非常慢，且会形成频繁挤压封掉缝隙的通道，因此水对桩腿形成浮力的机会也较少，所以不考虑水对桩腿的浮力抵消抗拔阻力较为贴近实际，即使考虑浮力也应进行大量的折减分析，为了顺利实施，建议采用不考虑桩腿的浮力进行分析计算。

根据港珠澳大桥沉管隧道现场施工的平台船插腿入泥深度和拔腿施工情况，按照上述推荐公式和计算原则进行分析和计算，为平台船插腿和拔腿施工提供了技术依据，目前已经成功完成了E1-E28管节的整平施工，现场的桩腿稳定层与本文第1种方法计算结果相符，拔桩力则与不考虑浮力状态下的第1种方法和第2种方法计算结果相符。

1)海洋平台船或整平船桩腿入泥深度计算时，推荐采用受压桩极限承载力计算公式Qd=Qf+Qp=∑(fiAi+qAp)，建议适当考虑折减后的桩腿浮力对入泥深度计算的影响。

2)桩腿入泥压桩稳定力计算时，如果桩腿底端为封闭状态时应考虑浮力影响，但要根据平台操作过程中的动载情况适当加大压桩计算荷载。如果桩腿入土地质顶部存在淤泥层时会影响水渗透速度，此时的桩腿浮力应折减计算。

3)在进行海洋平台或整平船桩腿拔桩力计算时，不应考虑浮力对桩腿的影响，推荐采用公式Ft=Fl+Fa+G进行分析计算，取值应按照第1种方法和第2种方法相互比较分析。 ·消 息·

3月1日，全球最大油船“泰欧(TIEurope)”轮在中交水运规划设计院有限公司

(水规院)设计的大连港鲇鱼湾港区22#原油泊位顺利靠泊作业。比利时籍45万t油船“泰欧”轮建造于2002年，为目前全球在航最大油船。

大连港鲇鱼湾港区22#原油泊位是由水规院开展的前期研究和设计工作，并于2010年建成投产，是当时国内最大的原油码头，曾荣获2015年度水运交通优秀设计一等奖。

近年来，由水规院设计并建成投产的9座30万吨级原油码头分布于大连、曹妃甸、青岛、日照、海南等区域，另有3座30万吨级原油码头即将建成投产。 【相关文献】

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