青島一期油碼頭修復(fù)加固方案研究

王恩世

（山東港灣建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東青島 266555）

引言

根據(jù)我國港口工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，碼頭正常使用的設(shè)計(jì)年限為50 年，而建國后第一次建港高潮時(shí)期建設(shè)的沿海港口碼頭到今天的2021 年已基本接近50 年，即該時(shí)期建設(shè)的碼頭已面臨即將達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的問題，并且在其后時(shí)期建設(shè)的碼頭也會逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，這樣的碼頭將越來越多，如何以較小的成本延長即將達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的碼頭的使用壽命，讓其繼續(xù)發(fā)揮余熱已經(jīng)是擺在我們面前的一個(gè)重要課題，研究科學(xué)合理的處置方案已十分迫切。

青島港黃島油區(qū)一期工程即建設(shè)于建國后的第一次港口建設(shè)高潮時(shí)期，該工程于1970 年開工建設(shè)，1976 年竣工，至今已經(jīng)運(yùn)行45 年，即將達(dá)到50 年的設(shè)計(jì)使用年限。本文結(jié)合作者多年的港口建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過深入細(xì)致的現(xiàn)場調(diào)查研究，將對如何有效延長一期油碼頭的正常使用年限及采用哪種合理的修復(fù)加固方案進(jìn)行研究，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

青島一期油碼頭包括一個(gè)5 萬t 級原油碼頭和一個(gè)2 萬t 級原油碼頭，采用的是雙側(cè)靠船的布置方式，碼頭前沿頂高程為7.0 m，東側(cè)港池碼頭前沿底高程為-13.5 m，為5 萬t 級油碼頭，西側(cè)港池碼頭前沿底高程為-10.5 m，為2 萬t 級油油碼頭。原油碼頭總長314 m，由7 個(gè)墩臺組成，其中4 個(gè)系纜墩，2 個(gè)靠船墩，一個(gè)工作平臺墩。圖1 為碼頭平面布置圖。

圖1 碼頭平面布置示意圖

碼頭為高樁墩臺結(jié)構(gòu)。工作平臺上部墩臺采用R250 混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為40×19 m，厚4.5 m，樁基采用直徑為700 mm 的鋼管樁（16 Mn鋼、壁厚16 mm）。靠船墩上部墩臺采用R250 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為20×15 m，厚4.5 m，樁基采用直徑為700 mm 的鋼管樁（16 Mn 鋼、壁厚16 mm）。引橋墩上部墩臺采用R250 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為16×14 m，厚4.5 m，樁基采用直徑為700 mm 的鋼管樁（16Mn 鋼、壁厚16 mm）。

1.1 設(shè)計(jì)條件

1）設(shè)計(jì)水位（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖?/p>

設(shè)計(jì)高水位4.32 m；設(shè)計(jì)低水位0.47 m；極端高水位5.52 m；極端低水位：-0.83 m。

2）設(shè)計(jì)荷載

工藝荷載：①碼頭工作平臺：橋梁荷載、管線荷載和房屋荷載。②碼頭靠船墩：橋梁荷載、管線荷載。③碼頭系纜墩：橋梁荷載、靠近引橋的兩個(gè)系纜墩上存在管線荷載。

人行荷載：人行荷載2 kPa。

船舶荷載：①碼頭工作平臺：西側(cè) 13 個(gè)dl 000×d500×1 000 圓筒型橡膠護(hù)弦。②靠船墩：12×Фl 000×Ф500×1 000 圓筒型橡膠護(hù)弦；1 500 kN系船柱。③系纜墩：2 000 kN 系船柱。

3）工程地質(zhì)

勘察區(qū)域內(nèi)土層分布基本以現(xiàn)代海相沉積為主。表層為現(xiàn)代淤泥，以下為沉積時(shí)間較長的亞黏土（包含黏土或亞砂土），其間有粗砂夾層，以下為粗砂，此層以下即為基巖風(fēng)化層。風(fēng)化巖巖面由東南向西北傾斜，基巖成分為花崗巖。

4）地震

本工程所在地抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g。

1.2 檢測評估結(jié)論

《青島港黃島港區(qū)一期油碼頭檢測評估》（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2019）給出了一期油碼頭的安全性、適用性和耐久性評估結(jié)果，如下表1-5 所示：

表1 工作平臺結(jié)構(gòu)安全性等級和處理要求

1）碼頭各結(jié)構(gòu)安全性評級及處理要求

表2 靠船墩結(jié)構(gòu)安全性等級和處理要求

表3 系纜墩結(jié)構(gòu)安全性等級和處理要求

2）碼頭適用性評價(jià)及處理要求

表4 碼頭適用性評價(jià)及處理要求

3）碼頭耐久性評估

表5 碼頭耐久性評價(jià)及處理要求

4）影響墩臺混凝土耐久性的主要問題

①墩臺混凝土碳化深度3.5～7.5 mm 不等；

②墩臺混凝土表面氯離子含量超標(biāo)。在檢測深度范圍內(nèi)（0～50 mm）氯離子含量均超過引起混凝土中鋼筋腐蝕的臨界值，自外向內(nèi)氯離子含量呈遞減趨勢，含量范圍為1.52 %～0.76 %。

③碼頭混凝土凍融劣化評定為C 級，碼頭墩臺棱角棱線消失，石子脫落較多，局部鋼筋外露，表面破壞面積小于40 %，松頂破壞嚴(yán)重。

④混凝土墩臺表面中度損壞，存在大片的蜂窩麻面，局部混凝土出現(xiàn)剝落，局部出現(xiàn)露筋現(xiàn)象。

5）影響鋼管樁耐久性的主要問題

①鋼管樁經(jīng)過40 多年的使用，腐蝕厚度為0.53～1.75 mm，蝕余量在90 %以上。

②鋼管樁的防腐涂層厚度約1 000 μm。

③犧牲陽極保護(hù)電位檢測值約980 mv。

圖2 墩臺結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀圖

圖3 墩臺下鋼管樁現(xiàn)狀圖

根據(jù)檢測評估結(jié)果可知碼頭安全性為A 級，不需要對結(jié)構(gòu)安全性采取措施；碼頭適用性為B 級，應(yīng)加強(qiáng)觀測根據(jù)使用中的實(shí)際情況適當(dāng)?shù)牟扇〈胧淮a頭耐久性為C 級，原油碼頭墩臺的剩余使用年限為9.1 年（自2019 年起算）。鑒于碼頭結(jié)構(gòu)安全性為A 級，適用性為B 級，若在達(dá)到使用年限后將碼頭退役，會造成岸線的浪費(fèi)；若拆除重建，將大大增加工程費(fèi)用。為了節(jié)約資源、節(jié)省投資、增加岸線使用效率，擬對碼頭進(jìn)行修復(fù)以增加結(jié)構(gòu)耐久性。

2 修復(fù)方案

該工程修復(fù)對象主要包括混凝土墩臺及墩臺下鋼管樁兩部分。

2.1 鋼管樁延長使用年限方案

本工程在設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)即對鋼管樁進(jìn)行了良好的保護(hù)，原設(shè)計(jì)鋼管樁保護(hù)方案為鋼管樁涂刷環(huán)氧瀝青+防腐套管+外加電流的陰極保護(hù)的組合方案。而根據(jù)最新的檢測成果，經(jīng)過40 余年的使用，目前鋼管樁部分區(qū)域涂層脫落，陽極塊缺失或重度腐蝕，鋼管樁蝕余率在91.7～97 %之間，鋼管樁的工作性能依舊較好，充分證明了原設(shè)計(jì)防腐方案的預(yù)見性和有效性，但原防腐措施歷經(jīng)多年也已基本失效且海水對鋼管樁外壁已經(jīng)產(chǎn)生侵蝕。

為了延長鋼管樁使用年限，現(xiàn)對位于墩臺底部至泥面范圍的鋼管樁采用玻纖維套筒進(jìn)行保護(hù)和加固。首先清除受損的套筒及鋼管樁表面附著的海生物，然后對擬修復(fù)鋼管樁外包套筒，間隔約20 mm，對套筒與既有樁基進(jìn)行固定，再在套筒與既有鋼管樁之間灌注專用水下灌漿料，使套筒與鋼管樁牢固結(jié)合為一體以便共同發(fā)揮作用。

該套筒加固方案既能增加鋼管樁的耐久性，延長樁基使用年限，又能對鋼管樁進(jìn)行無損加強(qiáng)，增加其抗彎承載能力。碼頭使用過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，當(dāng)犧牲陽極保護(hù)作用下降時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取措施，以保證犧牲陽極保護(hù)系統(tǒng)正常發(fā)揮作用。

2.2 混凝土墩臺修復(fù)方案

通過檢測評估報(bào)告可知，如何增加混凝土墩臺的耐久性是延長碼頭使用年限的控制因素。

經(jīng)過40 多年的使用，墩臺混凝土已經(jīng)出現(xiàn)了碳化、破損、氯離子超標(biāo)等影響墩臺耐久性的不利因素，針對這幾個(gè)因素給出針對性的修復(fù)方案以達(dá)到增加耐久性的目的。

1）清除混凝土腐蝕部分

首先清除墩臺各個(gè)部位附著的海生物，然后鑿除墩臺頂面、側(cè)面以及底面部分混凝土，鑿除深度為至銹蝕鋼筋周圍20～30 mm，直至鋼筋未銹蝕處，如圖4 所示。然后采用電化學(xué)脫鹽，將鋼筋周圍的氯離子等陰離子清除，對銹蝕的鋼筋進(jìn)行除銹處理，如圖5 所示。若鋼筋銹蝕情況嚴(yán)重則還需要補(bǔ)焊鋼筋，將原有鋼筋強(qiáng)度補(bǔ)足；新舊鋼筋采用短筋焊接，焊接長度要滿足規(guī)范要求。

圖4 墩臺混凝土鑿除

圖5 墩臺鋼筋除銹

2）墩臺混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng)

完成混凝土腐蝕部分的清除工作后對鑿除混凝土表面采用高壓淡水沖洗，對鋼筋噴灑鋼筋阻銹劑，并在混凝土維修界面涂刷界面粘結(jié)材料，之后再澆注細(xì)石混凝土。

混凝土澆注對于墩臺底面和側(cè)面及上表面分別采用不同的處理方式。對于墩臺底部，由于搭設(shè)模板困難，可采用人工分層抹面的方式施工，為了保證施工質(zhì)量，兩層混凝土之間設(shè)置玻璃纖維網(wǎng)格布以減少混凝土的脫落。墩臺側(cè)面比較容易搭設(shè)模板，可以在支好模板后直接澆筑細(xì)石混凝土，但由于模板和墩臺之間的距離較小且深度較大，為了保證混凝土密實(shí)，每次澆筑深度不宜超過1.0 m，且應(yīng)采取措施，充分振搗，側(cè)面混凝土結(jié)構(gòu)支模方法如圖6 所示。墩臺頂面鑿除混凝土和澆筑混凝土?xí)r應(yīng)對碼頭相關(guān)設(shè)施采取必要的保護(hù)措施。為了防止新澆筑混凝土發(fā)生開裂，混凝土內(nèi)添加聚乙烯醇纖維。

圖6 墩臺側(cè)面支模

2.3 耐久性設(shè)計(jì)方案

由于海洋環(huán)境對鋼管樁結(jié)構(gòu)的腐蝕較為嚴(yán)重，目前對于鋼管樁的保護(hù)通常采用涂層保護(hù)法和陰極保護(hù)法；其中陰極保護(hù)法又分為犧牲陽極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法。

本次修復(fù)方案研究擬結(jié)合原設(shè)計(jì)對鋼管樁采取組合防腐方案，即采用海工專用防腐蝕涂層+玻纖套筒+犧牲陽極塊+外加電流的陰極保護(hù)相組合的防腐蝕方案增加鋼管樁的耐久性，并對犧牲陽極塊定期檢查更換。該保護(hù)方案中涂層、套筒和外加電流的電路設(shè)施均為一次性投入，犧牲陽極塊為分期投入；組合方案雖然投資較大，但對鋼管樁的保護(hù)效率較高、保護(hù)期限較長，結(jié)合本工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，組合方案能夠保證既有鋼管樁的正常使用年限得到大幅延長，預(yù)期效果良好。

對于混凝土墩臺結(jié)構(gòu)，除永久增加耐久性外，還可以參考鋼管樁的防腐蝕保護(hù)方案，采用埋入式的鋼筋混凝土犧牲陽極的方法，對墩臺混凝土內(nèi)的鋼筋進(jìn)行陰極保護(hù)，有效消除鋼筋處于新舊混凝土中的電位差，減小或抑制鋼筋的腐蝕；再配合混凝土結(jié)構(gòu)外涂刷防腐蝕涂層，以增加修復(fù)后混凝土墩臺的耐久性。

3 結(jié)語

黃島一期油碼頭的修復(fù)加固工程既有對碼頭使用壽命的延長，又有對碼頭整體能力的提升改造，對于該碼頭結(jié)構(gòu)的修復(fù)技術(shù)關(guān)鍵在于：

1）鋼管樁的設(shè)計(jì)使用壽命較短一直以來都是港口工程中一項(xiàng)難題，本文結(jié)合本工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，既證明了原設(shè)計(jì)鋼管樁涂層+套筒+外加電流組合方案對于增加鋼管樁耐久性的有效作用，又為后續(xù)加固方案指明了正確的道路，即涂層+套筒加強(qiáng)+陰極保護(hù)的組合方案是切實(shí)可靠的；

2）墩臺底部通過分層加玻璃纖維網(wǎng)格布的方式可以解決結(jié)構(gòu)底部施工困難的關(guān)鍵問題；

3）墩臺除了表面混凝土破損嚴(yán)重之外，內(nèi)部混凝土質(zhì)量尚可，通過鑿除墩臺表層破損及腐蝕的混凝土，然后澆筑添加抗裂纖維的混凝土能夠減少海洋環(huán)境對內(nèi)部混凝土耐久性的不利影響，有效延長碼頭結(jié)構(gòu)的使用壽命；

4）對于混凝土墩臺本項(xiàng)目探索采用混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)埋入犧牲陽極塊，進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的耐久性；

5）本工程原設(shè)計(jì)最大可靠泊5 萬t 級油船，隨著船舶大型化的發(fā)展，目前5 萬t 級的油船數(shù)量較少，后續(xù)可根據(jù)需要以及碼頭的實(shí)際情況對碼頭進(jìn)行升級改造，提升碼頭泊位等級以適應(yīng)港口發(fā)展。