金泰賽，吳加武

(廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510050)

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)形式，具備耐久性好、受荷能力強(qiáng)、對超荷不敏感等優(yōu)點(diǎn)。重力式碼頭由基礎(chǔ)將通過墻身傳來的外力擴(kuò)散到較大范圍地基上[1]，因此重力式碼頭對地基持力層有一定要求，持力層一般須選在密實(shí)砂層、巖層或者地基承載力較高的混合土層。在表層為淤泥或淤泥質(zhì)土層地區(qū)建設(shè)重力式碼頭，基槽開挖深度一般較大。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水運(yùn)等交通基建工程迎來了較快的發(fā)展機(jī)遇，沿海和內(nèi)河碼頭吞吐量每年都呈穩(wěn)步上升趨勢，亟需在沿海及內(nèi)河建立更大噸級的泊位，以滿足港區(qū)吞吐量及后方經(jīng)濟(jì)腹地的發(fā)展需求?，F(xiàn)階段優(yōu)質(zhì)岸線已被不斷開發(fā)利用，為充分利用寶貴的岸線資源，非優(yōu)質(zhì)岸線也需進(jìn)一步開發(fā)，部分碼頭工程需在較不利的邊界條件下實(shí)施。在邊界條件復(fù)雜、有相鄰已建工程條件下建設(shè)重力式碼頭，基槽放坡開挖勢必影響相鄰已建工程安全穩(wěn)定，對相鄰已建工程的有效防護(hù)是重力式碼頭能否實(shí)施的關(guān)鍵性因素。

1 工程概況

工程位于陽江港海陵灣港區(qū)吉樹作業(yè)區(qū)，建設(shè)2個(gè)3 000噸級多用途泊位，并兼顧靠泊5 000噸級船舶，碼頭總長度254 m。碼頭北側(cè)為在建J3#～J6#泊位，南側(cè)為已建的某基地。為減少開挖對已建工程的影響，碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)+樁基墩臺結(jié)構(gòu)。其中重力式結(jié)構(gòu)段長210.9 m，樁基墩臺結(jié)構(gòu)段長43.1 m(圖1)。重力式段碼頭前沿頂高程5.0 m，底高程-8.1 m，沉箱底高程-12.0 m，基槽開挖底高程-14.0 m(圖2)。某基地北護(hù)岸(斜坡式)距離本工程重力式結(jié)構(gòu)段基槽邊界最小距離為16.8 m，北護(hù)岸原泥面高程-1.2 m、頂高程5.0 m。重力式碼頭基槽開挖深度大，對某基地北護(hù)岸將造成不利影響，必須采取工程措施進(jìn)行加固處理。

圖1 局部平面布置(單位：m)

注：N為標(biāo)貫擊數(shù)，h為貫入深度(m)。

2 設(shè)計(jì)條件

2.1 設(shè)計(jì)水位(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚?

設(shè)計(jì)高水位3.39 m，設(shè)計(jì)低水位0.51 m，極端高水位4.59 m，極端低水位-0.29 m，施工水位2.00 m。

2.2 工程地質(zhì)

碼頭擬建場區(qū)上覆土層為淤泥質(zhì)土或砂性土、花崗巖風(fēng)化殘積層，下伏全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖(圖3)。土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 地質(zhì)橫向剖面

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 工程特點(diǎn)

為了最大程度利用規(guī)劃岸線，靠近某地基碼頭區(qū)域已在樁基墩臺段進(jìn)行銜接處理，某基地北護(hù)岸(斜坡式護(hù)岸)前沿線距重力式段基槽開挖邊界最小距離為16.8 m。根據(jù)地質(zhì)條件，結(jié)合周邊重力式碼頭基槽開挖邊坡確定為1:3，如放坡開挖，北護(hù)岸結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致垮塌。因此，對北護(hù)岸的有效防護(hù)是重力式結(jié)構(gòu)段能否成功實(shí)施的關(guān)鍵。

該支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1)支護(hù)周期短。支護(hù)周期為碼頭基槽開挖至沉箱后方回填的時(shí)間。2)支護(hù)高差大?；坶_挖深度大，支護(hù)結(jié)構(gòu)前后最大高差約18 m。3)施工難度大?；靥罡叱?.3 m，回填材料有塊石、素填土等，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型需考慮可實(shí)施性。

3.2 工程目標(biāo)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)支護(hù)期為6個(gè)月。

工程目標(biāo)：確保碼頭基槽開挖至后方回填完成期間相鄰的北護(hù)岸結(jié)構(gòu)安全，不發(fā)生失穩(wěn)破壞。

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：碼頭基槽開挖期間，累計(jì)水平位移不大于60 mm、水平位移變化速率不大于5 mm/d。

3.3 支護(hù)方案比選

3.3.1支護(hù)方案1：雙排鋼板樁結(jié)構(gòu)

采用U形組合雙排鋼板樁(CRP-U-1651)，樁頂部對拉焊接槽32b型導(dǎo)梁，縱向每隔2.4 m設(shè)置一道H型鋼架梁(高200 mm×寬204 mm)，以達(dá)到連接前后墻協(xié)同受力的目的，樁頂高程4.0 m，樁底高程-16.0 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)后方一定范圍內(nèi)采用φ600 mm@1 500 mm高壓旋噴樁加固，以減少墻后土壓力(圖4)。

圖4 雙排鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)

3.3.2支護(hù)方案2：密排灌注樁結(jié)構(gòu)

前排采用φ1 500 mm@1 900 mm密排灌注樁，縫間采用φ600 mm高壓旋噴樁封堵，后排采用φ1 500 mm@5 700 mm灌注樁。樁頂高程0.5 m，樁底高程-19.0 m。樁頂現(xiàn)澆混凝土帽梁，高1.5 m。前后排結(jié)構(gòu)通過現(xiàn)澆混凝土聯(lián)系梁相連，聯(lián)系梁高0.8 m(圖5)。

圖5 密排灌注樁支護(hù)方案

3.3.3支護(hù)方案3：注漿微型鋼管樁結(jié)構(gòu)

微型樁是19世紀(jì)50年代由意大利人Lizz提出，并被Fondedile公司首先開發(fā)利用。目前，微型樁已被大量應(yīng)用在邊坡抗滑、基坑圍護(hù)、軟土地基加固、建筑基礎(chǔ)加固等領(lǐng)域，取得了較多的研究成果[2-3]。微型注漿鋼管樁是利用地質(zhì)鉆機(jī)鉆出直徑10～30 cm鉆孔，然后在鉆孔中植入管壁帶孔的小鋼管及注漿管道，回填碎石或瓜米石，采用一定壓力將水泥漿注入硬化形成一種新型的微型樁結(jié)構(gòu)。注漿微型鋼管樁結(jié)構(gòu)采用二次注漿工藝，漿液以壓力填充及擠密等方式將樁身及樁周土體加固，改善地基的整體性能，形成整體性好、力學(xué)性能優(yōu)、化學(xué)穩(wěn)定性好的結(jié)合體。注漿微型鋼管樁加固后的地基由樁體、樁周土體構(gòu)成，一方面樁身發(fā)揮軸向承載力，鋼管起抗拉、抗壓、抗剪作用；另一方面壓力注漿改善了部分樁周天然土體的性質(zhì)，提高了原地基土強(qiáng)度和模量，加強(qiáng)地基穩(wěn)定性。

本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)基槽開挖深度分段設(shè)計(jì)。支護(hù)段1采用7排φ150 mm@800 mm微型樁，寬4.95 m，微型樁后方采用φ600 mm@1 200 mm高壓旋噴樁加固；支護(hù)段2采用8排φ150 mm@800 mm微型樁，寬5.75 m；支護(hù)段3采用6排φ150 mm@800 mm微型樁，寬4.15 m；支護(hù)段4采用5排φ150 mm@800 mm微型樁，寬3.35 m。各區(qū)段前排微型樁間均采用φ600 mm高壓旋噴樁封堵。微型樁樁頂高程為2.0 m，樁底高程根據(jù)開挖深度不同，為-19.0～-16.0 m，頂部現(xiàn)澆厚300 mm鋼筋混凝土面層將各微型樁連成一體(圖6、7)。

圖6 注漿微型鋼管樁加固平面布置

圖7 注漿微型鋼管樁岸坡加固典型斷面(開挖底高程-14 m)

3.4 方案比選

方案1(雙排鋼板樁結(jié)構(gòu))工程造價(jià)較低，但支護(hù)區(qū)回填塊石、護(hù)面塊石較多，鋼板樁需引孔才能沉樁，實(shí)施性較差；方案2(密排灌注樁結(jié)構(gòu))可實(shí)施性強(qiáng)，不受地基限制，但是造價(jià)較高、成孔時(shí)間長、施工進(jìn)度較慢。方案3(注漿微型鋼管樁結(jié)構(gòu))具有施工設(shè)備小、施工速度快、施工質(zhì)量可靠、對環(huán)境影響小、樁長和樁截面尺寸容易調(diào)節(jié)的特點(diǎn)[4-6]。微型鋼管樁除了自身鋼管具有良好的抗壓、抗拉和抗剪能力外，漿液在孔內(nèi)與碎石骨料膠結(jié)成樁，提高樁側(cè)阻力，同時(shí)漿液向周圍土體滲透，改善樁周土性質(zhì)，使樁和樁周土形成一個(gè)整體性較好的復(fù)合地基結(jié)構(gòu)。通過小間距多排布置，加固的底部整體性好、形成強(qiáng)度大的結(jié)合體，在樁頂部澆筑鋼筋混凝土面板可將各樁上部連成整體，協(xié)同底部受力及變形。

綜合對比，本工程碼頭基槽開挖支護(hù)采用注漿微型鋼管樁結(jié)構(gòu)。

4 推薦方案計(jì)算結(jié)果

4.1 墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

注漿微型鋼管樁注漿后可形成整體性較好的結(jié)構(gòu)，可視作擋土墻，按照規(guī)范[7]相關(guān)規(guī)定計(jì)算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)果見表2。

表2 墻體抗傾、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.2 構(gòu)件應(yīng)力

受土壓力作用，墻身表現(xiàn)出前部受壓、后部受拉的特點(diǎn)。為簡化計(jì)算及保證結(jié)構(gòu)安全，計(jì)算截面應(yīng)力時(shí)不考慮樁身混凝土及樁周加固土體的抗拉、抗壓和抗剪作用，拉力、壓力、剪力均由鋼管承擔(dān)；樁身混凝土及樁間加固土體僅對鋼管起約束及聯(lián)結(jié)作用，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼管截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.3 整體穩(wěn)定性

岸坡整體穩(wěn)定性計(jì)算考慮微型樁中鋼管的抗剪作用，Q235鋼管外徑89 mm、壁厚6 mm。采用圓弧滑動(dòng)總應(yīng)力法進(jìn)行驗(yàn)算，為保證支護(hù)期安全，考慮極端低水位和護(hù)岸后方有堆載的最不利組合。計(jì)算得抗力系數(shù)為1.664(圖8)，滿足規(guī)范[8]要求。

圖8 岸坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

4.4 水平位移

采用有限元軟件建立數(shù)值模型，墻體采用實(shí)體單元模擬。采用m法模擬墻體-14.0 m以下入土段的墻土作用。計(jì)算得墻體頂部最大水平位移為27 mm。水平位移呈現(xiàn)自上而下逐步減小的特點(diǎn)，類似懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征見圖9。

圖9 位移計(jì)算結(jié)果

5 加固效果

采用低應(yīng)變法檢測樁身完整性，質(zhì)量判定為I類樁，樁身完整性好。

支護(hù)結(jié)構(gòu)前沿設(shè)置3根深層位移測斜管(圖10)，監(jiān)測頻率為1次/d。監(jiān)控基槽開挖至碼頭陸域回填整個(gè)施工過程的變形情況。

圖10 監(jiān)測平面布置

深層測斜管監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示(圖11)，施工期水平位移變化速率為3.0～4.5 mm/d，在控制值5 mm/d以內(nèi)。最大累計(jì)水平位移約為30 mm，與理論計(jì)算結(jié)果較為接近，亦在控制值60 mm以內(nèi)。變形曲線呈現(xiàn)出懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)上大下小的特征，說明地基經(jīng)過多排注漿微型鋼管樁加固后，形成一個(gè)剛度較大的類似擋土墻結(jié)構(gòu)。

圖11 深處水平位移測斜管變形曲線

綜上，本工程采用注漿微型鋼管樁是合理可行的。

7 結(jié)語

1)本工程采用多排布置的注漿微型鋼管樁作為重力式碼頭基槽開挖的支護(hù)結(jié)構(gòu)，利用壓力注漿的聯(lián)結(jié)效應(yīng)和植入鋼管提供抗力，經(jīng)實(shí)踐證明是有效可行的。

2)多排布置的注漿微型鋼管樁結(jié)構(gòu)可參考重力式擋墻計(jì)算抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性；考慮鋼管的抗拉、抗壓和抗剪作用計(jì)算構(gòu)件應(yīng)力和岸坡穩(wěn)定性。支護(hù)期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全穩(wěn)定。

3)加強(qiáng)微型樁結(jié)構(gòu)施工過程的質(zhì)量控制，確保成樁質(zhì)量滿足要求。