白坭河特大桥水中塔吊基础施工技术（周水斌）

白坭河特大桥水中塔吊基础施工技术

周水斌

广州市越秀区桂花岗东2号，中铁二十五局集团广州铁路工程有限公司，510405

摘要：大跨度连续梁施工中，一般采用于主墩旁设置塔吊以解决材料垂直运输问题。当主墩位于水中，且塔吊基础不适合落在主墩承台上时，为方便塔吊的安装及拆除，需在主墩旁设置独立的水中塔吊基础。

关键词：白坭河 水中 塔吊基础 施工

一、工程概况

新建广珠铁路Ⅰ标白坭河特大桥DK07+293.11，采用(70.7+145+69.2)m连续梁拱跨越白坭河主航道，采用(58.4＋128＋58.4) m连续梁拱跨越西南涌主航道，其中145m跨主墩40#墩、41#墩及128m跨主墩100#墩、101#墩均位于水中。连续梁拱均采用先梁后拱的施工方法。

连续梁施工中，通过安装塔吊以解决材料的垂直运输问题。塔吊臂长且可360°旋转，为全面覆盖连续梁施工范围，宜设在主墩旁。主墩承台顶埋入河床面1～5m，若塔吊基础落在承台上，将会面临后期水下拆除的困难，且主墩上部结构为连续梁拱拱座，此处梁面加宽，主墩承台边至上部梁边横桥向距离仅2.45m，尺寸过小不满足需求。需在主墩旁设置独立的水中塔吊基础。

二、水中塔吊基础布置

根据水中塔吊基础及塔机应符合安全、经济、易安装及拆除的要求，结合现场具备船吊、振动锤、钢管桩、工字钢等工具、材料的实际情况，参照一般陆上塔吊基础的布置形式，水中塔吊基础布置形式如下：

采用四根直径630mm，壁厚8mm的钢管桩，打入河床土层，通过钢管桩将塔吊基础面置于常水位以上。参考地勘资料及之前墩位桩基础钻孔记录，河床下土层主要为中粗砂层，采用60kw振动锤打入至不能继续打入为止，入土深度10m左右。单根钢管桩长度约需20m。 利用I40a工字钢焊接制作成“十”字梁，“十”字梁中间连接部除工字钢相互焊接外，底部用一块800×800×25mm矩形钢板，上部用四块200×200×20mm三角形钢板进行搭接。钢管桩顶部开槽安放“十”字梁，随后封焊钢管桩顶部槽口以“锁”住“十”字梁。 “十”字梁由三片I40a工字钢并排焊接制作而成，根据塔吊地脚螺栓孔位，在“十”字梁上穿孔，穿地脚螺栓时“十”字梁上下部各用一块800×800×25mm厚矩形钢板穿孔后作垫块，以形成整体。此处须注意，“十”字梁制作时，应将螺栓孔位置尽量落在单片I40a工字钢边缘处，若螺栓孔在工字钢靠近腹部，将会减弱“十”字梁的受力性能。

水中塔吊基础布置见下图：

水中塔吊基础平面布置图

25mm厚钢板20mm厚钢板25mm厚钢板|μ32mm地脚螺栓3I40a|μ630*8mm钢管 水中塔吊基础对角方向截面图

|μ32mm地脚螺栓3I40a

25mm厚钢板|μ630*8mm钢管

三、水中塔吊基础检算

塔吊在安装塔机以前，应根据塔吊设计要求的基础荷载表，对塔吊基础的承载能力及塔

吊整体抗倾覆能力进行检算，且必须满足要求。白坭河水中塔吊采用臂长60m的QTZ80A型塔式起重机。

（一）塔吊基础设计相关参数

QTZ80A独立式（45m高度时）塔吊工作工况下的基础荷载数据，从塔吊使用说明书可知，其基础受力图如下：

倾覆力矩 M0?196t.m；

M0=196t.m平面扭矩 M扭?25t.m； 水平力 Q?4.5t； 塔吊自重 Pmax?53.89t；

基础自重 G?13.4t。

M扭=25t.mQ=4.5tPmax=53.89t（二）单桩钢管桩承载力及“十”字梁强度验算

根据塔吊的受力特点，塔吊空载且塔臂旋转至与“十”字梁一边平行时，受倾覆力矩作用，此时“十”字梁受力最不利，钢管桩受力最不均匀，偏差最大。计算简图如下：

Pmax/4Pmax/41(1)2(2)3(3)4M0/2

将Pmax?53.89t、M0?196t.m代入，用力学求解器解得受力如下表(单位kn、kn.m)：

杆端 1 杆端 2

---------------------------------------------------------------------------------- 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 -------------------------------------------------------------------------------------------- 1 0.00000000 -107.880334 192.884227 0.00000000 -107.880334 89.3191059 2 0.00000000 -242.605334 89.3191059 0.00000000 -242.605334 -474.253086 3 0.00000000 -377.330334 505.746913 0.00000000 -377.330334 143.509791 --------------------------------------------------------------------------------------------

由上表可知：塔吊倾覆力矩作用处“十”字梁所受弯矩最不利M弯矩相邻的钢管桩所受承载力最大Rmax?377.3kn。

1. 单根钢管桩承载力验算

max?505.75kn.m，最大

钢管桩采用的φ630×8mm无缝钢管，其性能参数为：回转半径ix?21.992cm，截面积

2A?156.326cm，悬空长度l?8m。则钢管桩长细比??80.21992?36.4，查《建筑施

工计算手册》(第二版)P1253附表2-67查得：其稳定系数??0.949。根据《建筑施工计算手册》(第二版)P1257附表2-74有关公式)： f?Rmax?377.3?10N0.949?156.326?10?43?Am2?25.5MPa＜?f??190MPa，满足要求。

?f??190MPa根据《建筑施工计算手册》(第二版)P1247附表2-55查得。

2．“十”字梁强度验算

“十”字梁由3根I40a工字钢并排制作而成，单根I40a工字钢力学性能：

3“十”字梁所受最大弯矩、最大剪力分别W?1090cm、Ix/Sx?34.1、tw?10.5mm。

为Mmax?505.75kn.m、Vmax?Rmax?377.3kn，则其抗弯、抗剪强度检算根据《建筑施

工计算手册》(第二版)P1257附表2-74有关公式：

??MmaxW?505.75?10N.m3?1090?10??63m3?154.7MPa＜????190MPa，满足要求。

3??Vmax?SxIx?tw377.3?10N.m3?34.1?10?2?10.5?10?3m3?35.2MPa＜?fv??110MPa，满足要

求。???、?fv?的取值根据《建筑施工计算手册》(第二版)P1247附表2-55查得。

（三）塔吊基础抗倾覆验算

1．单根钢管桩抗拔承载力计算

根据钢管桩施工要求，打入管桩施工中采用60kW振动锤，打入至不能继续打入为止，净入土深度不小于10m，土层统一取中砂，土层重度取浮重度?'?8kN/m3，内摩擦角

?钢管桩为敞口，不考虑其端承力，只考虑其与土层的静吸附力与摩擦力。参照《建??30。

筑施工手册》（第四版缩印本）P322，钢板桩拔除阻力计算方法，则有： 单根钢管桩抗拔承载力计算：F?Fe?Fs。 式中：Fe——钢管桩与土的吸附力；

Fe?UL?

U——钢管桩周长；L——钢管桩在土中长度；

?——钢管桩与土层中的静吸附力，此处??30kN/m(含水中砂层)

Fs?1.2PaBH?

2 Pa——作用于钢管桩的主动土压力强度； B——钢管桩周长；H——钢管桩在土中长度； ?——钢管桩与土体间的摩擦系数，此处取??0.3；

钢管桩为φ630*8mm钢管，其周长为：π×0.63=1.98m，入土长度为：10m，则有

3????'2Pa??Htan?45???8?10??46.2kN/m

2?3?Fe?UL??1.98?10?30?594kN

Fs?1.2PaBH??1.2?46.2?1.98?10?0.3?329.2kN

则单根钢管桩抗拔承载力F?Fe?Fs?594?329.2?923.3kN。

另根据《建筑施工手册》（第四版缩印本）P450 表7-101，将钢管桩视为沉管灌筑桩，中砂层地质下，查得桩的极限侧阻力特征值qsik?42~58kPa，按此处桩入土深度10m可简算得其极限侧阻力：

Qsk?qsik?li?10?0.63???(42~58kPa)?831~1148kN。

由上可知，计算得结果与根据相似情况查得数据相差不是很大，因此可取单根钢管桩抗拔承载力F?923.3kN

2．塔吊基础抗倾覆验算

塔吊基础的抗倾覆弯矩，由钢管桩抗拔阻力F?923.3kN、塔吊自重Pmax?538.9kN、基础自重G?134kN产生，则有：

W抗?2?923.3?3.0??538.9?134??3.0/2?6549.2kN.m。

塔吊设计参数：倾覆弯矩W0?1960kN.m，水平力Q?45kN，则有塔吊倾覆弯矩（h为塔吊基础至河床面距离，即基础悬空高度，根据现场情况，取h=8m）：

W?W0?P?h?1960?45?8?2320kN。

塔吊基础抗倾覆稳定系数：K?W抗W?6549.22320?2.82≥?K??1.15。满足要求。

四、水中塔吊基础施工

水中塔吊基础施工的关键是打入钢管桩及焊接制作“十”字梁。

（一）钢管桩施工

Φ630×8mm钢管桩用60kw的振动锤打入，利用船吊或者吊机配合，打入深度要求入土深度不小于10m，且打入致不能继续打入为止。详细记录每根钢管桩的入土深度。施工步骤如下：

钢管桩定位：首先根据塔吊设置位置，计算出每根钢管桩的坐标。施工时在墩旁先施打钢管定位桩，根据定位桩精确把钢管桩定位出来，并用全站仪复测定位结果，在允许偏差范围内可进入下步施工。

打入钢管桩：钢管桩用船吊配合振动锤进行打入。打入过程中用两台全站仪成90°夹角两个方向，观测钢管桩打入时的垂直度。用船吊起吊底节钢管桩至设计桩位并插桩，让钢管桩自沉入土，待下沉稳定后，用船吊将振动锤与液压夹钳吊至钢管桩顶口，用液压夹钳将钢管桩顶口夹住，检查桩的满足倾斜度小于2％的要求后，开动振动锤振动，

每次振动持续时间不宜超过10～15min，过长则振动锤易遭到破坏，太短则难以下沉。每根桩的的下沉一气呵成，不可中途停顿或较长时间的间隙，以免桩周土恢复造成继续下沉困难。 沉入过程中如果发现管桩倾斜超标，立即停止下沉重新调整后方可继续施工直至设计位置。若管桩桩位偏差大、钢管桩振裂或折断，则拔出重打。

根据白坭河特大桥前期水中作业平台搭设、施工便桥、施工栈桥搭设中积累的钢管桩施工经验，当基本不能继续打入，且船吊起吊振动锤的钢丝绳回弹明显时，再结合入土深度是否达10m左右，可判断钢管桩已打入到位。

（二）“十”字梁施工

“十”字梁通长工字钢那条边先与连接处底部钢板焊接，用船吊吊装就位，然后焊接“十”字梁另一条边，此时应先准确定出塔吊地脚螺栓孔位，通过适当调动梁体以保证螺栓孔位准确无误。焊接过程中，焊缝必须饱满、牢靠。“十”字梁焊接制作完成后，在其上穿孔，安装地脚螺栓，完成水中塔吊基础施工。

五、结语

白坭河特大桥40#、41#、100#、101#墩旁水中塔吊基础已投入使用，效果安全平稳，整体性能良好。随着塔吊在大跨度连续梁施工中越来越广泛的应用，可根据现场情况及施工条件选择合适的基础形式，通过受力检算，满足其基础受力要求即可。

参考文献

QTZ80A塔式起重机说明书. 《建筑施工手册》（第四版缩印本） 中国建筑工业出版社. 《建筑施工计算手册》（第二版） 中国建筑工业出版社.

作者简介： 周水斌(1981-)，男，助理工程师，2005年毕业于中南大学土木工程系，工学学士。中铁二十五局集团广州铁路工程有限公司职工，参加协会：广东省铁道学会，电话：13825096549，传真：0757-85727687，电子信箱：a3016104@126.com。

每次振动持续时间不宜超过10～15min，过长则振动锤易遭到破坏，太短则难以下沉。每根桩的的下沉一气呵成，不可中途停顿或较长时间的间隙，以免桩周土恢复造成继续下沉困难。 沉入过程中如果发现管桩倾斜超标，立即停止下沉重新调整后方可继续施工直至设计位置。若管桩桩位偏差大、钢管桩振裂或折断，则拔出重打。

根据白坭河特大桥前期水中作业平台搭设、施工便桥、施工栈桥搭设中积累的钢管桩施工经验，当基本不能继续打入，且船吊起吊振动锤的钢丝绳回弹明显时，再结合入土深度是否达10m左右，可判断钢管桩已打入到位。

（二）“十”字梁施工

“十”字梁通长工字钢那条边先与连接处底部钢板焊接，用船吊吊装就位，然后焊接“十”字梁另一条边，此时应先准确定出塔吊地脚螺栓孔位，通过适当调动梁体以保证螺栓孔位准确无误。焊接过程中，焊缝必须饱满、牢靠。“十”字梁焊接制作完成后，在其上穿孔，安装地脚螺栓，完成水中塔吊基础施工。

五、结语

白坭河特大桥40#、41#、100#、101#墩旁水中塔吊基础已投入使用，效果安全平稳，整体性能良好。随着塔吊在大跨度连续梁施工中越来越广泛的应用，可根据现场情况及施工条件选择合适的基础形式，通过受力检算，满足其基础受力要求即可。

参考文献

QTZ80A塔式起重机说明书. 《建筑施工手册》（第四版缩印本） 中国建筑工业出版社. 《建筑施工计算手册》（第二版） 中国建筑工业出版社.

作者简介： 周水斌(1981-)，男，助理工程师，2005年毕业于中南大学土木工程系，工学学士。中铁二十五局集团广州铁路工程有限公司职工，参加协会：广东省铁道学会，电话：13825096549，传真：0757-85727687，电子信箱：a3016104@126.com。

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