LNG碼頭引橋墩臺樁基結構選型

王成　吳迪

【摘 要】 以廣西液化天然氣（LNG）碼頭引橋墩臺樁基為研究對象，根據(jù)工程地質及巖土設計參數(shù)、工藝荷載、設計水位等主要設計條件，提出鉆孔灌注樁和鋼管樁兩種設計方案。從樁基承載力受力、結構受力、施工工藝、工程造價、沉樁情況及檢測結果等方面分析比較兩種方案，得出該工程引橋墩臺結構的樁基選型采用鋼管樁方案設計較為合理。

【關鍵詞】 引橋墩臺；灌注樁；鋼管樁；樁基選型

1 工程概況

廣西液化天然氣（LNG）項目碼頭工程擬建設1個26.6萬m3 LNG船泊位（碼頭結構兼顧8萬～26.6萬m3 LNG船靠泊）及相應的配套設施。

LNG碼頭采用蝶形布置，主要由1座工作平臺、2對系靠船墩、3對系纜墩和1座引橋組成，其中，引橋長119.0 m，寬15.0 m，包括3個橫梁和3個墩臺（含綜合用房平臺1座，平臺平面尺度為33.0 m €？18.5 m）。引橋基礎采用高樁墩式及高樁排架式結構，在固定管架位置處設置高樁墩臺YD3（見圖1），平面尺度為15.0 m €？12.0 m，其余為高樁排架結構；排架與墩臺之間及排架之間采用現(xiàn)澆實心板進行連接，下部基礎采用直徑為 mm鋼管樁或灌注樁；結構頂面澆筑鋼筋砼面層，兩側設鋼欄桿。

2 問題的提出

LNG碼頭與后方陸域采用引橋連接，引橋樁基的選型不僅要考慮碼頭整體結構的安全穩(wěn)定性，其工程造價和施工工藝也直接制約著工程建設的投資和進度。

根據(jù)本工程的地質勘探報告，地基土層主要為砂層、粉質黏土及黏土層，土層工程力學性能良好，承載力、強度較高，是良好的樁基礎持力層，可作為樁基基礎。該LNG碼頭后方陸域為新建吹填形成的人工島，引橋部分樁基礎直接坐落在人工島的拋石護岸斜坡堤上。位于堤頂?shù)囊龢蚪影稙闄M梁結構，具備岸上干地施工條件，采用灌注樁基礎；位于堤身斜面處且設有固定管架的墩臺YD3不具備岸上施工條件，可選用水上施工的灌注樁或打入樁，需要針對該墩臺進行樁基選型分析。

由于引橋接岸處的基礎為鉆孔灌注樁，LNG碼頭結構采用鋼管樁基礎，為減少樁基形式的多樣性，保持結構的整體協(xié)調，從LNG碼頭總體設計考慮，選擇鋼管樁和灌注樁（見圖2）兩種樁基型式進行綜合比較分析。

圖2 灌注樁方案

3 主要設計條件

3.1 工程地質及巖土設計參數(shù)

根據(jù)地質勘查結果，引橋區(qū)的地質主要為第四系土層，各單元層主要巖土設計參數(shù)推薦值見表1。

表1 地基基礎設計參數(shù)推薦值kPa

3.2 工藝荷載

引橋車行道區(qū)域：流動機械荷載為可供25 t輪胎式起重機空載通過；人群荷載為3 kPa。引橋管廊區(qū)域：垂直荷載為 kg/m；固定管架水平力為30 t。

3.3 設計水位

設計高水位為5.54 m（高潮累積頻率10%的潮位）；設計低水位為0.00 m（當?shù)乩碚撟畹统泵妫?；極端高水位為6.99 m（重現(xiàn)期為50年的年極值高水位）；極端低水位為 0.67 m（重現(xiàn)期為50年的年極值低水位）。

4 結構設計分析

作用在墩臺上面的荷載主要包括自重（永久作用）、可變作用（液體管道荷載、水流力、波浪力、墩臺浮力、汽車荷載、人群荷載等），以及地震力（偶然作用）。根據(jù)墩臺結構上可能同時出現(xiàn)的作用荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，結合相應的設計狀況進行作用效應組合，并按照規(guī)范規(guī)定選取相應的分項系數(shù)。

采用易工水運工程結構計算軟件的高樁墩式碼頭計算模塊分別對灌注樁方案和鋼管樁方案兩種模型（見圖3）的墩臺各樁主要內力值（見表2）進行計算分析。

（a）灌注樁 （b）鋼管樁

圖3 兩種方案模型

表2 兩種方案下YD3墩臺各樁主要內力值比較

4.1 鉆孔灌注樁方案

根據(jù)本地區(qū)地質、水文條件和工藝荷載情況，墩臺擬布置8根直徑為 mm鉆孔灌注樁，均為直樁，樁長為55 m。

4.2 鋼管樁方案

考慮靠近接岸處墩臺將承受較大水平力，墩臺擬采用6根斜度為5∶1、直徑為 mm的開口鋼管樁，樁長為50 m。

5 樁基比選

5.1 樁基承載力受力分析

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》，灌注樁和鋼管樁的單樁軸向抗壓承載力設計值Qd分別為

=（）（1）

=（）（2）

式中： d為土的重力密度； si， p為樁側阻力、端阻力尺寸效應系數(shù)；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側摩阻力標準值；qR為單樁單位面積極限樁端阻力標準值； 為承載力折減系數(shù)；U為樁身截面外周長；A為樁端外周面積。

以CSZK6鉆孔地質參數(shù)為代表，計算得到單樁樁基承載力（見表3）。

表3 單樁樁基承載力

5.2 結構受力分析

根據(jù)結構計算分析和樁軸力分布（見圖4），墩臺的鋼管樁布置采用扇形布樁的形式，與灌注樁采用的直樁比較，樁的受力分布較均勻，對力的作用方向變化適應性較強，樁數(shù)相對較少。本工程所處的鐵山港常受臺風侵襲，多數(shù)臺風夾帶暴雨，形成風暴潮。同時，墩臺上部的工藝設施為LNG液相裝卸管線，按照LNG接收站管道的總體設計，其對結構的水平位移變形要求高。從引橋軸向位移分布（見圖5）可以看出，鋼管樁方案的各樁沿引橋軸線方向的位移比灌注樁方案普遍較小。從樁基耐久性分析，灌注樁存在自重大、樁基結構耐久性差等問題，使樁基結構的可靠性降低。鋼管樁采用犧牲陽極的陰極保護法和涂裝環(huán)氧重防腐涂層聯(lián)合保護措施，可使其設計使用壽命達100年。

圖4 樁軸力分布

圖5 引橋軸向位移分布

5.3 施工工藝分析

鉆孔灌注樁的施工具有低噪聲、小震蕩、無擠土，對周圍鄰近建筑物影響小，能夠穿越各種復雜地層和形成較大承載力，適應各種地質條件等優(yōu)點。鉆孔灌注樁的施工大部分無法觀察，成樁后也不能進行開挖驗收。在本工程中，灌注樁用于接岸結構，灌注樁施工需要搭設水上作業(yè)平臺，成樁施工受風浪影響較大，使施工難度增大；灌注樁相對較長，且需要穿越拋石斜坡堤，導致施工鉆孔的時間較長，極易發(fā)生塌孔現(xiàn)象。此外，本地區(qū)粉質黏土及黏土層較厚，分布廣，黏性強，且為樁基的持力層，在灌注樁充鉆成孔至該層時，易出現(xiàn)鉆錘被黏土層吸附而造成掉錘現(xiàn)象。鉆孔灌注樁施工過程的質量控制難度大，一旦發(fā)生掉錘等質量事故，進行返修或方案變更的費用較高。同時，灌注樁施工中泥漿的排放會對周圍海域的環(huán)境產生一定的影響。為此，從施工和環(huán)保角度出發(fā)，有必要考慮其他更合理的樁基結構。

鋼管樁具有強度高，抗彎能力強，能承受較大水平力，制作、運輸、施打方便快速，結構可靠且適合深水泊位等優(yōu)點，近年來被廣泛應用于開敞式碼頭工程。對于本工程而言，由于軟土層較厚，持力層埋深較大，鋼管打入樁對砂土及粉質黏土層沉樁較容易，能有效進入持力層，滿足結構所需的水平承載力和豎向承載力要求，且使用期結構沉降較小。對于高樁墩式方案來說，樁基礎的抗彎要求也相對較高。

灌注樁和鋼管樁施工均需進行拋石護坡開挖，清理塊石。鋼管樁沉樁施工簡便、快速，可在1～2天內完成6根鋼管樁的施打，進而在最短時間內完成護坡的恢復，其施工過程對大堤結構的影響也盡可能降到最低。灌注樁施工周期長，完成本工程8根灌注樁需1～2月左右工期，其施工過程將對護坡大堤的結構安全產生極為不利的影響。

結合工程的重要性和施工工期緊迫性等特點，推薦采用易施工、強度高、抗彎能力強、加工制作工藝成熟可靠、適應性強、整體受力好的鋼管樁結構方案。

5.4 工程造價分析

在本工程中，樁基工程在工程總投資中所占比重較大，從經濟角度對兩種樁型進行分析比較十分必要。

根據(jù)水運工程定額和編制辦法，計算得出鋼管樁的購置費為元/t，6根50 m鋼管樁的總重量為188 t，鋼管樁購置費合計為116.6萬元；鋼管樁陰極保護費用為元/根，合計為5.7萬元；鋼管樁的打樁費為元/根，合計約8.6萬元。鋼管樁方案的總費用約131萬元。

灌注樁方案的總費用如下：直徑 mm鋼護筒購置單價為元/t，每根灌注樁需埋設，8根灌注樁需鋼護筒62 t，購置費為38.4萬元；水上施打鋼護筒單價為元/根，8根合計約11.5萬元；回旋鉆機水上鉆孔灌注樁（120 cm內，Ⅲ類土）長度在55 m以內，單價為820元/m，合計約36萬元；水上澆筑混凝土的數(shù)量為353 m3，C40混凝土單價為720元/m3，合計約25.4萬元；8根灌注樁的鋼筋數(shù)量為78 t，綜合單價（包括購置、加工、安裝）為元/t，合計約46.6萬元。計算得出灌注樁方案的總費用為158萬元。

從以上分析可以看出，在滿足同等設計要求情況下，鋼管樁方案的工程費用比灌注樁方案的工程費用節(jié)約了27萬元，減少了17.1%。

5.5 沉樁情況及檢測結果

工程選用6根直徑為 mm鋼管樁作為墩臺樁基，從鋼管樁的成樁記錄情況分析，6根鋼管樁的總錘擊數(shù)為～錘，樁的貫入情況良好，樁基進入土層30～33 m，樁尖打入平均標準貫入擊數(shù)33（16～56）的粉質黏土及黏土層6 m左右，很好地進入持力層，與設計的樁尖標高基本吻合。

根據(jù)規(guī)范要求，對其中的1根樁進行了高應變動力檢測。檢測結果顯示，樁端阻力為 kN，樁側摩阻力為 kN，樁基的單樁垂直極限承載力為 kN，樁基的極限承載力滿足設計要求。

6 結 語

結合工程實例，針對開敞式LNG碼頭引橋高樁墩式結構的樁基選型，考慮灌注樁和鋼管樁方案，從設計、施工、造價等方面進行綜合比較分析，得出以下結論：

（1）利用易工水運軟件，計算出2種方案在最不利工況下各樁基的內力值，并根據(jù)相關規(guī)范算出8根灌注直樁方案和6根鋼管斜樁方案的單樁極限垂直承載力均滿足設計要求。同時，采用鋼管樁方案的單樁極限垂直承載力的富余度較灌注樁方案更為合理。

（2）從結構受力分析可以得出，鋼管樁呈扇形布置，具有良好的承載力性能，其受力相對更加均勻。同時，采用鋼管樁能夠更好地滿足工藝管道對結構變形的要求，可提高結構的可靠性和耐久性。

（3）從施工工藝方面分析，灌注樁水上施工技術難度大，質量控制不易，施工周期長，對已建護岸結構的影響較大，其施工中產生的泥漿易對周圍海域的環(huán)境產生不利影響。鋼管樁施打簡單、快速，滿足工程工期緊迫的要求，同時也減小對護岸結構的影響。

（4）從工程造價方面分析，鋼管樁方案的費用較灌注樁方案減少17.1%。

通過綜合比較分析，設計采用6根鋼管樁作為該墩臺的樁基。目前，墩臺打樁施工已經完成，根據(jù)沉樁情況及高應變動力檢測結果，表明樁基受力良好，滿足設計要求。

參考文獻：

[1]中交第二航務工程勘察設計院有限公司.廣西液化天然氣（LNG）項目碼頭及陸域形成工程初步設計報告[R].武漢：中交第二航務工程勘察設計院有限公司，2012.

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