重力式碼頭中沉箱和圓筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化選擇探討

呂小凡

摘 要：重力式碼頭是港航建設(shè)中經(jīng)常采用的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式。為了充分發(fā)揮重力式碼頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要因地制宜的開(kāi)展設(shè)計(jì)，選擇適宜的實(shí)施方案。本文以某地區(qū)重力式碼頭的設(shè)計(jì)和施工為例，探討碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，以期工程建取得更良好的效益。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭 沉箱結(jié)構(gòu) 圓筒結(jié)構(gòu) 優(yōu)化

欽州市地處北部灣中段，海運(yùn)樞紐區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，多年來(lái)欽州市基于地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，大力開(kāi)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是欽州港保稅港區(qū)和相鄰作業(yè)區(qū)的港口建設(shè)，不僅有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)貿(mào)開(kāi)展，更為該地區(qū)依托北部灣經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近年來(lái)，欽州港不斷增強(qiáng)港口核心競(jìng)爭(zhēng)力，營(yíng)建碼頭，完善西南出海通道。欽州港區(qū)的功能定位和地質(zhì)條件為發(fā)展重力式碼頭提供了較好的環(huán)境，本次研究主要選擇欽州港內(nèi)港口建設(shè)項(xiàng)目為例。

重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現(xiàn)澆混凝土、漿砌等結(jié)構(gòu)形式，其造價(jià)適中，承載力強(qiáng)，耐久性好，使用壽命較長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)港口建設(shè)中得到了廣泛使用。近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，碼頭逐漸向大型化、深水化發(fā)展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結(jié)構(gòu)碼頭由于其結(jié)構(gòu)、施工和使用中的綜合優(yōu)點(diǎn)成為一種合適條件下較普遍采用和較好發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式，欽州港地區(qū)重力式碼頭建設(shè)的此種發(fā)展趨勢(shì)其代表性較顯著。本文旨在在當(dāng)?shù)刈匀粭l件、材料來(lái)源、碼頭使用要求、施工條件基本一致情況下，結(jié)合重力式碼頭建設(shè)過(guò)程中沉箱和圓筒兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)勢(shì)及其不足，以及碼頭施工建設(shè)中的成本造價(jià)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，有針對(duì)性的對(duì)重力式碼頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化和選擇進(jìn)行探討。

1.重力式碼頭結(jié)構(gòu)方案

1.1碼頭水工結(jié)構(gòu)

所舉案例中碼頭所在地的地基條件較好，針對(duì)當(dāng)?shù)氐匦?、地質(zhì)和環(huán)境，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和使用要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的碼頭實(shí)施方案，并從中選出兩個(gè)進(jìn)行比較，其中方案一為鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案，方案二為鋼筋混凝土沉箱方案。

1.1.1方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

在對(duì)港口碼頭選址的施工環(huán)境、地形、地質(zhì)條件進(jìn)行全面考察的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w的裝卸工藝總平面布置情況，在實(shí)施碼頭建設(shè)時(shí)決定選擇坐床式鋼筋砼薄壁大圓筒結(jié)構(gòu)。為了確保大圓筒達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求，將圓筒外徑控制在18m，圓筒壁厚度則控制在35cm。圓筒基礎(chǔ)采用拋石基床，基槽底質(zhì)為風(fēng)化巖石，結(jié)合基床頂應(yīng)力和地基應(yīng)力計(jì)算，拋石基床厚度應(yīng)該不低于1米，確保拋石基床的強(qiáng)度和承載力能達(dá)到相應(yīng)要求。根據(jù)水文環(huán)境設(shè)計(jì)圓筒底高程，5萬(wàn)噸級(jí)的多用途泊位圓筒底高程取-13.6m，7萬(wàn)噸級(jí)的汽車滾裝泊位圓筒底高程取-12.6m。兩種碼頭的圓筒頂高程均取3m。圓筒回填采用級(jí)配較好的砂石、卵石等材料，填充密實(shí)均需要達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。工程共需要建設(shè)圓筒54個(gè)。

1.1.2方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

5萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位沉箱底高程為-13.6m，為了確保其達(dá)到相應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)和要求，將沉箱外型尺寸控制為15.95m×18.15m×16.6m。具體來(lái)講，在實(shí)際建設(shè)施工過(guò)程中。拋石基床下風(fēng)化巖石的厚度需要滿足其受力要求，其中強(qiáng)風(fēng)化巖石的拋石基床厚度不能低于2米，中風(fēng)化巖石的拋石基床厚度不能低于1米。針對(duì)沉箱內(nèi)部進(jìn)行回填，一般選擇砂和塊石。

2.結(jié)構(gòu)方案對(duì)比及優(yōu)化分析

2.1 結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化分析

2.1.1 方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

大圓筒結(jié)構(gòu)具有較好水平抗滑能力，但是其抗傾穩(wěn)定性則比較差，對(duì)其受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大圓筒結(jié)構(gòu)前趾的壓應(yīng)力較大?；诖耍诰唧w實(shí)施中，針對(duì)重力式碼頭建設(shè)中需要使用的埋入式大圓筒結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)一步加強(qiáng)其整體穩(wěn)定性，可以根據(jù)需要在大圓筒結(jié)構(gòu)后部加設(shè)一個(gè)抗傾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；一般情況下，抗傾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)需要安裝在大圓筒內(nèi)側(cè)或者外側(cè)，部分情況下為了達(dá)到最佳效果需要在內(nèi)外側(cè)同時(shí)布置抗傾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；為了將這一結(jié)構(gòu)的作用發(fā)揮到最大，一般將內(nèi)側(cè)和外側(cè)的抗傾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的高度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，在具體建設(shè)過(guò)程中，盡量將其往下設(shè)置，這種施工方法能有效加強(qiáng)其抗傾效果。抗傾加強(qiáng)結(jié)構(gòu)下方的填料要求達(dá)到一定密實(shí)度，因此可以采用高壓射水等方式對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化。

相比自重較大的沉箱結(jié)構(gòu)，圓筒結(jié)構(gòu)為達(dá)到與沉箱結(jié)構(gòu)相近的抗滑能力可以將以下措施相組合：保留臨時(shí)底板為固定底板，加強(qiáng)圓筒上部結(jié)構(gòu)自重。

在惡劣環(huán)境下，加強(qiáng)抗滑的圓筒在整體性和穩(wěn)定性上較沉箱碼頭仍有欠缺。

2.1.2 方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

為了提升碼頭裝卸效率，需要將門(mén)機(jī)后軌道設(shè)置安裝在沉箱后部，在設(shè)計(jì)上增加沉箱寬度，此時(shí)可采用后傾的碼頭結(jié)構(gòu)方案。一般來(lái)講，實(shí)現(xiàn)沉箱后傾的方式主要有以下三種。一是將采用底面傾斜的沉箱安裝在水平基床上，這樣就可以形成沉箱向后傾斜；二是使用普通沉箱，但是安裝在后傾的基床上，這種情況下也可以形成沉箱向后傾斜；三是使用底面存在傾斜的沉箱，將其安裝在后傾的基床上，這種情況下能實(shí)現(xiàn)更大的后傾角度。

實(shí)施后傾的沉箱碼頭結(jié)構(gòu)能取得諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在一定不足，具體來(lái)講，后傾沉箱碼頭能夠有效減少土壓力；后傾沉箱碼頭能夠有效提高碼頭抵抗波浪吸力，提高其整體安全性和使用穩(wěn)定性。傾斜沉箱的預(yù)制、運(yùn)輸、安裝等各個(gè)環(huán)節(jié)需要增加施工難度，此外傾斜基床的拋填、密實(shí)施工要求更高，從整體上提高了碼頭成本。

2.2 方案比選及推薦方案

圓筒結(jié)構(gòu)與沉箱結(jié)構(gòu)相比，其抗風(fēng)浪效果更好。兩種設(shè)計(jì)方案在施工工藝均較成熟，施工方法也比較接近，圓筒結(jié)構(gòu)方案在施工中產(chǎn)生的施工總量更少，同時(shí)所需要的構(gòu)件也更少，當(dāng)采用滑模施工時(shí)，效率高，施工起來(lái)更加簡(jiǎn)便。兩種施工方案的工程造價(jià)差別較明顯，相比較碼頭每延米造價(jià)，大圓筒結(jié)構(gòu)方案更加經(jīng)濟(jì)。綜合對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，在碼頭使用要求、施工條件基本一致、自然條件適宜的情況下，大圓筒結(jié)構(gòu)方案能在發(fā)揮結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、優(yōu)化施工的同時(shí)，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于節(jié)約投資，是一種較理想的構(gòu)型。但在施工自然環(huán)境惡劣的情況下，大尺寸的沉箱碼頭在適用性上則更具有優(yōu)勢(shì)。兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，具體分析后加以選用或組合。結(jié)合港口規(guī)劃的碼頭功能定位和規(guī)模，欽州港風(fēng)浪影響較小的作業(yè)區(qū)碼頭，近年多采用滑模施工的圓筒結(jié)構(gòu)。

3.結(jié)語(yǔ)

重力式碼頭在實(shí)際施工建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，在具體施工建設(shè)過(guò)程中重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現(xiàn)澆混凝土、漿砌等結(jié)構(gòu)形式，其造價(jià)適中，承載力強(qiáng)，耐久性好，使用壽命較長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)港口建設(shè)中得到了廣泛使用。近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，碼頭逐漸向大型化、深水化發(fā)展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結(jié)構(gòu)碼頭由于其結(jié)構(gòu)、施工和使用中的綜合優(yōu)點(diǎn)成為一種合適條件下較普遍采用和較好發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式。

重力式碼頭的設(shè)計(jì)條件和使用要求有其特殊性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案需要因地制宜的進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在自然條件適宜情況下，采用圓筒結(jié)構(gòu)能在保持結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全的前提下，產(chǎn)生較顯著的經(jīng)濟(jì)效益，開(kāi)展圓筒結(jié)構(gòu)碼頭優(yōu)化和推廣的也不失為節(jié)省建設(shè)投資一種較良好方法。

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