疏排管樁新型碼頭結(jié)構(gòu)的實際工程運用

高志偉，唐照評

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

滿堂式高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)是港口工程設(shè)計的難點和重點，特別是在具有不良地質(zhì)條件下建設(shè)高填土接岸結(jié)構(gòu)尤為困難。如果碼頭寬度較大，后方地質(zhì)條件較好，接岸結(jié)構(gòu)可采用斜坡式結(jié)構(gòu)或者重力式結(jié)構(gòu)；如果受碼頭寬度限制，后方地質(zhì)不良區(qū)域如需建設(shè)直立式接岸結(jié)構(gòu)，一般采用板樁結(jié)構(gòu)，近年來還在部分地區(qū)使用過斜頂樁板樁承臺結(jié)構(gòu)作為深厚軟地基上的接岸結(jié)構(gòu)[1-2]。這些接岸結(jié)構(gòu)總體上與前方碼頭相分離，雖然一定程度減小后方填土荷載對碼頭直接作用，但碼頭和接岸兩種結(jié)構(gòu)的實施提高了工程造價，增加了施工作業(yè)時間。

深圳太子灣22萬GT郵輪泊位創(chuàng)新性提出一種接岸結(jié)構(gòu)和碼頭相結(jié)合的新型碼頭結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在碼頭后沿縱向設(shè)置疏排混凝土管樁，并通過導(dǎo)梁和碼頭排架連成整體，利用碼頭整體結(jié)構(gòu)抵抗土體水平荷載，增加岸坡整體穩(wěn)定性，同時經(jīng)濟造價經(jīng)比選較優(yōu)，具有良好的推廣前景。

1 工程概況

深圳太子灣郵輪母港工程是一個依托原有蛇口港一突堤老泊位向外拓展的改造及新建相結(jié)合的綜合性項目。碼頭部分的主要內(nèi)容為：建設(shè)5萬GT郵輪泊位1個（碼頭結(jié)構(gòu)按可靠泊10萬GT郵輪設(shè)計）及22萬GT郵輪泊位1個；新建10個800 GT高速客輪泊位；建設(shè)1萬GT客貨滾裝泊位1個（水工結(jié)構(gòu)按可靠泊2萬GT客貨滾裝船設(shè)計）。22萬GT郵輪泊位為新建主體結(jié)構(gòu)，碼頭寬度為25 m，郵輪泊位前沿泥面高程為-12.0 m，碼頭面高程3.50 m，采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，樁基采用1.2m直徑的預(yù)應(yīng)力后張法大管樁[3]。

22萬GT郵輪碼頭區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，除表層淤泥外，在深層存在厚度為6～12 m的淤泥質(zhì)軟弱土④2層，該土層埋置深度約為-30.0 m，物理力學(xué)指標(biāo)差（見表1），壓縮性較高，該層的存在會使地基發(fā)生較大的沉降及變形。

表1 ④2層土質(zhì)物理、力學(xué)指標(biāo)平均值統(tǒng)計表Table 1 M ean value of the④2 layer soilphysical andmechanical indexes

2 設(shè)計方案比選

臨近地區(qū)的已建滿堂式碼頭多采用全直樁結(jié)構(gòu)，后方接岸結(jié)構(gòu)采用全清淤處理后的拋石斜坡堤，斜坡堤坡面布置在碼頭下方，受碼頭寬度限制，一般坡面較陡，不能延伸出碼頭前沿，這種結(jié)構(gòu)要求有良好的天然地基。

本工程由于天然地基中存在較厚的軟弱夾層，如采用上述結(jié)構(gòu)，碼頭及接岸結(jié)構(gòu)安全性達不到要求，應(yīng)對斜坡堤進行地基處理后方可采用。在設(shè)計過程提出三種結(jié)構(gòu)方案。

第一種結(jié)構(gòu)方案是加固天然地基方案，對接岸結(jié)構(gòu)下方的軟弱土層進行地基處理，提高土層抗剪強度，考慮到本工程擬處理的駁岸區(qū)域范圍內(nèi)軟土層較為深厚，郵輪碼頭駁岸前方為碼頭結(jié)構(gòu)，進行塑排加固排水預(yù)壓的條件不具備，并且該方法效果也不明顯，而將軟土層全開挖置換方案的造價較高，施工期長，且施工期對周邊的影響較大。因此，在第一種結(jié)構(gòu)方案中選用施打砂樁的復(fù)合地基處理方法，砂樁置換率取25%，前方碼頭采用全直樁結(jié)構(gòu)。

第二種結(jié)構(gòu)方案是疏排管樁結(jié)構(gòu)方案，通過碼頭結(jié)構(gòu)來抵抗土的側(cè)向壓力，將碼頭與擋土結(jié)構(gòu)進行組合，形成高樁碼頭與板樁組合結(jié)構(gòu)方案，碼頭后方采用疏排管樁，碼頭前沿設(shè)置斜樁進行支撐，整個結(jié)構(gòu)形成整體，共同抵抗后方填土壓力，這種結(jié)構(gòu)充分利用碼頭樁基抗剪能力，防止岸坡滑動，不需要對地基進行加固處理。

第三種結(jié)構(gòu)方案為寬平臺緩坡方案，是設(shè)想對地基不進行加固，通過增加斜坡堤前的壓坡級數(shù)和長度，提高施工期岸坡穩(wěn)定性，以滿足岸坡穩(wěn)定要求。由于增加了壓坡的長度，駁岸擋土墻前沿邊線與碼頭前沿線的距離將增加約20m，駁岸后退后，在駁岸和碼頭區(qū)段采用高樁梁板平臺結(jié)構(gòu)進行過渡。

方案一中水上施打砂樁要穿透上部致密的粉土層去加固下部的軟弱土層，施工難度相當(dāng)大，砂樁施工效率低。方案二依靠碼頭結(jié)構(gòu)自身抵抗土體壓力，受力明確，可靠性高，無需地基加固，減少施工工序，有利于施工管理工期控制。方案三加長了壓坡長度，碼頭結(jié)構(gòu)寬度相應(yīng)增加，碼頭造價增加較大，同時由于增加碼頭寬度，相應(yīng)減少后方陸域開發(fā)用地。在工程造價方面，方案一和方案二造價基本相當(dāng)，方案三最貴。經(jīng)對上述方案進行相應(yīng)技術(shù)經(jīng)濟比選后，最終實施方案采用疏排管樁結(jié)構(gòu)的方案二。

3 具體實施方案

3.1 碼頭結(jié)構(gòu)形式

碼頭實施方案如下：碼頭后排順岸設(shè)置疏排管樁作為板樁擋土以承受土壓力，疏排管樁采用φ1 200 mm預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，樁距1.8m，樁頂澆注導(dǎo)梁，并與碼頭排架形成整體結(jié)構(gòu)，碼頭結(jié)構(gòu)采用上下橫梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁、預(yù)制與現(xiàn)澆疊合面板，基樁為φ1 200 mm預(yù)應(yīng)力混凝土大管樁，排架間距9m，每榀排架5根樁，其中近碼頭前沿2根樁及近駁岸1根樁為直樁，中間2根為斜樁，見圖1、圖2。

圖1 樁位圖Fig.1 Pile position

3.2 結(jié)構(gòu)計算

碼頭結(jié)構(gòu)要考慮樁-土共同作用，采用Robot Millennium有限元分析軟件進行計算，按照空間結(jié)構(gòu)對碼頭整體進行分析。計算中選取66.8 m長結(jié)構(gòu)分段按照3D殼單元建立模型，樁基、縱橫梁系和導(dǎo)梁均采用桿系輸入，并賦予相應(yīng)截面尺寸和力學(xué)特性。碼頭疊合面板作為整體板結(jié)構(gòu)輸入，并進行有限元網(wǎng)格劃分。樁基頂部與橫梁及導(dǎo)梁固接，樁底與地基彈性支撐，樁基內(nèi)力和變形采用彈性地基梁法計算，樁與土間嵌固作用按“m”值法考慮[4]。

圖2 碼頭斷面圖Fig.2 W harf section

擋土樁墻后主動土壓力按前沿泥面以上超載產(chǎn)生的土壓力考慮，計算水位取設(shè)計低水位，由于墻后拋填塊石透水性好，不計入剩余水壓力。

結(jié)構(gòu)計算主要對碼頭上部結(jié)構(gòu)和下部樁基內(nèi)力進行分析。計算表明，各構(gòu)件內(nèi)力均滿足使用要求，見表2。

表2 碼頭內(nèi)力計算成果表Table 2 W harf internal force calculation results

由于考慮碼頭結(jié)構(gòu)基樁的土體抗剪強度，圓弧滑動斷面從疏排管樁下方穿過，后方岸坡整體穩(wěn)定大為提高，滿足了岸坡整體穩(wěn)定的使用要求，見表3。

表3 岸坡整體穩(wěn)定計算數(shù)值表Table 3 Overallbank stability calculation value

3.3 施工方法

碼頭結(jié)構(gòu)施工難度主要在碼頭結(jié)構(gòu)和下方拋石棱體的工序安排，為確保碼頭及駁岸結(jié)構(gòu)的安全，按下述施工順序要求進行。

1） 先清淤后沉樁

基樁沉樁施工前，需將碼頭區(qū)域內(nèi)表層淤泥清除?；鶚冻翗稌r對疏排樁采用1個排架兩端先沉定位樁，再沉中間排樁，以保證沉樁定位準(zhǔn)確。

2） 先對稱拋石，再分段澆筑橫梁

下橫梁施工時為減少斜樁的樁身彎矩，先在碼頭排樁兩側(cè)對稱分層拋4m厚塊石。下橫梁分段施工，先將下橫梁岸側(cè)段與導(dǎo)梁澆筑成整體，待混凝土達到80%設(shè)計強度后，再進行海側(cè)前段下橫梁施工。

3）分階段進行拋填棱體施工

拋石棱體施工必須分段分層實施，第一階段為碼頭排樁兩側(cè)對稱拋石，待樁頂?shù)膶?dǎo)梁及排架的下橫梁混凝土澆注完成形成整體后，才可進行第二階段的拋石作業(yè)，拋石標(biāo)高至斜坡和疏排管樁的交接面，形成外坡護面；第三階段，待碼頭上部結(jié)構(gòu)施工完成后，拋石棱體作業(yè)可至現(xiàn)澆胸墻底標(biāo)高。

根據(jù)上述施工方法，太子灣22萬GT郵輪碼頭順利完成碼頭主體結(jié)構(gòu)的施工并交工驗收，建設(shè)期間碼頭位移控制良好，普遍在10mm以內(nèi)。

4 結(jié)語

疏排管樁新型碼頭結(jié)構(gòu)將碼頭和擋土結(jié)構(gòu)連成整體考慮，利用整體結(jié)構(gòu)的樁基抗剪強度提高岸坡整體穩(wěn)定性，不需要對天然土體進行地基處理，具有施工簡單、施工工序少、造價合理的特點，在與砂樁加固天然地基方案、寬平臺緩坡方案進行結(jié)構(gòu)比選中脫穎而出，成為最終實施方案。

在港口建設(shè)中經(jīng)常會遇到類似的工程問題，當(dāng)遇到接岸結(jié)構(gòu)的岸坡穩(wěn)定不足時，可在碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，通過疏樁擋土結(jié)構(gòu)提高岸坡整體穩(wěn)定，必要時樁基可采用鋼管樁，可進一步提高岸坡整體穩(wěn)定性，本工程的順利實施可為類似工程提供很好的借鑒。

[1]JTS167-1—2012，高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范[S].JTS 167-1—2012,Design and construction code for open type wharfon piles[S].

[2] 方君華.在洋山港應(yīng)用斜頂樁板樁承臺結(jié)構(gòu)的體會[J].水運工程，2008（10）：104-108.FANG Jun-hua.The application experience of batter piles with sheet-pile supported platform bulkhead structure in Yangshan Deepwater Port[J].Port&Waterway Engineering,2008(10)：104-108.

[3] 深圳港蛇口太子灣片區(qū)改造工程初步設(shè)計報告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2010.Primary design report on Shekou Taiziwan District modification project in Shenzhen[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.,Ltd.,2010.

[4]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].