■羅松華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

非巖石地基重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

■羅松華

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州350004）

通過對(duì)一個(gè)以非巖石地基為持力層的重力式碼頭結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的介紹和研究，分析了結(jié)構(gòu)選型影響因素，針對(duì)持力層選擇、地基承載力控制、基槽開挖、沉降控制等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)問題提出對(duì)策措施，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

非巖石地基重力式碼頭結(jié)構(gòu)選型持力層地基承載力控制對(duì)策措施

1 工程概況

平潭港區(qū)澳前作業(yè)區(qū)是福州港的對(duì)臺(tái)客滾直航作業(yè)點(diǎn)。澳前客滾碼頭一期工程已建成10000GT高速客滾泊位和待泊泊位各1個(gè),于2011年11月開港，開通平潭—臺(tái)中、平潭—臺(tái)北客滾航線，近幾年對(duì)臺(tái)客貨吞吐量穩(wěn)步增長(zhǎng)，現(xiàn)已成為大陸與臺(tái)灣本島人員直接往來的主要口岸和便捷通道，是平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)開放開發(fā)的重要形象窗口。

澳前客滾碼頭二期工程位于已建高速客滾碼頭西側(cè)，建設(shè)10000GT高速客滾（實(shí)船）泊位1個(gè)（水工結(jié)構(gòu)按20000GT客滾船設(shè)計(jì)），岸線長(zhǎng)度233m，同步形成港區(qū)陸域和建設(shè)口岸查驗(yàn)等配套設(shè)施，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程-8.0m。

2 自然條件

（1）設(shè)計(jì)波浪

S向（橫浪）：50年一遇H1%=4.40m，T=8.4s，L=89.0m。

（2）工程地質(zhì)

碼頭區(qū)主要分布土層詳見下表1：

表1 地基主要物理力學(xué)指標(biāo)表

3 碼頭結(jié)構(gòu)選型及推薦方案

3.1 工程特點(diǎn)

碼頭區(qū)覆蓋土層較厚，強(qiáng)風(fēng)化巖埋置深度較深（巖面標(biāo)高-21.15m～-33.58m），此類地質(zhì)條件碼頭采用高樁結(jié)構(gòu)具有可行性。但根據(jù)本工程特點(diǎn)，碼頭結(jié)構(gòu)選型尚需考慮以下因素：

（1）碼頭為客貨滾裝泊位，車輛接岸和旅客上下船設(shè)施設(shè)計(jì)要求合理降低碼頭面高程，以提高運(yùn)營(yíng)安全性、便捷性和舒適性。高速客滾船班輪的定期準(zhǔn)點(diǎn)性特點(diǎn)要求結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性，避免過頻繁的維修導(dǎo)致停運(yùn)、停航，造成不利經(jīng)濟(jì)政治影響。

（2）二期工程與一期工程考慮一體化統(tǒng)籌運(yùn)營(yíng)，碼頭結(jié)構(gòu)型式應(yīng)有利于與已建工程的順暢銜接，避免建設(shè)期對(duì)已建碼頭正常運(yùn)營(yíng)造成影響。

（3）陸域可開發(fā)空間與用地需求矛盾較大。岸線前方為一期工程港池水域及澳前進(jìn)港航道，岸線后方為在建疏港路，陸域開發(fā)空間前后受限。本工程陸域需布置海關(guān)卡口、查驗(yàn)倉庫、車輛查驗(yàn)場(chǎng)地、汽車待渡場(chǎng)、貨物堆場(chǎng)、拆裝箱庫等設(shè)施，完善港區(qū)功能布局，提升澳前口岸設(shè)施條件，根據(jù)總平面布置方案，港區(qū)用地緊張，需盡量增加陸域面積。

（4）設(shè)計(jì)波浪具有波高大，波長(zhǎng)長(zhǎng)，周期長(zhǎng)，破壞力大等特征，要求結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗浪性能，降低施工和使用期安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 結(jié)構(gòu)選型

設(shè)計(jì)對(duì)重力式沉箱和高樁梁板兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)選型比選分析，詳見表2。

重力式沉箱結(jié)構(gòu)采用連片式布置，主體結(jié)構(gòu)采用不帶卸荷板的沉箱，基礎(chǔ)采用拋石基床，墻后回填拋石棱體。

高樁梁板式結(jié)構(gòu)采用高樁離岸式布置，基礎(chǔ)采用鋼管樁，上部結(jié)構(gòu)由樁帽、橫梁、縱梁、疊合面板等組成。碼頭平臺(tái)通過棧橋與陸域連接，陸域前沿設(shè)置護(hù)岸。

表2 結(jié)構(gòu)選型優(yōu)缺點(diǎn)比選表

3.3 比選分析及推薦方案

3.3.1 比選分析

（1）從表2可知，結(jié)構(gòu)選型比選的8個(gè)影響要素中，重力式結(jié)構(gòu)5個(gè)要素占優(yōu)，高樁梁板式3個(gè)要素占優(yōu)，綜合分析宜采用重力式結(jié)構(gòu)。

（2）重力式結(jié)構(gòu)與高樁梁板式結(jié)構(gòu)相比，施工期對(duì)已建碼頭泊位影響更大的主要原因在于：碼頭區(qū)覆蓋土層較厚，強(qiáng)風(fēng)化巖埋置深度較深（巖面標(biāo)高-30.27m～-33.58m），若采用巖石地基作為持力層，基槽開挖深度大，開挖影響范圍大。經(jīng)分析論證，擬選用非巖石地基作為碼頭持力層，并采取技術(shù)措施控制沉降，提高地基承載力，降低基槽開挖深度，減小對(duì)已建工程影響。

（3）擬選用的非巖石地基持力層承載力不高，碼頭結(jié)構(gòu)受地基承載力控制。為滿足地基承載力要求，可采用適當(dāng)增加沉箱寬度、墻后回填拋石棱體等措施減小地基應(yīng)力，并通過驗(yàn)算確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.3.2 推薦方案

綜上分析，碼頭結(jié)構(gòu)推薦采用不帶卸荷板的重力式沉箱結(jié)構(gòu)（見圖1）。

4 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基礎(chǔ)持力層選擇

在地質(zhì)條件較好的情況下，重力式碼頭宜優(yōu)先選擇巖基為持力層。但因本工程碼頭區(qū)巖面埋藏深，起伏大，若選擇巖基為持力層，不僅造成基槽開挖過深、開挖量大幅增加，基槽拋石量隨之增加，增加工程投資，且碼頭施工期基槽開挖施工將影響已建碼頭的正常運(yùn)營(yíng)。

碼頭區(qū)自上而下土層分析：淤泥質(zhì)土2-2（淤泥混砂）、砂混淤泥為高壓縮性土或液化土層，承載力低，工程地質(zhì)性質(zhì)差，不考慮作為持力層；粉砂3-1、粘土3-2、粉質(zhì)粘土3-3、殘積層工程地質(zhì)性質(zhì)相對(duì)較好（一般呈可塑～硬塑狀或中密～密實(shí)狀），且分布廣泛，埋深適宜，可考慮作為持力層；下部基巖風(fēng)化層工程性能較好—好、壓縮性低—不可壓縮，是較好的基礎(chǔ)持力層。

經(jīng)設(shè)計(jì)研究，決定以滿足下列三項(xiàng)指標(biāo)為前提，進(jìn)行持力層選擇和碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）基槽開挖深度和開挖邊坡范圍控制在不影響已建碼頭正常運(yùn)營(yíng)的范圍內(nèi)；

（2）地基承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)γR≥3.0；

（3）碼頭斷面地基平均沉降量≤15cm。

根據(jù)碼頭使用荷載及土層埋深情況，并通過驗(yàn)算確保各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)選用非巖石地基即粉砂層作為重力式碼頭結(jié)構(gòu)持力層。

4.2 地基承載力控制措施

粉砂層為中密—密實(shí)狀，飽和，力學(xué)強(qiáng)度一般，屬中等縮性土，工程地質(zhì)性能一般。在不采取措施控制地基應(yīng)力的情況下，地基承載力很難滿足規(guī)范要求。因此，設(shè)計(jì)須采取有效措施，減小地基應(yīng)力，提高地基承載力，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。

碼頭地基應(yīng)力和地基承載力主要受沉箱底寬、墻后填料及基床厚度等因素影響，設(shè)計(jì)針對(duì)以上幾個(gè)方面分別采取有效措施。

（1）合理確定碼頭結(jié)構(gòu)斷面尺度，適當(dāng)增加沉箱底寬。

重力式碼頭結(jié)構(gòu)斷面尺度多數(shù)由基床頂面最大應(yīng)力控制。因本工程基礎(chǔ)持力層為非巖石地基，σmax值若定得太高，將導(dǎo)致對(duì)地基承載力要求較高，所需基床厚度較大，基槽開挖深度將超出控制范圍、影響已建碼頭的正常運(yùn)營(yíng)；若定得太低，則需加大結(jié)構(gòu)斷面底寬，增加工程造價(jià)。設(shè)計(jì)研究決定，碼頭結(jié)構(gòu)斷面尺度按基槽開挖深度、持久狀況基床頂面最大應(yīng)力σmax≤350kPa和斷面地基平均沉降量H≤15cm三項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)控制。

經(jīng)計(jì)算，碼頭斷面沉箱底寬適當(dāng)增加取為16.55m（含前、后趾長(zhǎng)度），可有效減小地基應(yīng)力、降低對(duì)地基承載力的要求。

（2）墻后設(shè)置拋石棱體，降低土壓力。

工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及計(jì)算分析表明，墻后回填料內(nèi)摩擦角越大，產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力水平向分力越小，拋石基床底面合力標(biāo)準(zhǔn)值作用點(diǎn)的偏心距越小，碼頭地基應(yīng)力越小，對(duì)地基承載力的要求越低。結(jié)合工程區(qū)域砂石料來源的分析，碼頭墻后回填料采用內(nèi)摩擦角較大的拋石棱體，有效減小碼頭地基應(yīng)力，降低對(duì)地基承載力的要求。

（3）合理確定拋石基床厚度，降低基床底面應(yīng)力。

根據(jù)重力式規(guī)范，拋石基床厚度按下式（1）～（2）計(jì)算確定：

圖1 重力式碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

根據(jù)計(jì)算分析，適當(dāng)增加拋石基床的厚度，通過基床應(yīng)力擴(kuò)散，可有效降低基床底面應(yīng)力，降低對(duì)地基承載力的要求。綜合考慮基槽開挖深度控制要求、地質(zhì)分布規(guī)律、應(yīng)力擴(kuò)散、地基承載力等因素，基床拋石厚度最終取值為：西側(cè)3.5m、東側(cè)6m。

（4）重視基床前沿邊載作用的發(fā)揮。

計(jì)算分析表明，基床前沿三角區(qū)填料在地基承載力和碼頭整體穩(wěn)定性計(jì)算中具有重要作用。若該區(qū)不回填或回填厚度太小，將出現(xiàn)地基承載力或結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不足的情況。設(shè)計(jì)要求該區(qū)拋填亂毛石（10～500kg），并在其上回填150～200kg塊石至-8.5m，通過石料較高的重度形成反壓層，增加了碼頭結(jié)構(gòu)地基承載力和碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，并起到防止沖刷的作用。

4.3基槽開挖設(shè)計(jì)

碼頭基槽開挖及基床拋石占重力式碼頭工程的費(fèi)用比重較大，一般達(dá)到20%～40%。因此，優(yōu)化碼頭基槽開挖設(shè)計(jì)對(duì)節(jié)約工程投資意義重大。

因碼頭持力層分布不均，土層之間相互交錯(cuò)，標(biāo)高起伏較大，基槽開挖底邊線以標(biāo)高控制為主，設(shè)計(jì)多為“一字形”直線?；坶_挖采用陡邊坡設(shè)計(jì)。基礎(chǔ)上部土層主要為淤泥質(zhì)土、砂混淤泥、粉砂、粘土、粉質(zhì)粘土，開挖坡度采用1∶3。設(shè)計(jì)對(duì)基槽開挖邊坡進(jìn)行圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算，考慮基槽開挖為施工期臨時(shí)開挖，抗力分項(xiàng)系數(shù)γR取值適當(dāng)放寬?；坶_挖設(shè)計(jì)平均超寬取為1.5m，平均超深取為0.5m，現(xiàn)有的施工設(shè)備和技術(shù)能力可以滿足該精度要求。

4.4 沉降控制措施

（1）基槽拋石采用分層重錘夯實(shí)。基槽拋石按2m一層分層夯實(shí)，設(shè)計(jì)要求按平均夯沉量15%進(jìn)行施工控制，并要求對(duì)后期沉降可能較大的地段增加錘夯次數(shù)。

（2）提出施工順序和施工進(jìn)度控制要求?；坶_挖后及時(shí)驗(yàn)收和拋石，防止間隔時(shí)間太久導(dǎo)致回淤；回淤厚度大于0.3m時(shí)必須補(bǔ)挖，清除回淤；胸墻混凝土澆筑（特別是最后一層胸墻澆筑時(shí)）應(yīng)待沉箱后填料加載至+10.0m，且沉降位移觀測(cè)穩(wěn)定后再進(jìn)行；施工期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)沉箱、胸墻施工期間的沉降位移觀測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和判斷，作為指導(dǎo)施工進(jìn)度的依據(jù)。

4.5 主要計(jì)算結(jié)果

碼頭結(jié)構(gòu)主要計(jì)算結(jié)果如下表3所示：

表3 碼頭結(jié)構(gòu)主要計(jì)算項(xiàng)目及成果表

5 結(jié)語

（1）重力式碼頭耐久性好，設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，是一種使用廣泛的結(jié)構(gòu)型式。本文通過對(duì)一個(gè)以非巖石地基為持力層的重力式碼頭結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的總結(jié)與分析，為類似項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)提供借鑒。

（2）非巖石地基重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)在于地基承載力和沉降的控制。設(shè)計(jì)根據(jù)碼頭使用荷載及土層埋深情況，選擇粉砂層作為碼頭基礎(chǔ)持力層。通過增加碼頭沉箱底寬、墻后設(shè)置拋石棱體降低土壓力、合理確定拋石基床厚度降低基底應(yīng)力、基床前沿三角區(qū)回填塊石充分發(fā)揮邊載的有利作用等有效措施，減小地基應(yīng)力，通過計(jì)算及細(xì)化施工措施控制碼頭沉降，確保地基承載力和沉降計(jì)算指標(biāo)滿足規(guī)范要求，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，大幅減小了工程投資。

[1]福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.福州港平潭港區(qū)澳前作業(yè)區(qū)海峽客滾碼頭二期工程工程可行性研究報(bào)告[R].福州：福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2016.

[2]福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院.福州港平潭港區(qū)澳前作業(yè)區(qū)海峽客滾碼頭二期工程施工圖設(shè)計(jì)文件[R].福州：福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2016.