重力式碼頭岸橋后軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案及使用效果探討

劉少鑾

摘 要：本文通過工程實例，分析了重力式碼頭裝卸橋后軌道基礎(chǔ)型式的特點及使用情況，提出在地質(zhì)條件及碼頭建設(shè)規(guī)模適宜的情況下，后軌道采用淺基礎(chǔ)型式，結(jié)合強(qiáng)夯處理地基方式，能滿足裝卸橋使用中對地基殘余沉降量的要求，并能加快速度、節(jié)省投資。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 后軌道 淺基礎(chǔ) 強(qiáng)夯 沉降量

1.工程概況

汕頭港廣澳港區(qū)一期工程建設(shè)規(guī)模為435m5萬噸級集裝箱碼頭，碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，碼頭前沿65m范圍設(shè)計水深為-15.0m，碼頭面設(shè)計標(biāo)高為4.5m（當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面）。碼頭岸邊裝卸作業(yè)采用51t-51m集裝箱裝卸橋2臺，裝卸橋軌距24.383m。

1.1工程地質(zhì)情況

根據(jù)工程地質(zhì)鉆探資料顯示：

碼頭區(qū)地層從上到下依次為：上部為淤泥、亞粘土、亞砂土和細(xì)砂，中部主要為細(xì)砂、中砂和粗砂，下部為亞粘土混砂、強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖。鉆探結(jié)果顯示：一般-13.0m以上軟土層分布較厚，-13.0～-15.0m間主要分布中、粗砂，強(qiáng)風(fēng)化巖面由東向西傾斜，但高低不一，無明顯規(guī)律，標(biāo)高一般在-15.0～-20.0m不等，該層為重力式碼頭的良好持力層。根據(jù)工程的碼頭設(shè)計，其基槽開挖底標(biāo)高應(yīng)在-16.0m以下，由鉆探結(jié)果可知，-16m以下主要分布有中、粗砂，亞粘土混砂及強(qiáng)風(fēng)化巖等，故對于碼頭結(jié)構(gòu)而言不存在砂土液化問題。

陸域部分主要由殘坡積土和風(fēng)化巖組成。殘坡積土包括亞粘土混砂和砂混粘性土兩種，受巖石風(fēng)化特性的影響，該層厚度變化較大，鉆孔顯示最大厚度為7.1m，標(biāo)貫擊數(shù)均大于50擊。

1.2碼頭結(jié)構(gòu)形式

碼頭結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱設(shè)計底標(biāo)高為-15m，沉箱頂面安放卸荷板，胸墻采用現(xiàn)澆鋼筋砼。沉箱單個重883t，外型尺寸為：長11.26m×寬10.5m×高14.3m。從碼頭前沿往后40m范圍為拋石棱體、倒濾層及回填開山石，40m～100m為陸上回填海砂，100m以后陸域采用挖掘機(jī)現(xiàn)場高挖低填進(jìn)行整平。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。1.3裝卸橋后軌道基礎(chǔ)方案比選

由于本工程所處區(qū)域地質(zhì)條件良好，碼頭區(qū)內(nèi)雖然分布有一定厚度的淤泥質(zhì)軟土，但埋藏較淺，在碼頭水工結(jié)構(gòu)施工時軟土層將被整體開挖（沉箱拋石基床底標(biāo)高-18.0m，往后方按1：2放坡），隨后回填棱體石料，軟土層將被置換成塊石層。根據(jù)地質(zhì)情況，本工程的碼頭及后方地基處理適合采用強(qiáng)夯處理方法。

從工程結(jié)構(gòu)安全、工程經(jīng)濟(jì)以及投產(chǎn)使用后的維護(hù)等方面考慮，后軌道基礎(chǔ)型式提出了以下幾種方案：

（1）采用？1000鋼管樁，間距6m，施工工藝為打樁船水上打設(shè)鋼管樁，再拋填10～100kg塊石進(jìn)行穩(wěn)樁。

（2）采用？1000灌注樁，間距3m，施工順序為先回填石料→地基處理→灌注樁施工。

（3）采用條形淺基礎(chǔ)。即在地基強(qiáng)夯處理后，直接施工后軌道梁（倒T型）。

后軌道采用三種不同基礎(chǔ)型式時，碼頭工程費(fèi)用估算情況見表1。

從表1可知，如果后軌道采用淺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，碼頭工程造價可比采用鋼管樁和灌注樁的結(jié)構(gòu)型式分別節(jié)省703萬和810萬的建設(shè)投資，節(jié)省的幅度比較大；另外，采用淺基礎(chǔ)時，后軌道梁地基處理可與后方陸域地基處理整體施工，既節(jié)省時間，又節(jié)省費(fèi)用。

在方案的可行性方面，則可參考與新建集裝箱碼頭相鄰的廣澳港區(qū)起步工程。該工程于1995年建成投產(chǎn)，建設(shè)1個2萬噸級多用途泊位（結(jié)構(gòu)預(yù)留3.5萬噸級），岸線長240m，碼頭岸邊裝卸作業(yè)采用40t門機(jī)，起步工程地質(zhì)情況與新建一期工程地質(zhì)情況相似?；诠こ塘己玫牡刭|(zhì)條件，并從節(jié)省工程投資和加快施工進(jìn)度出發(fā)，起步工程門機(jī)后軌道在區(qū)域內(nèi)首嘗采用條形淺基礎(chǔ)，地基處理采用強(qiáng)夯技術(shù)。從碼頭投產(chǎn)使用后7年多時間來看，門機(jī)使用正常，后軌道共進(jìn)行了兩次高程調(diào)整，第一次調(diào)整是在1998年，鋼軌最大沉降值為12.5cm，相鄰測點最大沉降差為4.7cm；第二次調(diào)整是在2001年，鋼軌最大沉降值為7.8cm，相鄰測點最大沉降差為2.2cm。兩次調(diào)整鋼軌高程的總費(fèi)用為50多萬元，相比于建設(shè)期節(jié)省的300多萬元的投資和縮短工期來說，具有實際意義。

有鑒于此，考慮到本工程良好的地質(zhì)條件，且相鄰有2萬噸級多用途碼頭較為成功的經(jīng)驗，設(shè)計與工程管理人員經(jīng)過方案的綜合比選后，最終確定新建碼頭岸橋后軌道采用鋼筋砼條形淺基礎(chǔ)方案。

2.后軌道基礎(chǔ)方案實施情況

2.1減少后軌道基礎(chǔ)殘余沉降的設(shè)計措施

為減輕后軌道梁地基殘余沉降對岸橋使用的影響，設(shè)計著重考慮以下幾個方面，并采取必要的預(yù)防措施：

（1）合理確定地基土的容許承載力。設(shè)計通過已有的地質(zhì)鉆探和測試資料、有關(guān)的設(shè)計規(guī)范以及相鄰工程的設(shè)計經(jīng)驗，經(jīng)嚴(yán)密的計算確定地基的容許承載力。按承載能力極限狀態(tài)計算地基承載力時，采用荷載效應(yīng)的基本組合，另外，根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001），工程所在地的地震基本烈度為8度，結(jié)構(gòu)計算中計入地震效應(yīng)組合。（2）沉降計算按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計算，采用荷載的長期效應(yīng)組合。（3）通過結(jié)構(gòu)措施加強(qiáng)軌道梁的整體剛度和強(qiáng)度，適當(dāng)加大基礎(chǔ)底寬，減小基底應(yīng)力，從而減少沉降量，并增強(qiáng)適應(yīng)不均勻沉降的能力。（4）軌道梁不設(shè)沉降縫，梁段與梁段之間的溫度伸縮縫設(shè)置防止不均勻沉降的傳力桿。（5）為延緩?fù)懂a(chǎn)使用后地基的殘余沉降對岸橋使用的影響，適當(dāng)抬高后軌道梁地基設(shè)計高程。地基抬高高度的確定需適宜，過小效果不明顯，但若抬高高度過大，岸橋前后軌高差大，將影響岸橋的使用。經(jīng)征求岸橋生產(chǎn)廠家的意見，以約2‰的前后軌高差考慮，按軌距24.383m計，后軌基礎(chǔ)抬高高度確定為5cm。（6）碼頭面層采用聯(lián)鎖塊鋪面的結(jié)構(gòu)型式，以適應(yīng)地基的不均勻沉降，同時方便軌道調(diào)整時接順。

2.2后軌道地基強(qiáng)夯對碼頭水工結(jié)構(gòu)影響分析

強(qiáng)夯法特別適宜加固一般處理方法難以加固的大塊碎石類土，強(qiáng)夯處理地基具有加固效果顯著、設(shè)備簡單、施工期短和施工費(fèi)用低等優(yōu)點。不過，強(qiáng)夯施工時產(chǎn)生的振動影響的安全距離的確定，歷來是強(qiáng)夯施工中的難題。本工程中裝卸橋后軌距碼頭前沿線為27m多，由于距離較近，后軌道梁地基強(qiáng)夯處理對碼頭水工結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的影響必須充分重視，為減少其影響，設(shè)計和施工中做了周密細(xì)致的考慮：

（1）設(shè)計參數(shù)的確定。設(shè)計依據(jù)地基土類別、地基承載能力設(shè)計值、要求處理的地基深度等數(shù)據(jù)，并參照已建碼頭的施工經(jīng)驗，初步提出強(qiáng)夯夯擊能值。（2）為進(jìn)一步驗證夯擊能量是否適宜，在后軌道位置選擇面積為200平方米區(qū)域作為典型施工區(qū)，通過典型施工驗證最初的夯擊能量和施工方法能否滿足設(shè)計要求。（3）典型施工時，在碼頭沉箱和后軌道之間的中間地帶設(shè)置隔振溝，溝寬1.5m，深2.5m；并在距離最近的碼頭面上設(shè)置三個沉降位移觀測點。施工過程中，全程對觀測點進(jìn)行觀測，從觀測的數(shù)據(jù)看，未發(fā)現(xiàn)觀測點出現(xiàn)位移和沉降異常情況。（4）施工完畢一周后，對施工區(qū)域進(jìn)行載荷板試驗，檢測施工效果能否達(dá)到設(shè)計要求。經(jīng)測試，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

2.3后軌道地基強(qiáng)夯施工方法

設(shè)計要求：強(qiáng)夯點夯單擊夯擊能為2000KN·m，滿夯單擊夯擊能為600KN·m，點夯2遍，滿夯2遍，其中點夯滿足每點擊數(shù)不少于10擊且最后兩擊平均沉降量不大于50mm。處理后要求碎石基床的壓實度≥93%，地基承載力特征值為150KPa。

施工中選用夯錘錘重15.58t，直徑2.3m，落距13.5m，夯擊能為2100KN·m，夯點采用梅花形布置，間距5m。具體施工方法如下：

（1）清理并平整施工場地。（2）起重機(jī)就位，夯錘置于夯點位置，測量夯前錘頂高程。（3）將夯錘起吊到預(yù)定高度，開啟脫鉤裝置，待夯錘脫鉤自由下落后，放下吊鉤，測量錘頂高程，若發(fā)現(xiàn)因坑底傾斜而造成夯錘歪斜時，應(yīng)及時用碎石將坑底整平。按設(shè)計規(guī)定的夯擊次數(shù)和沉降量控制，完成一個夯點的夯擊。（4）換夯點，重復(fù)步驟（2）至（3），完成第一遍全部夯點的夯擊。（5）用裝載機(jī)將夯坑填平，并測量場地高程，進(jìn)行第二遍點夯。（6）兩遍點夯完成后，進(jìn)行兩遍低夯能（600KN·m）的滿夯，錘擊相互搭1/2錘底面積，將場地表層片石夯實，并測量夯后場地高程。（7）滿夯結(jié)束后，再用震動力200KN以上的震動壓路機(jī)碾壓4～6遍，直到無明顯輪跡為止。（8）待施工完畢一周后，對施工區(qū)進(jìn)行荷載板試驗。載荷試驗結(jié)果顯示地基承載力特征值為168.75KPa，滿足設(shè)計要求的150KPa。另外，基床壓實度經(jīng)檢測達(dá)97.6%，符合設(shè)計要求。

2.4后軌道梁施工

后軌道梁分6個型號共20段，總長403.75m，砼強(qiáng)度等級為C30。軌道梁基礎(chǔ)底標(biāo)高為+2.5m，上鋪碎石墊層厚40cm，基礎(chǔ)頂層為C10素砼墊層厚10cm。軌道頂面標(biāo)高為+4.5m。

后軌道梁施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→測量放線→軌道梁基礎(chǔ)碎石墊層鋪設(shè)→碎石墊層碾壓→C10素砼澆筑→軌道梁鋼筋綁扎→模板安裝→澆筑C30砼→鋼墊板安裝→澆筑膠泥→壓板總成安裝→鋼軌安裝→竣工驗收。

3.后軌道使用情況及沉降處理方法

3.1后軌道投產(chǎn)使用情況

本項目于2007年建成投產(chǎn)，投產(chǎn)后使用單位定期組織對碼頭前后軌道進(jìn)行沉降位移難測。從各期的觀測數(shù)據(jù)來看，后軌道的沉降呈現(xiàn)初期相對明顯后期相對穩(wěn)定的特點。經(jīng)過幾年的沉降積累，到2010年6月，觀測結(jié)果反映：后軌道最大沉降量達(dá)10.2cm，最小沉降量為3.4cm。由于累積的沉降已使鋼軌局部出現(xiàn)明顯的變形，為避免變形進(jìn)一步發(fā)展，影響岸橋使用，使用單位決定對后軌道高程進(jìn)行調(diào)整。

3.2后軌道高程調(diào)整方法

后軌道鋼軌型號為QU100，地角螺栓為M24×350。調(diào)整方案采用原地角螺栓接長，并加墊鋼板的做法。原螺栓接長采用套接螺母（即套筒），套筒的加工長度取現(xiàn)場實測調(diào)高的最大值，套筒下部3cm拱內(nèi)牙，3cm以上部分車外牙，并配螺帽直接鎖定鋼墊板。調(diào)軌示意見圖2。

3.3調(diào)整后使用情況

2011年初后軌道高程調(diào)整完成，使用至今。從調(diào)整后歷次的沉降觀測情況來看，軌道沉降基本趨于穩(wěn)定，2014年下半年觀測顯示：最大累計沉降量為4.6cm，最小為2.8cm。

4.結(jié)語

碼頭門機(jī)或集裝箱裝卸橋的前軌和后軌常作用在不同基礎(chǔ)上，這必然使前、后軌在使用過程中出現(xiàn)沉降不同步的特點：前軌作用在碼頭水工結(jié)構(gòu)上，沉降量通常較??；而后軌沉降量主要取決于軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。通過本文分析表明，對于設(shè)計規(guī)模不大于5萬噸級的重力式（其他結(jié)構(gòu)型式可參考論證）碼頭工程，如果地質(zhì)情況良好，碼頭受力深度范圍內(nèi)不存在軟弱土層或軟弱土層埋置深度較淺，經(jīng)地基處理后預(yù)計基礎(chǔ)殘余沉降量較小的，后軌道可采用淺基礎(chǔ)型式。淺基礎(chǔ)方案最大優(yōu)點是施工速度快、造價較低，不足之處是后期沉降量相對較大，使用過程需進(jìn)行軌道高程調(diào)整。但軌道調(diào)整工藝較為簡單，通過調(diào)整，完全可以達(dá)到門機(jī)或裝卸橋的使用要求。