徐烈毅

（中交四航局港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510231）

0 引言

重力式碼頭是我國(guó)港口工程中廣泛采用的結(jié)構(gòu)型式。特別是近年來碼頭向大型化、深水化發(fā)展迅速，重力式結(jié)構(gòu)因其造價(jià)適中，耐久性好，承載能力較高的優(yōu)點(diǎn)，更越來越多地被采用。在已建成的重力式碼頭中，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，沉箱、大圓筒等結(jié)構(gòu)占3/4以上[1]，可見重力式碼頭未來的發(fā)展趨勢(shì)。為此，有必要就重力式碼頭中沉箱和坐床式圓筒這兩種主要結(jié)構(gòu)方案的造價(jià)作較深入的比較分析。

沉箱結(jié)構(gòu)比較適合水深大，工期緊，可浮運(yùn)或駁運(yùn)的情況，目前已建的大型沉箱碼頭中，單個(gè)沉箱質(zhì)量多在2000～3000 t之間，亦已有超過3000 t的工程案例。大型沉箱結(jié)構(gòu)尺度大，安裝件數(shù)相對(duì)較少，在施工條件較惡劣的無掩護(hù)海域，其優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

圓筒式碼頭結(jié)構(gòu)多采用大直徑無底坐床式，亦可有底，視工程需要和施工條件而定。圓筒結(jié)構(gòu)具有可浮運(yùn)、駁運(yùn)或吊運(yùn)，安裝可分節(jié)或一次出水，施工速率也較快的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)已建的圓筒碼頭一般筒徑在20 m以內(nèi)，國(guó)外已有筒徑達(dá)到21.5 m的實(shí)例。由于圓筒結(jié)構(gòu)受力比矩形沉箱更合理，結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)較便宜，對(duì)經(jīng)濟(jì)尚處于發(fā)展中的地區(qū)，更有優(yōu)勢(shì)。

本文通過對(duì)兩種碼頭結(jié)構(gòu)型式的典型案例的造價(jià)分析，尋找出影響造價(jià)的主要因素，并在保持安全水平基本相同的前提下對(duì)可降低造價(jià)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案作了初步探討。

1 重力式碼頭的造價(jià)構(gòu)成

1.1 造價(jià)構(gòu)成

重力式碼頭造價(jià)主要包括：重力式構(gòu)件預(yù)制、安裝；水下工程施工（開挖、拋填料等）；上部結(jié)構(gòu)施工（胸墻、管溝等）；碼頭后方回填；碼頭系泊、靠泊設(shè)施；碼頭面層結(jié)構(gòu)；裝卸工藝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等。

1.2 影響造價(jià)的主要因素

影響重力式碼頭造價(jià)的主要因素包括：

1）重力式構(gòu)件預(yù)制的體積、混凝土強(qiáng)度、自身質(zhì)量、出運(yùn)方式、運(yùn)距等都會(huì)影響工程造價(jià)，因?yàn)殛P(guān)系到船機(jī)設(shè)備的選用，故必將影響人工、材料（主材、地材等）、船機(jī)（起重船、駁船等）的消耗量；

2）水下工程及后方回填所需材料的選用，一般工程的填料購(gòu)置與施工費(fèi)用約占工程造價(jià)的1/3以上，因此應(yīng)選擇當(dāng)?shù)毓?yīng)有保障、價(jià)格相對(duì)低廉但內(nèi)摩擦角較高的填料。水下開挖中以炸礁費(fèi)用最高，因此，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免炸礁或盡可能減少炸礁量。

這些因素對(duì)造價(jià)的影響在設(shè)計(jì)、施工中都應(yīng)予充分考慮，以使碼頭的成本盡可能降低。

2 工程案例

案例的費(fèi)用計(jì)價(jià)按交通部水運(yùn)工程定額站的規(guī)定進(jìn)行[2]。

2.1 某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭（案例1）

2.1.1 概況

某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭總長(zhǎng)1016 m，地基下臥土層以強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層為主，非常適合作為碼頭結(jié)構(gòu)持力層，部分區(qū)域風(fēng)化巖上覆蓋粗砂層，性狀良好，也可作為結(jié)構(gòu)持力層。因此，碼頭結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土矩形沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱一次出水，沉箱基礎(chǔ)為10～100 kg基床塊石，沉箱尺寸長(zhǎng)×寬（帶趾）×高=23.5 m×14.1 m×17.15 m，趾長(zhǎng)1.0 m，單個(gè)質(zhì)量2558 t，為3×5個(gè)箱格，每個(gè)箱格縱橫尺寸為4.2 m×3.95 m，沉箱內(nèi)回填中細(xì)砂，沉箱上為現(xiàn)澆混凝土胸墻。碼頭后方設(shè)置分級(jí)拋石棱體，棱體后方回填中粗砂（振沖密實(shí)）。門機(jī)前軌安放在胸墻上，門機(jī)后軌道采用鋼筋混凝土矩形軌道梁，軌道梁基礎(chǔ)采用φ1000灌注樁，間距3 m。碼頭典型斷面圖見圖1。

2.1.2 造價(jià)構(gòu)成與分析

該10萬噸級(jí)集裝箱碼頭造價(jià)構(gòu)成及各項(xiàng)比例見表1；其每延米造價(jià)構(gòu)成直方圖見圖2。

從表1及圖2可看出，水下工程和沉箱預(yù)制、安裝費(fèi)用是最主要的費(fèi)用，約占65%，碼頭上部結(jié)構(gòu)費(fèi)用只占11%，水下工程、沉箱的數(shù)量都會(huì)對(duì)造價(jià)產(chǎn)生重大影響。

圖1 某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭典型斷面圖

表1 沉箱碼頭造價(jià)構(gòu)成及其所占比例表

圖2 某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭每延米造價(jià)構(gòu)成直方圖

2.2 某8萬噸級(jí)石化碼頭（案例2）

2.2.1 概況

某8萬噸級(jí)石化碼頭總長(zhǎng)280 m（見圖3）。為坐床式大圓筒結(jié)構(gòu)，持力層為粉砂巖層，圓筒和基巖間設(shè)置拋石基床層，厚度為1.00 m。臨時(shí)底板半徑7.90 m，圓筒外徑13.60 m，高16.70 m。外趾、內(nèi)趾寬1.1 m，壁厚0.35 m，單件質(zhì)量約950 t。圓筒空腔內(nèi)回填砂，頂部鋪碎石墊層和混凝土壓頂，接縫處設(shè)置倒濾腔。胸墻及圓筒蓋板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，胸墻為矩形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)14.4 m，頂寬2.80 m，蓋板為肋板結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)14.4 m，底寬16.6 m，板高0.6 m，設(shè)縱橫各兩塊肋板，肋板高2.15 m，寬0.6 m。胸墻突出圓筒0.8 m。碼頭后方回填中粗砂，碼頭結(jié)構(gòu)縫處均設(shè)置混合倒濾層。

圖3 某8萬噸級(jí)石化碼頭典型斷面圖

2.2.2 造價(jià)構(gòu)成與分析

該8萬噸級(jí)石化碼頭造價(jià)構(gòu)成及各項(xiàng)比例見表2，其每延米造價(jià)構(gòu)成的直方圖見圖4。從表2及圖4可看出水下工程和圓筒預(yù)制、安裝費(fèi)用是最主要的費(fèi)用，約占70%。所以同樣是水下工程、圓筒的結(jié)構(gòu)與數(shù)量都會(huì)對(duì)造價(jià)產(chǎn)生重大影響。

表2 坐床式圓筒碼頭造價(jià)構(gòu)成及其所占比例表

2.3 案例比較與優(yōu)化方向

圖4 某8萬噸級(jí)石化碼頭每延米造價(jià)構(gòu)成直方圖

某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭和某8萬噸級(jí)石化碼頭在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)上十分相近，10萬噸級(jí)沉箱碼頭的前沿底高程-15.6 m，碼頭高度為21.3 m，沉箱墻身結(jié)構(gòu)箱寬13.1 m，地基為強(qiáng)風(fēng)化巖；8萬噸級(jí)坐床式圓筒碼頭的前沿底高程-15.2 m，碼頭高度為21.5 m，大圓筒墻身結(jié)構(gòu)直徑13.6 m，連前后趾底寬15.8 m，地基為粉砂巖。所不同的是前者設(shè)有平均5.0 m厚的拋石基床，后方有填石棱體并有軌道梁及樁基礎(chǔ)，而后者則只設(shè)1.0 m厚的拋石基床，后方全填砂且無軌道結(jié)構(gòu)。

從技術(shù)指標(biāo)來看，10萬噸級(jí)沉箱碼頭與8萬噸級(jí)坐床式大圓筒碼頭也頗為相近，兩者都以高水位下沿基床面滑動(dòng)為控制情況，抗傾和基床承載力驗(yàn)算均有較明顯富裕量，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 兩案例主要技術(shù)指標(biāo)比較表

表3表明兩案例達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)幾乎一致。

對(duì)比兩案例的每延米造價(jià)構(gòu)成可以看出，沉箱方案的造價(jià)顯著高于坐床式大圓筒，前者達(dá)到43.2702萬元/延m，而后者只為30.4915萬元/延m。兩者造價(jià)構(gòu)成的比較見表4。

從表4可看出，兩案例水下工程及上部結(jié)構(gòu)工程造價(jià)相近，碼頭面及后方工程的造價(jià)差異是使用功能所致，造價(jià)明顯差別表現(xiàn)在沉箱與大圓筒墻身結(jié)構(gòu)的預(yù)制與安裝之造價(jià)不同。顯然，對(duì)某10萬噸級(jí)集裝箱碼頭的方案優(yōu)化方向就在于墻身結(jié)構(gòu)。

表4 兩案例每延米造價(jià)構(gòu)成比較表 萬元/延m

3 對(duì)案例1的優(yōu)化方案

圖5 案例1的碼頭優(yōu)化方案典型斷面圖

優(yōu)化的目標(biāo)定為：在保持主要安全技術(shù)指標(biāo)與原案基本一致的前提下，通過改變?cè)料浣Y(jié)構(gòu)為坐床式圓筒結(jié)構(gòu)降低原案的造價(jià)。優(yōu)化方案的典型斷面圖見圖5。采用坐床式大圓筒的優(yōu)化方案有兩個(gè)，一為有底板，另一為無底板，兩個(gè)優(yōu)化方案均作了較詳細(xì)的造價(jià)計(jì)算。有、無底板的圓筒方案造價(jià)分別見表5和表6。為節(jié)省篇幅，表中略去詳細(xì)子項(xiàng)。

表5 案例1的有底板圓筒方案造價(jià)表

表6 案例1的無底板圓筒方案造價(jià)表（僅詳列有差異部分）

從技術(shù)角度分析，沉箱結(jié)構(gòu)有較大的重量，抗滑能力強(qiáng)。對(duì)于相同底寬的圓筒結(jié)構(gòu)而言，可從兩方面提高圓筒的抗滑能力：其一是保留臨時(shí)底板為固定底板，增大上部混凝土結(jié)構(gòu)，以使自重力增加；其二是在增大上部混凝土結(jié)構(gòu)的同時(shí)，采用無底板圓筒，筒內(nèi)填二片石與拋石基床接面，按現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定提高基床面抗滑動(dòng)摩擦系數(shù)到0.65。上述兩個(gè)優(yōu)化方案就是按此考慮進(jìn)行的，即在作用組合不變的情況下，保持重力式結(jié)構(gòu)抗力與原案相近。

經(jīng)對(duì)案例1優(yōu)化方案的關(guān)鍵安全技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算分析后得出的結(jié)論是：不管有底或無底坐床式圓筒結(jié)構(gòu)方案，在極端高水位控制情況下沿拋石基床面水平滑動(dòng)的驗(yàn)算結(jié)果均與原沉箱方案基本一致，但其每延米造價(jià)則均有明顯下降。優(yōu)化方案與原案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見表7。

表7 對(duì)案例1優(yōu)化方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

表7表明，就案例1而言，采用坐床式圓筒結(jié)構(gòu)，無論有底或無底均有明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）沉箱或坐床式圓筒碼頭的造價(jià)構(gòu)成中，水下工程和墻身結(jié)構(gòu)制造與安裝的費(fèi)用比例高達(dá)65%～70%，在設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)其盡可能優(yōu)化。

2）從文中頗為相似的兩個(gè)案例來看，坐床式圓筒結(jié)構(gòu)方案有明顯的造價(jià)優(yōu)勢(shì)。

3）在保持關(guān)鍵安全技術(shù)指標(biāo)基本不變的前提下，經(jīng)采取提高圓筒抗滑能力的技術(shù)措施后，用坐床式圓筒（無論有底或無底）結(jié)構(gòu)可以取代造價(jià)較高的沉箱結(jié)構(gòu)。本文案例1的優(yōu)化結(jié)果表明每延米碼頭的造價(jià)可下降5.5～8.0萬元，下降幅度可達(dá)12%～18%。

4）坐床式圓筒結(jié)構(gòu)值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1]交通部水運(yùn)司.中國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]交通部水運(yùn)工程定額站.沿海港口建設(shè)工程概算預(yù)算編制規(guī)定及配套定額（2004）[S].

[3]JTS167-2-2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)及施工規(guī)范[S].