某海工基地碼頭水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案比選

許欣欣

摘要 高樁碼頭是應(yīng)用相對廣泛且工藝成熟的碼頭結(jié)構(gòu)形式，需綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、使用和外部要求等進(jìn)行方案比選。文章以某海工基地碼頭為例，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，在綜合考慮工程地質(zhì)特點(diǎn)、碼頭功能需求等方面后，鑒于施工環(huán)保、工程工期等要求，比選出可有效縮短工期、降低對海域周邊環(huán)境影響以及節(jié)約工程造價(jià)的設(shè)計(jì)方案，以期為同類工程提供借鑒參考。

關(guān)鍵詞 水工結(jié)構(gòu)；高樁碼頭；樁基；方案比選

中圖分類號(hào) U656.113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）10-0026-04

0 引言

高樁碼頭是應(yīng)用相對廣泛且工藝成熟的碼頭結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)使用期沉降較小、透空性較好，對水流及原有地形的影響較小。樁基上部結(jié)構(gòu)可采用預(yù)制裝配式，以加快施工進(jìn)度。高樁碼頭的樁基適應(yīng)不同的地質(zhì)條件，常用的樁型包括高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、組合管樁、鋼管樁、鉆孔灌注樁等，需綜合技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、使用和外部要求等進(jìn)行選擇。

1 工程概況

某海工基地為滿足建筑材料運(yùn)輸以及結(jié)構(gòu)件出運(yùn)需求，建設(shè)材料碼頭及引橋1座、出運(yùn)碼頭及引橋1座。其中，材料碼頭設(shè)置1個(gè)2 000噸級(jí)泊位，出運(yùn)碼頭設(shè)置1個(gè)2 000噸級(jí)泊位和1個(gè)工作船泊位（兼顧半潛駁）。工程所有水工建筑物安全等級(jí)均為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)船型

該工程材料碼頭主要運(yùn)輸采購的砂石料、水泥、鋼筋等原材料，停靠泊散貨船和雜貨船；出運(yùn)碼頭服務(wù)于鋼筋等件雜貨的運(yùn)輸，并供拖輪等工作船?？?，兼顧桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件的出運(yùn)。根據(jù)規(guī)范[1]和業(yè)主指定船型數(shù)據(jù)，工程設(shè)計(jì)船型及其主尺度如表1所示。

2.2 設(shè)計(jì)水位

（1）設(shè)計(jì)高水位：2.15 m（高潮累計(jì)頻率為10%）。

（2）設(shè)計(jì)低水位：?1.77 m（低潮累計(jì)頻率為90%）。

（3）極端高水位：3.49 m（50年一遇極值高水位）。

（4）極端低水位：?2.59 m（50年一遇極值低水位）。

（5）100年一遇高水位：3.63 m。

（6）10年一遇高水位：3.17 m。

2.3 工藝荷載

工程工藝荷載如表2所示。

2.4 工程地質(zhì)

2.4.1 出運(yùn)碼頭

根據(jù)地勘揭露的地層情況：

（1）灰白色花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層及其以上巖土層，工程地質(zhì)性質(zhì)普遍較差，且埋深較淺，分布不穩(wěn)定，均不適宜作為擬建工程的樁基持力層。

（2）灰白色花崗巖中等風(fēng)化層工程地質(zhì)性質(zhì)良好，是擬建區(qū)良好的基礎(chǔ)持力層，也是擬建碼頭區(qū)良好的樁基持力層。

2.4.2 材料碼頭

根據(jù)地勘揭露的地層情況：

（1）灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層及其以上巖土層，工程地質(zhì)性質(zhì)普遍較差，且埋深較淺，分布不穩(wěn)定，均不適宜作為擬建工程的樁基持力層。

（2）草黃色粉質(zhì)黏土、灰色含礫粉質(zhì)黏土層，工程性質(zhì)一般，但其埋深太淺，頂板起伏較大，厚度較薄，不宜作為擬建碼頭的樁基持力層。

（3）灰黃色中砂混黏性土、灰白色花崗巖強(qiáng)風(fēng)化層，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，但該層在擬建區(qū)域分布不均勻，僅零星發(fā)育，不宜作為擬建碼頭的樁基持力層。

（4）灰白色花崗巖中等風(fēng)化層工程地質(zhì)性質(zhì)良好，是擬建區(qū)良好的基礎(chǔ)持力層，也是擬建碼頭區(qū)良好的樁基持力層。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

綜合考慮工程的建設(shè)目標(biāo)、水文與地質(zhì)條件、使用要求及技術(shù)依托等因素，確定水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則如下：

（1）碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)服從平面的總體布置，滿足裝卸工藝要求，便于船舶的安全系靠泊操作，滿足裝卸作業(yè)的要求。

（2）碼頭的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)適應(yīng)工程位置的地質(zhì)、潮流、波浪的自然條件，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。

（3）碼頭結(jié)構(gòu)方案應(yīng)考慮施工方案及當(dāng)?shù)卦O(shè)備的能力，確保碼頭施工期安全，盡可能減少施工難度。

（4）采取的工程技術(shù)措施，應(yīng)滿足水工結(jié)構(gòu)50年使用年限要求。

（5）碼頭結(jié)構(gòu)方案應(yīng)滿足當(dāng)?shù)氐陌毒€及規(guī)劃要求。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)自然條件不同，水工結(jié)構(gòu)常用樁基或者重力式的結(jié)構(gòu)型式。重力式結(jié)構(gòu)適用于場地較弱覆蓋土層較薄、良好持力層埋深較淺的地質(zhì)條件，具有結(jié)構(gòu)整體性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐久、維修量小、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對砂石料資源豐富的地區(qū)更為適合，可以降低工程造價(jià)[2]。樁基結(jié)構(gòu)多適用于場地軟土層較厚、下臥良好持力層的地質(zhì)條件，樁基結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)自重較輕，利用長樁可達(dá)到較深的硬土層，使用期結(jié)構(gòu)沉降較小、透空性較好、對水流及原有地形的影響較小，樁基結(jié)構(gòu)型式的上部結(jié)構(gòu)可采用預(yù)制裝配式，以減少現(xiàn)場工作量，加快施工進(jìn)度。

該工程擬建區(qū)域的水流流速較大，流態(tài)較為復(fù)雜，重力式結(jié)構(gòu)對流態(tài)影響大，會(huì)對船舶系靠泊產(chǎn)生不利影響；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，且受到用海及生態(tài)岸線政策的影響，實(shí)體式重力式結(jié)構(gòu)不適合該工程。經(jīng)綜合研究，該工程水工結(jié)構(gòu)型式擬選用樁基結(jié)構(gòu)型式。

3.3 樁基選型

高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力管樁的單樁承載力較高、抗彎能力有限、自身混凝土密實(shí)性較好、相對造價(jià)較低，易受樁基自重等影響，若管樁長度較大，對打樁及吊運(yùn)設(shè)備的要求較高。鋼管樁相對于混凝土管樁，樁身的抗彎抗拉能力強(qiáng)、自重輕、耐錘擊性能好，適用于外海深水、自然條件較差的區(qū)域，受防腐措施等因素影響，鋼管樁造價(jià)相對較高。鉆孔灌柱樁的單樁承載能較高，可承受一定的水平荷載，抗彎能力可以通過調(diào)整樁徑及配筋滿足要求。對于因水深較淺，且有一定環(huán)境保護(hù)措施的情況，可在無法利用打樁船沉放預(yù)制樁的區(qū)段，使用該種樁型[3]。

根據(jù)該工程的地質(zhì)情況，為滿足樁基的抗彎、抗壓、抗拔要求，樁基持力層需考慮嵌巖。根據(jù)出運(yùn)碼頭鉆孔資料，樁基持力層若采用強(qiáng)風(fēng)化巖層，入土深度短，其樁基承載力難以滿足規(guī)范要求，因此其樁基需以中風(fēng)化巖層作為持力層?？紤]預(yù)制樁穿過強(qiáng)風(fēng)化巖層難度較大，綜合考慮，出運(yùn)碼頭的設(shè)計(jì)樁型宜采用鉆孔灌注樁嵌巖。根據(jù)材料碼頭鉆孔資料，樁基持力層若采用中風(fēng)化巖層，入土深度深，且只有較薄的強(qiáng)風(fēng)化巖層，綜合考慮，材料碼頭的設(shè)計(jì)樁型宜采用鉆孔灌注樁嵌巖及鋼管樁嵌巖。

3.4 結(jié)構(gòu)方案

按前述碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，結(jié)合總平面和裝卸工藝方案，參考國內(nèi)外已建工程的成功建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，考慮兩個(gè)方案進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較，分述如下：

3.4.1 結(jié)構(gòu)方案一

（1）出運(yùn)碼頭。出運(yùn)碼頭水工建筑物主要由碼頭平臺(tái)、出運(yùn)平臺(tái)、系纜墩、靠船墩及引橋組成。其中，碼頭平面尺度為142.5 m×20 m（其中出運(yùn)平臺(tái)平面尺度為82.5 m×20 m），系纜靠船墩平面尺度為10 m×10 m，引橋平面尺度為28 m×30 m，頂高程均為+4.0 m。

碼頭平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為18～21 m；碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置4根直樁。

考慮出運(yùn)工藝及現(xiàn)狀場地情況，出運(yùn)平臺(tái)及引橋采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)厚度為2.5 m，樁基采用Φ1400 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁。出運(yùn)平臺(tái)下設(shè)52根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為24～25 m；引橋下設(shè)25根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為17～24 m。

系纜靠船墩采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)厚度為2.5 m，樁基采用Φ1400 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁。系纜靠船墩下設(shè)5根Φ1400 mm鉆孔灌注樁，樁長為25～26 m。

（2）材料碼頭。材料碼頭水工建筑物主要由1座碼頭及1座引橋組成。其中，碼頭平面尺度為125 m×22 m，引橋平面尺度為55 m×13 m；碼頭頂高程為+5.5 m，引橋頂面高程為+5.5 m。

碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁和迭合面板組成。北側(cè)結(jié)構(gòu)段樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為31～50 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。南側(cè)結(jié)構(gòu)段樁基采用Φ1000 mm鋼管樁，壁厚為20 mm，樁長為46～62 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根樁。

引橋采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，近碼頭側(cè)排架上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制空心板組成。樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為31 m，排架間距為13.2 m。近陸側(cè)排架上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為22～31 m，排架間距為6.2 m。引橋每榀排架布置3根直樁。引橋與碼頭連接處的空壓站平臺(tái)采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，墩臺(tái)厚度為2.0 m，樁基采用Φ1000 mm鉆孔灌注樁嵌巖，均為直樁，樁長為47 m。

3.4.2 結(jié)構(gòu)方案二

（1）出運(yùn)碼頭。同3.4.1結(jié)構(gòu)方案一的出運(yùn)碼頭。

（2）材料碼頭。碼頭平面布置型式及尺度同方案一。南側(cè)碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁、預(yù)制縱梁和迭合面板組成。樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為49～64 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。

4 水工結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件計(jì)算成果

水工結(jié)構(gòu)計(jì)算方法參照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144—1—2010）[4]《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167—2018）[5]《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 151—2011）[6]等相關(guān)規(guī)范，采用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)CAD集成軟件的相關(guān)模塊計(jì)算。主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果如表3～5所示。

5 結(jié)構(gòu)方案比選

該工程水工結(jié)構(gòu)兩個(gè)方案主要區(qū)別在材料碼頭南側(cè)段碼頭平臺(tái)的樁基型式與布置的不同。

結(jié)構(gòu)方案一：樁基采用Φ1 000 mm鋼管樁，壁厚為20 mm，樁長為46～62 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根樁。

結(jié)構(gòu)方案二：樁基采用Φ1300 mm鉆孔灌注樁嵌巖，樁長為49～64 m，碼頭排架間距為7 m，每榀排架布置5根直樁。

水工結(jié)構(gòu)方案比較詳見表6所示。

經(jīng)上述綜合比選，結(jié)構(gòu)方案在技術(shù)上均可行，都具備成熟的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)?？紤]結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)及施工便捷等因素，該次設(shè)計(jì)水工方案推薦方案一。

6 結(jié)語

由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大，在綜合考慮工程地質(zhì)特點(diǎn)、碼頭功能需求等方面后，鑒于施工環(huán)保、工程工期等要求，通過方案比選，采用鋼管樁可有效縮短工期，降低對海域周邊環(huán)境的影響，節(jié)約工程造價(jià)。該工程的水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路可為后續(xù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范： JTS 165—2013[S]. 北京：人民交通出版社， 2014.

[2]楊文. 重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比選分析[J]. 珠江水運(yùn)， 2013（13）： 28-30.

[3]羅年生. 高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)[J]. 水運(yùn)工程， 2018（8）： 76-79+91.

[4]港口工程荷載規(guī)范： JTS 144-1—2010[S]. 北京：人民交通出版社， 2010.

[5]碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： JTS 167—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[6]水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： JTS 151—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.