外海復(fù)雜地質(zhì)碼頭結(jié)構(gòu)選型

虞紅海

(寧波舟山港集團(tuán)，浙江 寧波315800)

我國(guó)港口經(jīng)過(guò)幾十年建設(shè)，易開(kāi)發(fā)岸線資源大多已被利用，船舶大型化使碼頭泊位逐漸向外海發(fā)展，如何在外海復(fù)雜海岸、復(fù)雜海域、開(kāi)敞海域等惡劣的條件下建造港口對(duì)技術(shù)創(chuàng)新提出了新挑戰(zhàn)，特別是對(duì)外海復(fù)雜地質(zhì)條件下適應(yīng)惡劣條件的碼頭結(jié)構(gòu)形式確定提出新的要求，嵌巖樁基結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。嵌巖樁在港口工程中使用以來(lái)，在沿海地區(qū)應(yīng)用已趨于廣泛，目前嵌巖主要采用沖擊鉆機(jī)及回旋鉆機(jī)成孔的方式，但沖擊鉆在斜樁嵌巖施工中由于重力作用容易造成嵌巖段與護(hù)筒段偏離，且對(duì)孔壁具有一定的破壞，而回旋鉆在大直徑斜樁嵌巖中須設(shè)置導(dǎo)向孔，鉆進(jìn)效率相對(duì)較低。海上大直徑斜樁嵌巖旋挖鉆機(jī)鉆孔施工工藝則能很好地解決了以上問(wèn)題。本文依托寧波某碼頭工程，根據(jù)工程地質(zhì)、施工工藝和造價(jià)等因素，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出適應(yīng)外海復(fù)雜地質(zhì)條件下的合理結(jié)構(gòu)形式和相關(guān)措施，研究成果可供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

工程位于寧波穿山半島北側(cè)，水工部分主要建設(shè)30萬(wàn)噸級(jí)卸船碼頭、5萬(wàn)噸級(jí)裝船碼頭、3.5萬(wàn)噸級(jí)裝船碼頭。其中卸船碼頭長(zhǎng)331 m，寬36 m，設(shè)計(jì)碼頭面高程7.67 m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽?，設(shè)計(jì)泥面高程-24.6 m。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 a。

卸船碼頭區(qū)域海域廣闊，地形坡度一般為4°～10°，大部分水深較深，海底主要沉積淤泥質(zhì)夾粉土質(zhì)物質(zhì)。碼頭西端約130 m區(qū)域，大部分區(qū)域基巖出露，少量有覆蓋層的區(qū)域自土層上而下分別為0.6～2.3 m厚填土層、0.2 m厚粉質(zhì)黏土層、1.2～2.2 m厚全風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r層、0.7～2.2 m厚強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r層。碼頭東端約80 m地質(zhì)土層自上而下分別為0.6～10.7 m厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、1.8～20.5 m厚粉質(zhì)黏土層、0.8～4.4 m厚粉質(zhì)黏土混碎石層、1.0～2.3 m厚強(qiáng)風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r層，見(jiàn)圖1。

圖1 工程典型地質(zhì)剖面

2 結(jié)構(gòu)方案比選

2.1 樁基選型

2.1.1計(jì)算分析

依據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》[1]，卸船碼頭西端區(qū)域覆蓋層較薄，局部地區(qū)基巖裸露，巖面起伏較大，基礎(chǔ)宜選擇嵌巖樁結(jié)構(gòu)或重力式沉箱結(jié)構(gòu)。而該碼頭區(qū)域水流流速較大，流態(tài)較為復(fù)雜，重力式結(jié)構(gòu)對(duì)流態(tài)影響大，會(huì)對(duì)船舶系靠泊產(chǎn)生不利影響，且本工程范圍基巖起伏較大，重力式結(jié)構(gòu)的基床施工難度大、工程量大[2]，故此范圍碼頭結(jié)構(gòu)形式擬選擇基礎(chǔ)為嵌巖樁的高樁梁板結(jié)構(gòu)。

卸船碼頭西端嵌巖樁嵌入⑨3層中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r，東端區(qū)域基巖埋藏較深，覆蓋層厚，樁基采用打入樁，也采用⑨3層中風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r作為樁基礎(chǔ)持力層。

按《港口工程樁基規(guī)范》[3]要求進(jìn)行樁基軸向極限承載力計(jì)算，在承載能力極限狀態(tài)持久組合下的樁基內(nèi)力結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 卸船碼頭嵌巖樁段計(jì)算結(jié)果

經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，在滿足結(jié)構(gòu)安全正常使用情況下，嵌巖段樁基根據(jù)樁的布置可分別選擇φ2 500 mm斜嵌巖樁或φ2 800 mm直嵌巖樁。

2.1.2結(jié)構(gòu)方案A

卸船碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距12 m，碼頭西端樁基采用斜嵌巖樁，每榀排架共布置4根φ2 500 mm嵌巖樁，排架兩端嵌巖樁為直樁，中間布置1對(duì)7:1嵌巖斜樁，嵌巖樁芯柱直徑均為2 350 mm，嵌巖深度進(jìn)入⑨3層7.5 m，典型斷面見(jiàn)圖2。東端采用傳統(tǒng)鋼管打入樁，每榀排架共布置10～11根φ1 400 mm鋼管樁。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁+疊合式預(yù)應(yīng)力縱向梁系和疊合面板結(jié)構(gòu)，下橫梁寬4 800 mm、高2 200 mm，上橫梁寬2 700 mm、高2 400 mm，疊合板總厚510 mm，其中預(yù)制面板厚350 mm。

圖2 結(jié)構(gòu)方案A斷面(尺寸：mm；高程：m。下同)

2.1.3結(jié)構(gòu)方案B

卸船機(jī)碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距12 m，碼頭基樁采用全直樁嵌巖樁，每榀排架共布置4根φ2 800 mm嵌巖樁，嵌巖樁芯柱直徑2 650 mm，嵌巖深度進(jìn)入⑨3層9 m，典型斷面見(jiàn)圖3。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁+疊合式預(yù)應(yīng)力縱向梁系和疊合面板結(jié)構(gòu)，下橫梁寬5 200 mm、高2 200 mm，上橫梁寬3 000 mm、高2 400 mm，疊合板總厚510 mm，其中預(yù)制面板厚350 mm。打入樁段及其上部結(jié)構(gòu)其他部分同結(jié)構(gòu)方案A。

圖3 結(jié)構(gòu)方案B斷面

2.1.4工程量對(duì)比

兩種方案的工程量對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 卸船碼頭工程量對(duì)比

2.2 穩(wěn)樁方案設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)鉆孔及水深測(cè)量結(jié)果，卸船碼頭西端區(qū)域覆蓋層較薄，樁基無(wú)法自行穩(wěn)樁，施工期須采取輔助穩(wěn)樁措施[4-5]。常用的穩(wěn)樁方案有人工基床和套箱方案。人工基床穩(wěn)樁方案是通過(guò)水上拋填一定厚度的碎石基床，在裸露基巖或較薄淤泥層上形成一定厚度的覆蓋層滿足施工期大直徑鋼套筒在風(fēng)、浪、流作用下的穩(wěn)定要求。與套箱方案相比，人工基床穩(wěn)樁方案的優(yōu)勢(shì)在于：施工工序簡(jiǎn)單，對(duì)施工精度的要求不高，可在很大程度上減小施工難度，減小水下工作量，加快施工進(jìn)度，節(jié)約工程投資，但此方案水上拋填袋裝碎石的工程量大，應(yīng)根據(jù)水深和覆蓋層情況細(xì)化拋填袋裝碎石范圍和厚度的設(shè)計(jì)，另外在嵌巖樁施工完成后須將碼頭前沿的拋填袋裝碎石挖除以恢復(fù)碼頭前沿的設(shè)計(jì)水深。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料對(duì)典型斷面的水流力、波浪力進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，并考慮拋填的袋裝碎石的基礎(chǔ)水平土壓力，經(jīng)計(jì)算確定人造基床的最小厚度要求；按《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行單樁傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算，計(jì)算出穩(wěn)樁覆蓋層最小厚度為12.64 m。

考慮到工程區(qū)域巖面有一定的斜度，施工期選用拋填總厚度約13 m碎石的人工基床穩(wěn)樁方案，可保證嵌巖樁在施工期的穩(wěn)定性，同時(shí)該方案也有實(shí)用性高，成本低、工期短、受自然條件影響小的優(yōu)點(diǎn)。

3 樁基施工工藝分析

3.1 嵌巖樁工藝特點(diǎn)

目前嵌巖樁的成孔工藝主要有兩種：沖擊成孔和旋挖成孔[8-9]。沖擊成孔具有設(shè)備、工藝簡(jiǎn)單且成熟、施工難度小、速度快的特點(diǎn)，但針對(duì)本工程的地質(zhì)條件在施工過(guò)程中也易出現(xiàn)塌孔、縮頸、卡鉆、泥漿和混凝土外漏等問(wèn)題。旋挖鉆雖然成本較高，但施工工藝較先進(jìn)，基本能避免沖擊成孔易出現(xiàn)的問(wèn)題，特別是與斜樁嵌巖相比有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3.2 斜樁鉆機(jī)選型及質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.2.1斜樁鉆機(jī)選型

本工程斜樁選擇機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、可調(diào)整鉆機(jī)樁架斜率、適應(yīng)多種樁徑和復(fù)雜地質(zhì)條件[10]、鉆機(jī)速度快、占用空間小、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)的SWDM360H型旋挖鉆機(jī)。其動(dòng)力頭最大扭矩為418 kN·m，鉆頭選用截齒鉆和牙輪筒鉆，并采用合金鉆增加鉆頭的剛度和耐磨性能，提高鉆進(jìn)效率。利用SWDM360H 型旋挖鉆機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)，受旋挖鉆機(jī)扭矩所限，2.5 m直徑的嵌巖樁采用分級(jí)鉆進(jìn)方式進(jìn)行鉆孔，旋挖鉆機(jī)采用清水鉆孔，不使用泥漿護(hù)壁，有利于施工區(qū)域的環(huán)境保護(hù)。

針對(duì)地質(zhì)強(qiáng)度不同配備截齒鉆和牙輪筒鉆兩種鉆頭，其中截齒鉆適用于黏土、塊石覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化巖層的鉆進(jìn)施工，見(jiàn)圖4；而牙輪筒鉆則適用于中分化巖層的鉆進(jìn)施工。φ2 500 mm斜樁嵌巖樁分3級(jí)進(jìn)行鉆孔施工，分別采用φ1 350、φ1 850和φ2 350 mm牙輪筒鉆逐段完成嵌巖段施工，牙輪筒鉆分級(jí)見(jiàn)圖5。

圖4 截齒鉆

圖5 嵌巖段牙輪筒鉆分級(jí)鉆孔

3.2.2質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)作為嵌巖樁鋼套管的鋼管樁沉放時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制最小貫入度，防止管底變形、卷邊，造成嵌巖樁成孔困難。

2)鉆孔過(guò)程會(huì)對(duì)鉆頭造成磨損，每次鉆孔前應(yīng)對(duì)錘頭進(jìn)行有效直徑的復(fù)核，并對(duì)鋼絲繩進(jìn)行定期檢查，防止施工過(guò)程中質(zhì)量和安全事故。

3)由于施工區(qū)域地質(zhì)情況比較復(fù)雜，應(yīng)根據(jù)鋼管樁沉放后的數(shù)據(jù)，結(jié)合地質(zhì)資料，詳細(xì)分析并勾畫(huà)出筒底與巖面間的關(guān)系，并針對(duì)特殊情況制訂特殊的施工工藝，當(dāng)鉆頭底距鋼套管底0.5～1.0 m時(shí)，必須控制鉆機(jī)速率，防止因孔壁不穩(wěn)固發(fā)生滲漏和坍塌故障。

4 經(jīng)濟(jì)分析

按同樣的施工條件，分別對(duì)結(jié)構(gòu)方案A和B進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析見(jiàn)表3?？梢钥闯觯桨窤工程費(fèi)用約為8 056萬(wàn)元，方案B工程費(fèi)用約為9 432萬(wàn)元。方案A較方案B低1 376萬(wàn)元，節(jié)省費(fèi)用約14.6%。

表3 結(jié)構(gòu)方案A和B的工程費(fèi)用

5 結(jié)語(yǔ)

1)在外海復(fù)雜條件下，斜嵌巖樁具有樁徑小、結(jié)構(gòu)抗水平荷載能力強(qiáng)、工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，選用較小直徑的斜樁嵌巖更為合理，是理想的外海淺覆蓋層大型碼頭的樁基形式。

2)在斜嵌巖樁施工工藝方面，采用回旋鉆機(jī)施工出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題相對(duì)較小、工藝先進(jìn)、環(huán)保達(dá)標(biāo)，是今后嵌巖樁施工的主導(dǎo)方向。

3)在施工期穩(wěn)樁措施方面，采用拋填袋裝碎石基床穩(wěn)樁效果較好，具有地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本低、施工工期短、受自然條件影響小等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)外海復(fù)雜地質(zhì)條件下的建設(shè)要求。