重力式碼頭沉降位移控制探討

曹昌浩

摘 要：本文以新建項(xiàng)目配套碼頭工程為例，在概述碼頭工程地質(zhì)條件及基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了其重力式碼頭施工期間沉箱沉降位移觀測與分析，并總結(jié)了其已安放沉箱位移穩(wěn)定程度與施工工序時(shí)間之間的對應(yīng)關(guān)系。分析表明，本碼頭工程沉箱施工期內(nèi)沉降位移量完全符合設(shè)計(jì)要求，其沉箱沉降位移主要發(fā)生在沉箱回填后3個(gè)月，為有效控制沉箱沉降位移，降低工后碼頭運(yùn)維管理難度，應(yīng)從軌道安裝方式調(diào)整、加強(qiáng)基床拋石及夯實(shí)施工質(zhì)量控制等方面減少碼頭工后沉降位移對其使用過程的影響。

關(guān)鍵詞：重力式碼頭;沉箱;沉降;位移;控制

1問題的提出

廣東沿海某碼頭工程水工建筑物包括1個(gè)7萬t級煤碼頭泊位（結(jié)構(gòu)按10萬t級散貨船設(shè)計(jì)預(yù)留）、工作船碼頭泊位（在電廠施工期作重件碼頭使用，按靠泊1艘1000t級件雜貨船考慮，電廠投產(chǎn)后主要用作靠泊工作船，按靠泊2艘5000kw拖輪設(shè)計(jì)）、防波堤及護(hù)岸。水工建筑物的結(jié)構(gòu)安全等級均為Ⅱ級。煤碼頭按靠泊1個(gè)7萬級散貨船設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)按靠泊10萬t級散貨船設(shè)計(jì)預(yù)留。碼頭前沿頂標(biāo)高8.50m，底標(biāo)高-15.6m，煤碼頭采用重力式方沉箱結(jié)構(gòu)，方沉箱平面尺寸為底寬*長*高=13.5m*27.76m*18.2m。

根據(jù)JTS215-2018的相關(guān)規(guī)定，應(yīng)在下部沉箱結(jié)構(gòu)變位趨于穩(wěn)定狀態(tài)后進(jìn)行現(xiàn)澆鋼筋混凝土胸墻施工，以確保胸墻前沿線位及臨水面平整度符合規(guī)范要求[1]?？紤]到該電廠配套碼頭工程工期緊任務(wù)重，為確保沉箱安放及回填施工質(zhì)量，控制拋石基床基礎(chǔ)處理效果，應(yīng)加強(qiáng)沉箱變位觀測。

2 地質(zhì)條件及基礎(chǔ)處理

碼頭工程所處區(qū)域?yàn)樗聹\灘，水下地形比較平坦，碼頭前沿至南側(cè)圍堰外坡腳之間的原泥面標(biāo)高在-10.8～-8.6m之間，外海側(cè)泥面標(biāo)高均在-11.5m左右，水深條件較好。地質(zhì)鉆孔揭示，本區(qū)域上覆土層主要是第四系全新統(tǒng)近期海相沉積層、第四系全新統(tǒng)海陸相沉積層、第四系全新統(tǒng)早期海陸相沉積層及第四系更新統(tǒng)殘坡積層，以粗砂、粉細(xì)砂、淤泥、淤泥質(zhì)粘土及礫質(zhì)粘性土為主;下臥硬質(zhì)土層是燕山期花崗巖，碼頭區(qū)域各鉆孔均揭露至中風(fēng)化花崗巖巖面，根據(jù)全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層等高線分布圖，全風(fēng)化花崗巖的巖面頂標(biāo)高約為-18.5～-23.0m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的巖面頂標(biāo)高約為-19.0～-24.5m，埋藏較淺。因此，本區(qū)域適合建設(shè)重力式碼頭。

碼頭持力層為風(fēng)化巖層或砂層，基槽挖至-18.0～-22.5m，基槽開挖時(shí)，全風(fēng)化基巖邊坡為1：1，粗砂類為1：2.5，淤泥類土的開挖邊坡為1：4。基槽開挖后用10～100kg塊石拋填形成安放沉箱的基床?；岔敇?biāo)高-16.1m，基床厚度在4.4m～6.6m，基床頂放置一列厚0.5m的柵欄板來防止基床頂部受淘刷。沉箱在專門的預(yù)制場預(yù)制，用氣囊出運(yùn)，滾動(dòng)氣囊將沉箱移至半潛駁上下水，潛水駁下沉，當(dāng)沉箱浮起時(shí)，移走潛水駁。沉箱定位后用灌水壓載法將其沉放在整平好的基床上，再用級配塊石充沉箱內(nèi)部。

沉箱底板前、后趾的長度均為1m，前壁厚0.38m，后壁厚0.38m，側(cè)壁厚0.36m，隔板厚0.20m，底板厚0.6m，內(nèi)設(shè)20*20cm加強(qiáng)角。沉箱內(nèi)用縱橫隔墻隔成18個(gè)艙格，橫向6個(gè)艙，縱向3個(gè)艙。單個(gè)沉箱重量為2820t，共用10個(gè)沉箱。沉箱定位后用灌水壓載法將其沉放在整平好的基床上，再用1～100kg塊石充沉箱內(nèi)部。沉箱的上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40混凝土胸墻，胸墻內(nèi)回填1～100kg塊石，胸墻頂標(biāo)高為8.50m、底標(biāo)高為1.9m。底部嵌入沉箱0.40m。胸墻內(nèi)設(shè)置檢查孔，胸墻前沿設(shè)置高度0.25m的護(hù)輪坎。

3 沉降位移變形觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 沉降位移觀測數(shù)據(jù)

沉箱安裝應(yīng)在進(jìn)行重力式碼頭胸墻頂層預(yù)留面層施工前進(jìn)行，在沉箱內(nèi)回填塊石后進(jìn)行混凝土墊層澆筑，蓋板澆筑完成后進(jìn)行第一層胸墻澆筑。完成沉箱安裝后觀測沉降位移，在沉箱結(jié)構(gòu)四角設(shè)置沉降觀測點(diǎn)，并在其前沿兩個(gè)角設(shè)置位移觀測點(diǎn)。碼頭沉降觀測采用WILDN-2型水準(zhǔn)儀，并通過閉合水準(zhǔn)路線觀測，計(jì)算各高程點(diǎn)平差。觀測過程從沉箱安放、回填，到沉箱封倉混泥土澆筑，共歷時(shí)5個(gè)月。觀測開始后的第一周按照1次/1d的頻次觀測，從第二周開始按照1次/2d的頻次觀測[2]，沉降位移觀測結(jié)果詳見表1所示，表中位移量正值表示海側(cè)偏移，負(fù)值表示防波堤側(cè)偏移。

7萬t級煤碼頭全部沉箱位移觀測數(shù)據(jù)顯示，僅極個(gè)別沉箱因特殊原因表現(xiàn)出沉降較大外，其余沉箱及拋石基床沉降位移均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對各施工工序沉降位移的觀測發(fā)現(xiàn)，沉箱安裝后經(jīng)過系列工序加載至設(shè)計(jì)沉降位移并處于穩(wěn)定狀態(tài)大概需要130d，且后期沉降存在并趨于平緩。為更加直觀地進(jìn)行沉箱安放和回填施工過程中沉降位移變化趨勢分析，根據(jù)沉降位移觀測數(shù)據(jù)繪制沉降位移曲線，具體見圖1，圖中沉降量為四個(gè)觀測點(diǎn)沉降量的均值，位移量為兩個(gè)觀測點(diǎn)位移量的均值。根據(jù)以上觀測結(jié)果，7萬t級煤碼頭全部沉箱沉降曲線符合一般性沉降規(guī)律，在回填期內(nèi)沉降量最大，且沉降曲線在回填完后趨于水平，表明沉降已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定[3];在安放回填施工期間大部分沉箱沉降接近，且位于10～20mm范圍內(nèi)，表明本碼頭工程所采用的分層基床夯實(shí)施工符合技術(shù)要求，且對粗粒砂地基夯實(shí)均勻，夯實(shí)效果良好，沉箱自重和回填料重荷載施加后基本未產(chǎn)生壓縮變形，所發(fā)生的沉降基本由整平層的壓縮變形引起;根據(jù)沉降位移曲線變動(dòng)趨勢還可以看出，該重力式煤碼頭沉箱位移較小，這也與7萬t級煤碼頭沉箱采用獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)，墻后無回填料的特點(diǎn)相吻合。

4 沉降位移控制措施

通過以上分析，本項(xiàng)目碼頭工程沉降位移量在施工期內(nèi)趨于穩(wěn)定，但是在波浪荷載、施工期間船舶荷載、堆貨荷載等的綜合作用下，必須采取有效的后期沉降位移控制措施，以降低重力式碼頭和裝卸設(shè)備后期運(yùn)維難度。

4.1 安裝軌道

在重力式碼頭運(yùn)行的過程中，為防止后期維護(hù)量的增大，應(yīng)安裝可調(diào)節(jié)式軌道扣件。結(jié)合碼頭工程供應(yīng)商所提供的安裝圖，在橋抓輪系內(nèi)側(cè)以及鋼軌之間預(yù)留有縫隙，在鋼軌上輪系卡槽可以有8～15mm的平移量，且輪系中心設(shè)計(jì)間距為22m，水工結(jié)構(gòu)軌道中心設(shè)計(jì)間距22m，輪系和軌道的偏心距為10mm，根據(jù)以上設(shè)計(jì)，前軌道位移量為10mm，且重力式沉箱結(jié)構(gòu)前移，并簡單調(diào)整軌道系統(tǒng)即可滿足重力式碼頭安全運(yùn)行要求。為避免前后軌出現(xiàn)超出岸橋設(shè)備使用要求的高差而增加改造工作量，在完成鋼軌安裝后應(yīng)在前軌預(yù)留10mm的富余高度，以保證前軌比后軌高出10mm。

4.2 加強(qiáng)基床拋石及夯實(shí)施工質(zhì)量

重力式碼頭基床分層拋填，拋填料通過挖掘機(jī)上方駁及全站儀定位拋石施工，必須采用具備設(shè)計(jì)要求的夯基能量的夯錘夯實(shí)施工，通過全站儀定位，各層夯擊遍數(shù)至少12夯次，完成各泊位段施工后復(fù)夯驗(yàn)收。每個(gè)沉箱上設(shè)置一塊混凝土胸墻，并預(yù)留長度2m的搭接段，以便預(yù)應(yīng)力箱梁搭接，胸墻內(nèi)回填塊石。胸墻應(yīng)分層澆筑，并預(yù)留出前軌軌道槽施工空間，選擇沉箱重力式碼頭沉降位移相對穩(wěn)定的期間澆筑頂層胸墻并安裝鋼軌。

5 結(jié)論

綜上所述，沉箱重力式碼頭施工及使用過程中普遍面臨沉降位移問題，造成其沉降位移的原因很多，而且重力式碼頭沉降位移穩(wěn)定過程較為漫長。分析結(jié)果顯示，沉箱沉降位移與主要施工工序時(shí)間有密切關(guān)系，且本新建項(xiàng)目配套碼頭工程沉箱沉降主要發(fā)生在箱內(nèi)回填塊石施工后的3個(gè)月內(nèi)。為此，必須在沉箱安放穩(wěn)定后控制回填速率，同時(shí)盡快完成沉箱內(nèi)塊石回填，并從基礎(chǔ)施工環(huán)節(jié)著手加強(qiáng)重力式碼頭沉降位移質(zhì)量通病的防治，以保證其基礎(chǔ)沉箱沉降位移符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] JTS215-2018，碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范[M].

[2]張志聰.重力式碼頭沉降位移的應(yīng)對措施分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（01）：133-135.

[3]李峰楠，張偉豪.重力式沉箱碼頭中沉箱安裝施工及質(zhì)量控制分析[J].珠江水運(yùn)，2018（11）：42-43.