詹廣才，張勇坤

安哥拉洛比托港擴建項目集裝箱碼頭結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

詹廣才，張勇坤

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

根據(jù)安哥拉洛比托港擴建項目集裝箱碼頭工程復雜的地質(zhì)條件，在高樁梁板式結(jié)構(gòu)的基礎上提出多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式，對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化思路進行對比分析，最終采用新型的前高樁后斜頂密排管樁墻一體化結(jié)構(gòu)，既結(jié)合了高樁的透空性和施工便利性，又解決在復雜地質(zhì)條件下深水碼頭的改擴建問題。

復雜地質(zhì)；改擴建；高樁；斜頂管樁墻；一體化結(jié)構(gòu)

1 工程概況

洛比托瀕臨大西洋，海上距離南非開普敦2 270 km，距離美國紐約12 000 km，距離荷蘭阿姆斯特丹8 700 km，距離英國南安普敦8 100 km，距離葡萄牙里斯本6 700 km，洛比托港擁有通暢的遠洋運輸條件[1]。近幾年來，洛比托港的集裝箱吞吐量呈快速發(fā)展趨勢，2000年洛比托全港的吞吐量為27 153 TEU，但到了2007年，數(shù)值達到76 656 TEU，年均增長15.98%。然而，整個洛比托港至今仍無專業(yè)化的集裝箱泊位，集裝箱的運輸基本依靠現(xiàn)有的通用泊位進行，現(xiàn)有泊位大都建于20世紀四五十年代，碼頭陸域縱深小，設備落后，效率低下，且碼頭的使用期達到甚至超過了其使用壽命，雖經(jīng)過屢次修復，但依然無法從根本上大幅提高其吞吐能力，靠泊的大部分船只僅靠船舶自帶裝卸設備進行裝卸作業(yè)，這些原因都直接導致了洛比托港的集裝箱運輸發(fā)展的落后。

為改善洛比托港的集裝箱通過能力，實現(xiàn)鐵海聯(lián)運，促進直接腹地乃至周邊非洲內(nèi)陸國家經(jīng)濟發(fā)展的需要，工程將建設1個7萬噸級集裝箱泊位，碼頭泊位長度414 m。年設計吞吐能力為45萬TEU。另外該工程還包括進港道路、堆場、后放陸域等附屬設施[2-3]。

2 工程條件

2.1 設計水位

大潮平均高、低潮位為1.7 m和0.5 m，小潮平均高低潮位為1.4 m和0.8 m，高程系統(tǒng)采用洛比托港高程系統(tǒng)（下同）[4]。

2.2 地質(zhì)情況

本工程區(qū)域地質(zhì)復雜，兩端與已有碼頭接壤處地質(zhì)條件較好，但在新建碼頭中間段約200 m范圍內(nèi)存在1層“3-1軟弱黏土”，平均厚度達18.12 m，層頂標高-20.73 m，層底標高-39.61 m，標貫擊數(shù)在4~9之間，平均擊數(shù)N=6.3擊[5]。該區(qū)域如采用常規(guī)高樁梁板平臺的岸坡極難穩(wěn)定，經(jīng)計算安全系數(shù)約為0.5，所以勢必需要對該軟弱土層進行處理。如采用大開挖方案，岸坡開挖將影響碼頭后方現(xiàn)有堆場的使用安全，同時也影響兩端已有多用途碼頭和油服基地碼頭的使用；如采用軟基處理，對于埋深大，且厚的軟土，難度大而且造價高。

2.3 施工條件

洛比托港當?shù)仄骄患s+1.10 m，而且潮差較小，平均高水位2.10 m，平均低水位0.90 m，碼頭面高程采用與周邊碼頭和陸域頂高程+3.80 m一致，因此常水面到碼頭面的高度較小。當?shù)毓こ滩牧显O備等比較匱乏，市場主要以商店為主，港務局也沒有大型的工程設備，只有3臺輪胎吊機，最大起重能力僅為35t，施工條件極不便利[6]。

3 結(jié)構(gòu)方案

本工程地質(zhì)條件復雜，施工條件不便利，同時，因為工期較緊，需要對結(jié)構(gòu)進行合理的優(yōu)化，以滿足現(xiàn)場實際施工能力需要。在滿足結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟高效的前提下，對碼頭主體結(jié)構(gòu)的選型進行了全面的對比及設計優(yōu)化選型。

3.1 寬樁臺結(jié)構(gòu)方案

本方案擬在軟弱土層段采用前高樁標準區(qū)+后樁臺過渡區(qū)+傳統(tǒng)混凝土擋土墻接岸結(jié)構(gòu)，此段縱向長度為241.5 m。

1）前高樁標準區(qū)

前碼頭作業(yè)區(qū)頂面標高+3.80 m，長34 m，高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基都采用1 000 mm鋼管樁，排架間距8.90 m，每榀排架布置8根樁，海側(cè)軌道梁布置雙直樁，中間軌道梁布置1對3∶1叉樁，其余4根為單直樁[7]。

上部結(jié)構(gòu)由樁帽、現(xiàn)澆橫梁、預制軌道梁、預制縱梁和疊合面板組成，現(xiàn)澆橫梁寬1.6 m，高1.45 m；預制軌道梁寬1.2 m，高1.36 m；預制縱梁寬1.0 m，高1.36 m；預制面板厚0.35 m，現(xiàn)澆面層厚0.2 m，磨耗層平均厚度為0.05 m。現(xiàn)澆樁帽、縱橫梁，面板采用高性能混凝土，強度等級為C45。為提高碼頭面層的質(zhì)量，碼頭面層混凝土添加聚丙脂纖維，并預制構(gòu)件涂防腐涂層。

碼頭面設置3條軌道，海側(cè)軌與中間軌的軌矩10.5 m，海側(cè)軌與陸側(cè)軌的軌矩30 m，鋼軌采用QU120鋼軌，采用彈性錨固、連續(xù)焊接軌道的固定方式錨固。根據(jù)橋吊（門機）的錨固、頂升、防風等要求，設置錨固、頂升等結(jié)構(gòu)。

碼頭防撞設施采用標準反力的SUC1700一鼓一板鼓形護舷，碼頭系纜設施采用1 500 kN系船柱，均為隔跨布置。

碼頭面設現(xiàn)澆磨耗層，設0.5%的排水坡度。碼頭面板設置排氣孔，并設置供水、供電、通信等結(jié)構(gòu)設施。

2）后樁臺過渡區(qū)

后樁臺過渡區(qū)頂面標高+3.80 m，長35.98 m，高樁臺結(jié)構(gòu)，樁基都采用1 000 mm鋼管樁，排架間距6.20 m，每榀排架布置5根全直樁。

上部結(jié)構(gòu)由樁帽、現(xiàn)澆橫梁、一根預制邊梁和疊合面板組成，現(xiàn)澆橫梁寬1.6 m，高1.45 m；預制邊梁寬1.0 m，高1.36 m；預制面板厚0.35 m，現(xiàn)澆面層厚0.2 m，磨耗層平均厚度為0.05 m。材料同碼頭作業(yè)區(qū)。

3）接岸結(jié)構(gòu)

碼頭接岸結(jié)構(gòu)長414 m，頂標高+3.80 m，接岸結(jié)構(gòu)采用實體斜坡式，堤心采用10~100 kg規(guī)格石，護面采用50~100 kg規(guī)格石，護腳棱體采用100~200 kg規(guī)格石，護底塊石采用200~300 kg規(guī)格石，接岸結(jié)構(gòu)后方回填中粗砂。如圖1所示。

3.2 前樁墻后高樁組合結(jié)構(gòu)方案

本方案擬在軟弱土層段采用前樁墻+后高樁梁板式結(jié)構(gòu)（以下簡稱“前板樁墻結(jié)構(gòu)”），碼頭平臺寬度34 m。碼頭基樁采用φ1 000 mm鋼管樁，排架間距8.90 m，每榀排架布置7根樁（不包括前板樁墻鋼管樁），陸側(cè)軌道梁下布置單直樁，中間軌道梁下布置1對8∶1叉樁，中間縱梁下另布置2根單直樁和1對4∶1叉樁。而海側(cè)軌道梁下基樁兼做前板樁墻，采用連片φ1 500 mm鋼管樁，鋼管樁中心距為1 650 mm，在樁頂通過現(xiàn)澆混凝土導梁連接成整體。

碼頭上部梁板結(jié)構(gòu)及附屬設施與寬樁臺的“前高樁標準區(qū)”結(jié)構(gòu)段相同。接岸結(jié)構(gòu)與寬樁臺方案相似。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 寬樁臺結(jié)構(gòu)Fig.1Wide pile structure

圖2 前板樁墻結(jié)構(gòu)Fig.2Front sheet pile structure

3.3 前高樁后斜頂密排管樁一體化結(jié)構(gòu)方案

本方案擬在軟弱土層段采用高樁斜頂管樁墻一體化結(jié)構(gòu)，此段長度為241.5 m，碼頭平臺寬度34.5 m，分成4個結(jié)構(gòu)段。碼頭基樁采用φ1 000 mm鋼管樁，排架間距8.90 m，每榀排架布置7根樁（不包括后板樁墻鋼管樁），海側(cè)軌道梁下布置單直樁，中間軌道梁下布置1對4∶1叉樁，中間縱梁下另布置3根單直樁。而陸側(cè)軌道梁下基樁兼做后板樁墻，采用連片φ1 500 mm鋼管樁，鋼管樁中心距為1 650 mm，在樁頂通過現(xiàn)澆混凝土導梁連接成整體，同時，后軌道梁下設置1排鋼管樁前斜樁，樁徑φ1 500 mm，斜率3∶1，間距3.0 m。

碼頭上部結(jié)構(gòu)采用縱橫網(wǎng)格梁形式，不設置樁帽，基樁支撐于橫梁上，橫梁寬1.60 m，前后軌道梁寬1.6 m，中間軌道梁及縱梁寬1.20 m，縱橫梁等高，梁高2.30 m，縱橫梁采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)；面板采用混凝土疊合面板，疊合面板總厚度為0.55 m，其中預制部分厚度為35 cm，現(xiàn)澆厚度20 cm。梁、板等主要構(gòu)件采用高性能混凝土，混凝土強度等級為C45。為了提高碼頭面層的質(zhì)量，碼頭面層混凝土添加聚丙脂纖維，并預制構(gòu)件涂防腐涂層。

板樁墻的前方和后方，拋填塊石棱體。

碼頭附屬設施的布置與寬樁臺的“前高樁標準區(qū)”結(jié)構(gòu)段相同。具體結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 前高樁后斜頂密排管樁一體化結(jié)構(gòu)Fig.3Slant pile quay wall integrated structure

4 對比分析

1）主要材料用量對比分析見表1。

表1 主要材料用量對比表Table 1Comparison of main material consumption

2）造價對比見表2。

表2 造價對比表Table 2Comparison of cost

3）方案綜合比選。

通過工期、施工復雜性、結(jié)構(gòu)耐久性、泊穩(wěn)性等，對寬樁臺方案、前板樁墻方案和一體化結(jié)構(gòu)方案進行了對比分析，見表3。

在經(jīng)濟效益方面，由表1可知，一體化結(jié)構(gòu)的工程量最省，鋼筋用量比寬樁臺結(jié)構(gòu)少40%，比前板樁墻結(jié)構(gòu)少28%；混凝土用量比寬樁臺結(jié)構(gòu)少43%，比前板樁墻結(jié)構(gòu)少26%；砂用量比寬樁臺結(jié)構(gòu)少67%，比前板樁墻結(jié)構(gòu)少57%，雖然用鋼量最多，但是只比其他結(jié)構(gòu)多7%左右，經(jīng)濟效益極佳。由表2可以看出，寬樁臺結(jié)構(gòu)的工程造價最高，前板樁墻結(jié)構(gòu)的工程造價次之，一體化結(jié)構(gòu)的工程造價最省。

在施工便利和碼頭運營方面，一體化結(jié)構(gòu)的施工難度最小，工期最短，抗風險能力最高，對周邊已有的碼頭營運影響最小，在保證工程進度和適應改擴建方面具有其他兩種結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)勢。

最后，通過對工程造價、工期控制、施工難度等多方面因素比較，決定采用前高樁斜頂密排管樁墻結(jié)構(gòu)作為該項目的設計方案。

表3 綜合對比表Table 3Comparison of comprehensive analysis

5 結(jié)語

1）使用前高樁后斜頂密排管樁墻一體化結(jié)構(gòu)，其充分利用高樁和斜頂板樁的結(jié)構(gòu)特點，將高樁碼頭水平控制力撞擊力轉(zhuǎn)為板樁墻的被動土壓力來承擔，而板樁墻的主動土壓力轉(zhuǎn)為樁基的壓樁力，這樣即減少高樁的拉樁力又降低了板樁的內(nèi)力，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的整體性。

2）前高樁后斜頂密排管樁墻技術(shù)成功地解決了有限陸域深厚軟弱下臥層地質(zhì)限制條件下的碼頭建設難題，使工程的建設不影響周邊現(xiàn)有集裝箱泊位、油碼頭及油庫的正常使用，又有效地解決了下臥深厚軟弱土層問題，該結(jié)構(gòu)非常適合在復雜地質(zhì)條件下的改擴建碼頭項目，其顯著優(yōu)勢是在不影響附近泊位運營情況下完成改擴建工作。

3）該結(jié)構(gòu)具備結(jié)構(gòu)簡單、工程造價低及施工條件相對寬松的優(yōu)勢，為“走出去”的發(fā)展戰(zhàn)略提供了很好的經(jīng)驗。而且隨著該項目的完工，加強了企業(yè)在非洲片區(qū)競爭實力，為后續(xù)在該市場的份額逐步增大起到了巨大作用。

[1]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.安哥拉洛比托港集裝箱碼頭擴建工程工程可行性研究報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2008. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Project feasibility study report of extension work for port of Lobito-Container Terminal[R]. Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2008.

[2]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.洛比托港規(guī)劃報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2007. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Port planning report for Lobito [R].Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2007.

[3]JTS 167-4—2011，海港集裝箱碼頭設計規(guī)范[S]. JTS 165-4—2011,Design code of container terminal for sea port [S].

[4]苗輝，王汝凱，孫英廣，等.安哥拉洛比托港規(guī)劃與一期工程設計[J].水運工程，2014（2）：91-95. MIAO Hui,WANG Ru-kai,SUN Ying-guang,et al.Master plan and construction of port Lobito of Angola[J].Port&Waterway Engineering,2014(2):91-95.

[5]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.洛比托港擴建集裝箱碼頭工程地質(zhì)勘察報[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2006. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Geological investigation report on extension work for port of Lobito-Container Terminal[R]. Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2006.

[6]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.洛比托港擴建集裝箱碼頭工程初步設計報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2009. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Preliminary design report of extensionworkforportofLobito-ContainerTerminal[R].Guangzhou: CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2009.

[7]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

Structural design optimization for container wharf of Lobito Port expansion project in Angola

ZHAN Guang-cai,ZHANG Yong-kun
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

According to complicated geological conditions of the extension project of Lobito Port container terminal,based on the high piled beam-slab structure,we put forward multiple optimized structure types.Through the comparative analysis of them, we finally adopted the new type slant pile quay wall integrated structure,which combines the permeability of the high pile and the convenient for construction,and has solved the expansion problems of the deep-water wharf on complex geological conditions.

complex geology;expansion;pile wharf;slant pile quay wall;integrated structure

U656.135

A

2095-7874（2017）08-0068-05

10.7640/zggwjs201708016

2016-12-29

2017-03-02

詹廣才（1979—），男，湖北隨州人，高級工程師，主要從事港口工程結(jié)構(gòu)設計工作。E-mail：zhangc@fhdigz.com