無錨板樁新型施工碼頭結構的設計與應用

張育林，馮先導，林紅星，于　洋

（中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢430012）

無錨板樁新型施工碼頭結構的設計與應用

張育林，馮先導，林紅星，于洋*

（中交第二航務工程局有限公司，湖北武漢430012）

依托以色列阿什杜德港碼頭項目，在傳統(tǒng)施工碼頭結構難以適用其施工環(huán)境的情況下，通過對傳統(tǒng)碼頭結構形式的分析和研究，提出了一種適用于惡劣海況、無覆蓋層、陸域狹窄的無錨板樁新型碼頭結構，有效解決了現(xiàn)場實際難題，快速完成了施工碼頭建設并推動了主體碼頭的施工進度。

新型施工碼頭；無錨板樁；支撐墩結構

結合以色列阿什杜德港碼頭項目特點，選擇施工碼頭的結構形式。高樁碼頭難以適應其無覆蓋層的地質條件、板樁碼頭難以適應其狹窄的水域、重力式拋石碼頭難以適應其惡劣的海況。所以，尋找一種適宜的新型碼頭結構是本項目施工碼頭順利建成和保證主體碼頭施工進度的關鍵。

1　工程概況

1.1工程簡介

碼頭項目位于以色列阿什杜德市地中海海域，施工碼頭位于既有護岸防波堤坡腳處，碼頭岸線長40 m，碼頭頂面高程為+2.5 m，前沿底高程為-4.5m。設計靠船等級為2 000 t方駁。

1.2工程特點

1）海況惡劣：季風期最大有效波高可達6m。

2）地質條件差：覆蓋層為0～3 t塊石。

3）陸域狹窄：根據(jù)水深及現(xiàn)場要求，陸域為20m左右。

4）水深適中：碼頭前沿水深4.5m左右。

5）潮位適中：大潮高潮位+0.38 m；平潮高潮位+0.18 m；平均海平面+0.00 m；平潮低潮位-0.12 m；大潮低潮位-0.22m。

2　結構選型

2.1高樁碼頭

高樁碼頭主要由鋼管樁基礎、梁部結構和面層結構組成[1]，該碼頭結構形式具有裝配性強，施工速度快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，同時其透空結構還可有效規(guī)避強風浪條件下的反射波對船舶的作用。但其面層結構具有難以承受波托力作用的局限性，同時針對本項目施工環(huán)境，碼頭區(qū)域存在0～3 t塊石覆蓋層，清除塊石工程量較大；部分樁基需穿透現(xiàn)有防波堤0～1 t塊石，沉樁難度大；相對于板樁碼頭需增加材料150 t左右。

2.2板樁碼頭

板樁碼頭主要由前沿板樁、后排錨樁、錨桿及樁間填土組成[2]。相對于高樁碼頭，其具有塊石清除量小，沉樁便利及經(jīng)濟性好等優(yōu)勢。但由于現(xiàn)場陸域狹窄，不適合設置錨樁和拉桿等錨錠結構，同時其具有施工復雜，且相對于無錨板樁碼頭其用鋼量相對較多、塊石清除量相對較大，經(jīng)濟性相對較差等缺點。

2.3重力式拋石碼頭

重力式拋石碼頭一般采用0～3 t塊石拋填，3～5 t塊石護岸。主要具有造價低，耐久性好，施工設備簡單等優(yōu)點。但本項目風浪條件差，最大有效波高可達6 m以上，拋石碼頭難以形成且形成后塊石受強風浪沖刷將導致難以靠泊。

2.4無錨板樁碼頭

無錨板樁結構主要采用單排無錨鋼板樁、鋼板樁兩側采用鋼管樁支撐墩，中間通過支撐梁傳力，后方通過填土形成陸域。其相對傳統(tǒng)施工碼頭結構可適應強風浪海況、無覆蓋層地質和狹窄陸域等施工環(huán)境，同時還具有結構簡單、受力清晰、施工便捷、經(jīng)濟性強、適用范圍廣等優(yōu)點。

2.5結構確定

通過以上比選，無錨板樁碼頭既可規(guī)避強風浪條件下波托力的影響，又可避免既有防波堤坡腳處對沉樁的影響，還可大大減少塊石覆蓋層的清除量，同時其經(jīng)濟性相對最高，施工相對便捷。所以，以色列阿什杜德港碼頭項目采用無錨板樁碼頭結構作為施工碼頭結構。

3　結構設計

3.1設計思路

通過對傳統(tǒng)碼頭結構形式的分析可知，傳統(tǒng)板樁碼頭相對于高樁碼頭和重力式拋石碼頭更適用于本項目施工環(huán)境，但其具有難以適應狹窄陸域和施工復雜的局限性。進而對傳統(tǒng)板樁碼頭結構進行深入研究：傳統(tǒng)板樁碼頭主要由錨桿將前沿板樁和后排錨樁連成整體，然后進行樁間填土形成擋土墻，最后在墻后填土形成傳統(tǒng)板樁碼頭。結合本項目實際情況，需主要解決傳統(tǒng)板樁碼頭局限性的技術難題。

經(jīng)多次論證和計算，提出了無錨板樁碼頭結構。其受力原理為：采用單排無錨板樁、樁間橫梁和支撐墩形成擋土結構，在墻后填土形成無錨板樁碼頭結構。土壓力通過無錨板樁和支撐梁最后傳至支撐墩上。其整個擋土結構可根據(jù)所受土壓力、波浪力等進行選型。同時因為是單排板樁結構且無需采用錨桿錨固，有效地解決了難以適應狹窄陸域和施工復雜的技術難題。

3.2結構形式

施工碼頭結構布置見圖1。

圖1　施工碼頭布置圖Fig.1 Layout of construction w harf

施工碼頭主要由支撐墩、支撐梁、樁帽、頂梁、平聯(lián)、鋼板樁、墻后拋石等結構組成。

1）支撐墩：采用3根φ1 020 mm×12 mm螺旋焊鋼管組合而成，通過頂梁焊接形成整體。

2）支撐梁：上層支撐梁采用2HN600×200型鋼，位于臨時碼頭頂部以下2 m處，下層支撐梁采用2HN600×200型鋼，位于臨時碼頭頂部以下5m處。

3）樁帽：樁帽采用組合鋼板焊接而成。

4）頂梁：頂梁采用2HN600×200型鋼，與樁帽焊接連接。

5）平聯(lián)：平聯(lián)采用φ426 mm×6 mm螺旋焊鋼管，與鋼管樁通過哈弗接頭連接。

6）鋼板樁：鋼板樁采用AZ24-700型鎖口鋼板樁。

7）墻后拋石：墻后拋石主要采用0～3 t的塊石作為基礎、3～5 t的塊石作為護面石，碎石作為面層。

3.3設計計算

1）模型建立

采用ANSYS有限元軟件進行碼頭結構受力分析計算[3-4]，根據(jù)結構特點，采用BEAM188梁單元進行模擬，對鋼板樁、支撐梁和支撐墩分別進行受力分析。鋼板樁取單位寬度進行分析，計算模型簡化為一端固結，一端簡支的梁，采用彈簧單元模擬土壤和支撐梁對板樁的約束；支撐梁計算模型簡化為兩端簡支梁，將板樁計算求得約束反力施加于支撐梁上；支撐墩計算模型簡化為懸臂梁，荷載為作用于支撐梁上的約束反力。

2）計算結果

根據(jù)計算結果（見表1），該施工碼頭主要結構滿足該施工條件下用于2 000 t方駁靠泊使用。

表1　施工碼頭主要結構計算結果Table 1 Calculationsofmain structuresof construction wharf

4　結構應用

4.1施工工藝

施工碼頭施工工序主要為：施工平臺填筑→鋼管樁施工→支撐梁施工→鋼板樁施工→頂梁及平聯(lián)安裝→回填塊石→附屬設施安裝。

施工設備主要為履帶吊、液壓振動錘、挖掘機、裝載機等。施工工期約為15 d。

4.2應用效果

無錨板樁新型碼頭在施工和實際應用過程中表現(xiàn)較為出色。但仍存在以下不足：

1）底層支撐梁標高較低，現(xiàn)場焊接施工存在一定困難，需在風平浪靜且水位較低情況下進行焊接作業(yè)。

2）使用過程中，與所有的直立式碼頭一樣，涌浪在碼頭前板樁處反射波疊加明顯，泊穩(wěn)條件不如透空式碼頭好。

5　結語

通過對傳統(tǒng)碼頭結構的深入研究到無錨板樁新型碼頭的設計與應用，表明：以色列阿什杜德港碼頭項目通過采用無錨板樁新型施工碼頭結構，有效地克服了現(xiàn)場諸多技術難題，并推動了主體碼頭的施工進度。

1）無錨板樁新型施工碼頭具有施工便捷、適用性強、安全經(jīng)濟等優(yōu)點，在今后施工碼頭設計與使用中值得推廣。

2）底層支撐梁難以焊接的技術難題可通過設計優(yōu)化得到有效解決。

3）對傳統(tǒng)碼頭結構所具有的局限性進行摒棄，同時提煉其精華，結合現(xiàn)場實際情況，從而實現(xiàn)了無錨板樁新型碼頭結構的成功應用。

[1]陳平，袁孟全.高樁碼頭位移原因分析及其預防措施[J].中國港灣建設，2006（6）：7-10. CHEN Ping,YUAN Meng-quan.Analysis of causes and precautionarymeasures against disp lacement of piled wharfs[J].China Harbour Engineering,2006(6):7-10.

[2]曹承濱.復雜地質條件的板樁碼頭應用[J].水運工程，2008（2）：45-49. CAO Cheng-bin,Complicated geological conditions of application of sheetpilewharf[J].Port&Waterway Engineering,2008(2):45-49.

[3]邱駒.港工建筑物[M].天津：天津大學出版社，2002. QIU Ju.Portengineering structure[M].Tianjin:Tianjin University Press,2002.

[4]JTS 167-3—2009，板樁碼頭設計與施工規(guī)范[S]. JTS 167-3—2009，Code for design and construction for quay wall of sheetpile[S].

App lication and design of a new unanchored sheet pile structure

ZHANG Yu-lin, FENG Xian-dao, LIN Hong-xing, YU Yang*
（CCCCSecond HarbourEngineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei430012,China）

Based on Ashdod Port project in Israel,it was difficult to build a traditional working wharf structure in its construction conditions.Through the analysis and study of traditional wharf structures,a new and unanchored sheet pile wharf structurewas proposed,which can be used in harsh sea conditions and in areaswith no overburden and in narrow lands.With the use of the proposed structure,the construction problems on site were overcome,the wharfwas rapidly comp leted and the construction progressof themainwharfwasenhanced.

new temporary wharf;unanchored sheet pile;supporting pillar structure

U656.112

A

2095-7874（2016）06-0029-03

10.7640/zggw js201606007

2016-03-20

張育林（1972—），男，湖北武漢市人，工程師，工程管理專業(yè)。

于洋，E-mail：26975055@qq.com