感潮河段施工工藝對高樁碼頭設(shè)計方案合理性影響

劉祥玉，鄧宏彥

（中交天津港灣工程設(shè)計院有限公司，天津 300461）

0 引言

感潮河段沿岸碼頭位于淺灘或防潮堤外坡處，受潮汐、水流相互作用。因水深較淺，大型船機進入，需要大面積開挖；同時離入?？谳^近，泥沙沉積，一般淺層地基承載力低。在感潮河段建設(shè)碼頭，要充分考慮各方面因素，尤其要重視施工工藝對設(shè)計方案的決定性作用。施工可行的設(shè)計方案，可以消除施工變更，降低施工難度，節(jié)省施工造價，保證施工工期。

本文結(jié)合山東壽光小清河內(nèi)某碼頭的設(shè)計，詳細分析施工條件，確定合理的指導(dǎo)性施工工藝，進行施工布置，據(jù)此選擇合理的碼頭結(jié)構(gòu)，確保設(shè)計方案的成功。與施工工藝緊密結(jié)合的設(shè)計理念，對于感潮河段類似碼頭的設(shè)計具有借鑒意義。

1 工程概況

本工程位于山東壽光小清河南岸，下游距離小清河入?？? km。碼頭總長534 m，其中280 m碼頭前沿頂高程5．0 m，底高程-6．0 m。見圖1。

圖1 總平面布置圖Fig.1 General layout

2 設(shè)計條件

2.1 設(shè)計水位

高程系統(tǒng)采用當?shù)乩碚撟畹统泵?，極端高水位 4．83 m，極端低水位-1．12 m，設(shè)計高水位 2．60 m，設(shè)計低水位 0．27 m。

2.2 波浪

本工程位于受潮汐影響的河口港，距離入?？? km，不受外海波浪影響。東北向大風(fēng)時河道內(nèi)僅有0．3～0．4 m波高，東北向大風(fēng)又遇風(fēng)暴潮，灘地水深2 m時，最大波高可達1．0 m。

2.3 地形與地質(zhì)

場區(qū)地面平坦，呈西高東低趨勢，高程為1．61～2．16 m。地層自上而下為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土/淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉質(zhì)黏土，詳見圖2。①～④層承載力容許值為50～150 kPa；⑤～⑥層承載力容許值為180～190 kPa；第⑦層為粉砂（Q4al）飽和不液化土，中密～密實狀態(tài)，地基承載力容許值為300 kPa。

3 施工條件分析及施工工藝

3.1 施工基礎(chǔ)條件分析

1）地質(zhì)條件分析

工程區(qū)域表層-8．65～-12．25 m 以上承載力容許值為50～150 kPa，以下為190 kPa以上。采用重力式碼頭結(jié)構(gòu)[1]須選用承載力高的土層。第④層以上承載力較低；根據(jù)地質(zhì)勘察資料計算，⑤至⑥層土承載力亦不滿足要求；第⑦層可作為持力層，但需要深開挖，開挖方量大。而且現(xiàn)有的防潮堤將全部被挖掉，水利主管部門不能允許。因此不能采用重力式碼頭結(jié)構(gòu)方案，只能采用高樁碼頭結(jié)構(gòu)[2]方案。

圖2 鉆孔剖面圖Fig.2 Profile of drill hole

2）施工方式分析

在感潮河段或灘涂區(qū)域，航道未形成，建設(shè)碼頭時，是先開挖港池、航道還是先施工碼頭再開挖水域成為設(shè)計首要考慮的因素，即考慮碼頭是水上施工還是陸上施工。高樁碼頭水上施工需要動用大型船機，樁基由打樁船在水上打設(shè)，縱橫梁、面板由起重船在水上安裝；陸上施工即干施工須在淺水區(qū)域設(shè)置圍堰，回填施工場地，陸上打樁設(shè)備打設(shè)直樁和斜樁，陸上施工碼頭各種構(gòu)件。兩種施工方式形成的工程造價差異較大，其中干施工不受潮汐、波浪影響，施工便利，工程造價低。

本工程泥面標高為1．61～2．16 m，對比設(shè)計水位，工程區(qū)200 m×534 m范圍低潮露灘，在接近設(shè)計高水位時全部淹沒，施工船舶無法進入。將該區(qū)域全部疏浚至設(shè)計標高后，滿足施工船舶進入，再施工碼頭構(gòu)件，會增加施工工期和工程造價?？紤]在現(xiàn)有地形，將工程區(qū)填高或者設(shè)置圍堰，進行干施工，以降低造價和縮短工期，但要做好渤海灣風(fēng)暴潮期間的防護工作。

3.2 指導(dǎo)性施工工藝的確定

根據(jù)施工基礎(chǔ)條件分析，確定采用設(shè)置圍堰的干施工方案，不采用使用施工船舶的水上施工方案。調(diào)用港池所在區(qū)域的黏土，碾壓填筑圍堰，并將圍堰內(nèi)側(cè)的區(qū)域填高整平，形成施工場地。

碼頭采用樁基梁板結(jié)構(gòu)。樁基采用陸上打樁設(shè)備打樁，現(xiàn)澆鋼筋混凝土橫梁，安裝靠船構(gòu)件。然后在樁基、橫梁組成的排架之間，用長臂反鏟開挖碼頭下方斜坡。開挖過程中注意對樁基的保護，同時確保開挖形成的反向斜坡不會影響圍堰的結(jié)構(gòu)安全。斜坡形成后，利用反鏟拋石護面、理坡。預(yù)制安裝縱梁、面板，現(xiàn)澆鋼筋混凝土鋪裝層。

碼頭進入面層施工階段后，挖除圍堰，并進行港池水域的開挖施工。

3.3 場地布置

圍堰坡底距碼頭前沿線的距離考慮兩個因素，一是垂直于碼頭前沿線方向能夠擺放打樁機械，并留有施工通道，二是碼頭下方斜坡陸地開挖時，圍堰陸地側(cè)岸坡穩(wěn)定并留有施工通道。因此在碼頭前沿線外側(cè)30 m處布置圍堰軸線，圍堰寬4 m，頂標高4．0 m，兩側(cè)邊坡為1∶2。圍堰為就地取土，碾壓形成，詳見圖3。

圖3 圍堰與干施工開挖示意圖Fig.3 Excavation of cofferdam and dry construction

圍堰黏土碾壓后選取滲透系數(shù)，并考慮圍堰外側(cè)水位，進行滲流穩(wěn)定性[3]計算。由滲流穩(wěn)定性初步確定場地上游側(cè)的標高為1．0 m，該標高方便橫梁支?，F(xiàn)澆施工。在施工時，發(fā)現(xiàn)場地上游側(cè)出現(xiàn)局部滲水，雖不嚴重，但對車輛行駛有影響。調(diào)整圍堰外側(cè)水位，并重新選取滲透系數(shù)進行滲流穩(wěn)定性計算，根據(jù)計算結(jié)果將場地上游側(cè)標高抬高至1．4 m，確保整個場地為干的陸地環(huán)境。

3.4 地勘資料數(shù)據(jù)分析

分析本工程地勘資料，有一層5～10 m厚、標貫擊數(shù)達到50～70擊的粉砂硬層，樁基打入困難。此硬層能否穿透，是設(shè)計的難點和關(guān)鍵點。樁基能否穿透，樁型選擇，沉樁工藝至關(guān)重要。文獻[4]采用了水沖法配合錘擊的沉樁工藝，并獲得成功，如果按照此工藝，對樁在預(yù)制時就需要進行特別的水力設(shè)計。

對于標準貫入試驗結(jié)果，GB 50021—2001《巖土勘察規(guī)范》（2009年版）[5]提到應(yīng)用N值時是否修正和如何修正，應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計關(guān)系時的具體情況確定。根據(jù)國內(nèi)外研究成果及規(guī)范，對標準貫入試驗結(jié)果進行了修正。

1）美國Gibbs和Holtz認為砂土自重壓力（上覆壓力）對標準貫入試驗結(jié)果有很大影響。美國的Peck得出砂土自重壓力對標準貫入試驗的影響公式為：N=CN×N′；CN=0．77lg（1 960/σv）。其中：N為標貫試驗校正值；N′為標貫試驗實測值；CN為自重壓力影響校正系數(shù)；σv為試驗深度處砂土有效垂直上覆壓力，kPa。

試驗深度在-16～-22 m，上覆有效垂直壓力按240 kPa計算，標貫試驗實測值為70擊，計算標貫試驗校正值為49擊。

2）按照DB J11-501—2009《北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范》[6]，當有效覆蓋壓力大于25kPa時，標貫試驗技術(shù)按Peck公式計算，CN按表取值。該層粉砂為中密，CN取為0．69，計算標貫試驗校正值為48擊。

3）美國Terzaghi、Peck認為，對于有效粒徑d10在 0．1～0．05 mm 范圍內(nèi)的飽和砂、細砂，當其密度大于某一臨界密度時，貫入阻力將會偏大，貫入擊數(shù)大于15擊時，按照下式校正：

N=15+（N′-15）/2

按照上式與前面同等條件進行計算，N值為42．5 擊。

4）根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[7]，當標準貫入試驗貫入點深度和地下水位在試驗地面以下的深度，不同于工程正常運用時，實測標準貫入錘擊數(shù)進行校正。

根據(jù)以上分析，形成修正后的標準貫入擊數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 考慮各因素修正貫入擊數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of modified penetration number considering various factors

本工程硬層埋深達20 m，受上覆土層和地下水影響，標貫試驗實測擊數(shù)修正后在40～49擊。

根據(jù)相關(guān)施工規(guī)范和經(jīng)驗，標貫擊數(shù)小于50擊時，樁基打入可行，不需水沖配合沉樁。

3.5 樁型的選擇

灌注樁造價明顯高于預(yù)制樁，且臨水側(cè)樁基表面要光滑、完整，須保證帶水澆筑混凝土的質(zhì)量。方樁、PHC管樁在碼頭結(jié)構(gòu)中都可以采用，多數(shù)時候取決于施工條件、地質(zhì)條件、預(yù)制場及工廠化條件，并要特別注意安全、可靠、耐久及施工破損率等因素。

對于PHC管樁，使用范圍廣，生產(chǎn)廠家較多，可選規(guī)格多；PHC管樁分節(jié)預(yù)制，單節(jié)長度不宜過長，長樁需要接樁，接頭常形成薄弱點；若接樁后垂直度不能保證，將降低樁的承載能力，甚至在打入時造成斷樁；PHC管樁可采用重型柴油打樁錘沉樁，但可承受錘擊數(shù)較少，尤其是穿透較厚的堅硬土層時，耐打性不強。

工程附近某碼頭采用PHC管樁，因當?shù)責(zé)o管樁生產(chǎn)廠，從南方購買，單米樁費用增加多且施工時沉樁較困難。本工程陸地施工要穿透硬粉砂層5～10 m，經(jīng)綜合分析[8]采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方樁。方樁考慮在專業(yè)預(yù)制場預(yù)制，水上運輸，在附近商港通用泊位卸船，拖車運入工地。

3.6 樁錘的選擇

樁基設(shè)計按貫入度、標高、樁基承載力檢測要求進行控制。選錘主要根據(jù)規(guī)范、地質(zhì)資料通過試樁、檢測確定錘重，也可通過附近工程以往資料，根據(jù)公式計算初步判定錘總。主要依據(jù)動測承載力公式推導(dǎo)，采用英標HILEY公式。公式變形后，以設(shè)計貫入度為已知條件，導(dǎo)出選錘的重量范圍值。本工程中硬粉砂層，中密～密實，厚5～10 m，實際選用125型錘。

4 地基處理

高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)受岸坡土質(zhì)、整體穩(wěn)定和上部荷載影響。本碼頭后方土層承載力低，緊鄰港池，陸地與水域高差約11 m，整體穩(wěn)定是設(shè)計計算中的關(guān)鍵點。為加強接岸結(jié)構(gòu)和岸坡的穩(wěn)定性，提高原地基承載力，碼頭平臺后方的擋墻下部采用振沖碎石樁進行地基處理，碎石樁樁徑800 mm，間距1 500 mm，正方形布置。

5 設(shè)計方案的確定

根據(jù)前述施工條件的分析，施工工藝確定為碼頭樁基陸地施工，橫梁直接現(xiàn)澆，不再搭設(shè)滿堂腳手架，縱梁和面板等構(gòu)件預(yù)制安裝，形成支撐面后現(xiàn)澆鋪裝層。

高樁碼頭排架采用5根600 mm×600 mm預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方樁，前方設(shè)1對叉樁，樁底高程為-33．0 m?，F(xiàn)澆倒T形鋼筋混凝土橫梁，底寬1．3 m，高2．55 m。預(yù)制安裝鋼筋混凝土T形縱梁，底寬0．5 m，高1．2 m。預(yù)制安裝350 mm厚鋼筋混凝土面板，并現(xiàn)澆150～230 mm鋼筋混凝土鋪裝層。碼頭下部護坡采用100～200 kg塊石護面，坡度1∶2。接岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用碎石樁進行地基處理，上部為塊石基床，現(xiàn)澆C30F250混凝土擋墻，擋墻后方回填塊石棱體。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖4。

圖4 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.4 Cross section of wharf structure

6 施工對施工條件分析的驗證

本工程在施工過程中，臨時圍堰起到了良好的擋水、止水作用，提供了干施工的環(huán)境；預(yù)應(yīng)力方樁直、斜樁均穿透了5～10 m的粉砂硬層，不需水沖輔助沉樁，選錘合理，樁基檢測結(jié)果符合設(shè)計要求；碼頭上部結(jié)構(gòu)施工快速而方便?，F(xiàn)場施工過程，驗證了設(shè)計中對施工條件的分析是準確有效的。

7 結(jié)語

合理的指導(dǎo)性施工工藝直接決定設(shè)計方案的成立與否。本文在充分分析設(shè)計基礎(chǔ)條件，論證并確定合理的施工指導(dǎo)性方案，據(jù)此進行總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，切合實際，方便施工，縮短工期，節(jié)省造價，可避免施工變更、施工中預(yù)制構(gòu)件浪費、施工工藝及設(shè)備重大調(diào)整、工期拖延。對于感潮河段類似條件下的碼頭設(shè)計可提供借鑒經(jīng)驗。