高樁式碼頭的設計研究①

摘 要：在我國內陸城市發展中，內河碼頭發揮著至關重要和不可或缺的作用，如果港中斷，則給城市帶來的經濟損失是相當巨大的，同時社會影響也是極為惡劣的。本研究首先概述了高樁碼頭工程的經驗教訓，然后從減少施工工程量、抓住有利河況的時機兩個方面對高樁式碼頭優化設計措施進行了簡要的探討，以期有效促進工程費用的顯著降低、工期的有效縮短和結構安全度的顯著提升。

關鍵詞：高樁式碼頭 設計

中圖分類號：U656 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（c）-0044-02

深水碼頭有許多重要的結構形式，開敞式高樁墩式碼頭是其中極為重要的一種，無掩護河域是其建設的主要地點，同時大型的內河碼頭也是其建設的常地。波浪和建筑物的相互作用、結構空間受力分析等均是在設計開敞式高樁墩式碼頭時需要計算的方面，目前相關方面尚沒有完善的設計理論。本文就開敞式高樁墩式碼頭為例，對高樁式碼頭設計的若干問題做如下探討。

1 高樁碼頭工程的經驗教訓

（1）設計樁長過大，在工程實施的過程中大量截樁，浪費極大，造成這一現象的原因是相關人員不太清楚地質條件，事前沒有做相關試樁炎癥，沒有足夠的相似地質條件的沉樁經驗等；（2）樁的抗拔、抗壓承載力不足，造成這一現象的原因是水平力長期作用于樁基結構，受到沉樁能力的限制等。比如，鎮江老碼頭工程，上部結構直接承受著土壓力，導致在使用的過程中結構不斷開裂和位移，對碼頭的耐久性及正常使用帶來了嚴重的不良影響；（3）負摩擦嚴重影響著樁基碼頭。比如，上河港早期建成的一些碼頭，其堆場具有較大幅度的沉降，造成這一現象的原因是樁基具有較小的入土深度，而碼頭后方具有較大的回填作用，這種情況導致負摩擦力在碼頭樁基產生，從而使樁基沉降，上部結構開裂和位移，對碼頭的耐久性和正常使用帶來嚴重的不良影響。斜樁（指向碼頭后方）或直樁（緊鄰檔土結構）或樁帽開裂是最為常見的不良影響；（4）邊坡缺乏足夠的穩定性，損壞樁基。造成這一現象的原因是沒有恰當地處理地基。常見的情況是上部結構在邊坡位移后開裂，嚴重時樁基在邊坡失穩滑動的作用下被破壞；（5）在沉樁過程中出現短樁，破壞樁基局部等情況。造成這一現象的原因是預應力方樁在缺乏穩定質量的樁基的作用下偏心，同時局部混凝土的強度也嚴重不足，偏心錘擊或水錘錘擊在沉樁設備工作狀態不穩定的情況下發生；（6）樁基為形成整體就被臺風破壞。造成這一現象的原因是在施工過程中沒有給予防臺風工作以充分的重視。施工船舶撞擊、波浪流作用等均會損壞樁基；（7）碼頭具有過小的縱向剛度和過大的位移。造成這一現象的原因是縱向叉樁沒有被布置在結構端部段等窄短的受力平臺段，同時橫向叉樁的平面扭角又沒有得到合理的布置等；（8）混凝土在和河水環境的作用下過早開裂，結構使用年限很短，遠遠達不到設計要求。造成這一現象的原因是混凝土缺乏足夠的輕度密實性、鋼筋具有過小的保護層、接頭混凝土具有較差的質量等[1～3]。

2 開敞式高樁墩式碼頭設計過程中存在的問題

某開敞式引橋是設計主要控制荷載，具有較強的波浪力，設計波高是10.4 m。給予結構的使用和耐久性要求的有效滿足以充分的重視是原設計的主導思想，將出發點設為以維護、將試用期維修減少到最低限度，在開敞河域引橋結構的設置過程中，我們可以運用預應力混凝土梁結構，引橋的跨度設計為40 m即可，本引橋共有18跨，也就是720 m，然后分別布置這18跨對應的河上墩臺，用三根梁高為2.0 m的預應力混凝土T梁將這些墩臺連接起來，從而在一定程度上對引橋的跨度設計形成制約機制，使波浪作用于引橋上部結構混凝土梁的范圍得到極大程度的增加。突出山嘴是工程的地點所在，該山嘴沒有任何掩護，春季時具有較好的河況，但是多霧天氣，夏季時具有較強的涌浪，冬季時具有較大的風浪，從而促進了打樁船有效工作天數的極大程度減少。在項目實施的過程中，波浪在很大程度上會對沉樁造成不可避免的影響，打樁船很難順利打樁，即使是能夠打樁，也極易打卷樁頂，對正常沉樁造成嚴重的不良影響。此外，在施工過程中，高樁碼頭極易發生結構位移。今后設計、施工中亟待解決的一個重要問題就是尋找出是什么原因造成了碼頭的橫向水平位移、應該采取何種預防措施、怎樣有效控制沉降等。在對試樁進行沉樁之后，打樁船自始至終處于待工狀態，造成這一現象的原因是其沉樁效果不良，且靜載試樁承載力也不佳，遠遠達不到設計的相關要求，而海況在很長時間內都沒有得到有效的改善。這就告訴我們，要想使打樁船沉樁有效滿足設計及工期等的要求，一個極為必要的條件就是有優良的海況。

3 河上平臺沉樁方案

為了對河上風浪的不良影響進行有效的預防和避免，促使項目施工進度的有效加快，可以在打樁和上部結構施工時采用兩座配置有液壓打樁錘和吊機的升降式打樁平臺，其中一座是大型打樁平臺，采用專門設計和制作的打樁導架，將其固定在河上之后，將系攬墩的基樁搭設起來；另一座是中型打樁平臺，必要時需要對其進行改造和堅固，然后對引橋墩和工作平臺的基樁進行打設，打設時可以采用在平臺上固定的專門打樁導架。在進行平臺移位、起錨、拋錨等作業時可以運用拖輪、錨挺配合。還可以采用包括樁錘、液壓驅動系統等一套HHK-12和一套HHK-9液壓打樁錘配合打樁平臺打樁。將在河上工作地點固定好的打樁平臺提升到波浪不會對其造成不良影響的高度，使沉樁質量得到切實有效的保證；另一方面也可以將良好的工作條件提供給平臺工作人員。有縱向樁和橫向樁布置在每個引橋墩上，打設平臺的一個位置時墩臺正面；另一個位置是墩臺側面，需要進行再次的移位和升降。由于平臺的升降在平臺支腿結構弱于平臺本體的情況下極易受到波浪和水流力作用的直接影響，因此應該嚴加控制風浪，只有這樣才能順利完成平臺的升降和移位過程。在開敞的、具有較大波浪的海域中，這是升降式打樁平臺工作的一個弱點。其他設備賴以發揮作用的必要條件就是平臺能夠就位打樁，而順利打樁也能對工期進行有效的控制。

4 高樁式碼頭優化設計措施

4.1 減少施工工程量

運用預應力混凝土T梁建40 m跨度的原引橋，使原引橋的耐久性得到切實的保證，盡量不要采用鋼結構，以對給維護帶來各種不必要的麻煩的情況進行有效的預防和避免。但是，樁基的工程數量和上部結構的工程數量、材料費用會在引橋跨度低于40 m的情況下增加，施工時間也會被無限制地延長，這是由墩臺數量增加、平臺移位及打樁數量增加造成的必然結果，造成不可彌補的巨大經濟損失。如果將原有的沉樁工藝用平臺和大批配套設備替換掉，那么就會明顯破壞小跨度引橋方案的合理性，這樣會在一定程度上增加工程費用，延長工期等[4]。因此，施工方應該盡量運用大跨度的結構方案，因為該方案是和引橋的特點相適應的，比如，需要面對較大的波浪力、本身具有較小的使用負載、設備資金投入和基礎造價較高、工期較緊迫等。要想使墩臺和鋼管樁數量和平臺就位次數明顯減少，最大限度地縮短工期，可以將墩臺的寬度增加到80 m[5～8]。

在施工過程中應該避免設置上部結構為預應力混凝土結構，大跨度鋼結構應該成為其上部結構設置的首選，并采取必要的措施加強防腐工作，只有這樣才能有效配合大跨度結構方案。運用原來54條預應力混凝土梁的1/6的鋼結構，雖然需要加大安裝的起重船，但是能夠促進安裝數量的顯著減少和工期的有效縮短。將上部結構設置為大跨度鋼結構，預應力混凝土T梁的高度明顯高于只有0.3 m高的結構下弦桿的高度，通常情況下上部結構不會受到波浪的不良影響，同時剛結構所具有的抗沖擊力是極強的，結構的安全能夠在這種情況下得到切實的保證。

4.2 抓住有利河況的時機

如果開敞河域的河況較為惡劣，則應該時刻把握河況良好時的時機，從而將一個墩臺的施工問題有效解決掉，否則將會使工期延誤1天以上，施工方就需要付出極大的代價[9]。監理工程師在施工的過程中應該充分重視各方面的緊密合作關系，處理好業主、施工方、設計等各方面的關系，將富有成效的意見和建議及時提出來，將全部工作的中心設為打樁，從而良好保護設備，避免被損壞；最大限度地合理應用材料，避免材料浪費造成后續施工材料不足的現象；督促相關人員積極有效地開展工作，不因個別人沒到場而耽擱工期等。堅持定期觀察河況并注意天氣變化，把握好夏季到夏初的有利時機，從而按期完成平臺的移位就位、安裝、沉樁等工作[10]。

4.3 其他優化對策

（1）由于原設計布置中具有過大數量的直樁和過少數量的叉樁，同時靠泊船舶也會在一定程度上對泊位工作平臺產生撞擊作用，因此可以用2根直樁和1對叉樁替代原有的4根直樁，使2對叉樁分布于每個排架上，從而將船舶撞擊力過大的問題很好地解決掉；（2）有礁盤分布在防波提部分，具有較大的地形起伏和較復雜的變化，在這種情況下可以將成片礁石直接利用起來，將其作為防浪墻的基礎，將錨桿打設在其表面之后對防浪墻進行認真細致的澆筑，從而最大限度地減少工程量。用礁石將護面結構直接構筑起來，然后將支護結構設置在扭王塊的邊緣部位，這些扭王塊是在礁盤上分布著的，從而對扭王塊的失穩或位移進行有效的預防和避免。經實踐證明，該優化設計方案中結構、工程費用及效果等均是符合實際且令人滿意的；（3）有很多不利情況存在于墩臺位置的設置過程中，比如，巖體破碎、巖體前方坡度過陡等，而相鄰處的一塊突出的花崗巖，可以作為19#墩臺的基礎，這是因為其具有完整的整體結構和較為龐大的體積。同時還需要將引橋和管線的一個小角度做一下改變，只有這樣才能很好地配合上述移位，同時也不會對使用和施工造成不良影響；（4）由于斜樁是本工程的全部樁基，在沉樁的過程中運用液壓錘直接套在斜樁上，松開接近設計標高后的包裝器。在錘擊過程中，由于樁身會發生搖晃，不可避免會造成錘擊偏心的現象，因此會造成動態監測數據的一些誤差，是樁錘貫入能力受到一些工程技術人員的不信任。我們可以在打樁平臺接近原工程試樁位置時驗證樁錘，復打驗證直樁。如果在復打開始時，達到了10瀏對擊的試樁貫入度，打進1 m后仍然無法終錘，那么則可以認為樁錘能力和沉樁控制標準是符合要求的。

5 工程效果

運用上述優化設計措施涉及的高樁式碼頭具有令人滿意的效果，工期得到了極大的縮短，工程費用也得到了最大限度的降低，調整方案及時可行且極易實施，得到了各方面的普遍認可。設計單位針對工程實際情況對上述優化措施進行了更進一步的優化，在條件允許的情況下將每個墩臺的樁數去掉了2根，同時將原有的混凝土立柱用鋼管支柱替換掉，使工程費用得到了進一步的減少，更加有利于施工的設計效果，在各方的共同努力下，施工任務最終順利按期完成。

總之，上部結構的設計受到樁基的選型的直接而深刻的影響，施工方必須依據實際地質情況、工期要求及施工機等將合理的樁型選擇出來。將集裝箱起重機放置在碼頭岸邊時，軌道梁的極限承載力明顯大于其作用效應組合值，安全儲備很大，安全使用的要求完全能夠得到有效的滿足。但是在一些工況下，衡量負彎炬的極限承載力得不到其作用效應組合值的有效滿足，這時就應該在使用之前加固，只有這樣才能使使用安全得到切實的保證。作為工程設計者，我們應該積極總結經驗教訓，然后采取有效措施順利完成高樁式碼頭設計。

參考文獻

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