碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程的技術(shù)要求和方法

邢 堯，高凌霄

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司 大連分公司，遼寧 大連 116001）

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碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程的技術(shù)要求和方法

邢 堯，高凌霄

（中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司 大連分公司，遼寧 大連 116001）

摘要：為保證港口作業(yè)安全，節(jié)約岸線資源，交通運(yùn)輸部于2009年開(kāi)展沿海港口碼頭加固改造工作。本文以大連某碼頭工程為例，淺析了碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程方案設(shè)計(jì)要求與方法，以期為今后類似的方案設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：碼頭結(jié)構(gòu)加固改造；岸線利用；結(jié)構(gòu)復(fù)核

引 言

為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，節(jié)約岸線資源，保證港口作業(yè)安全，交通運(yùn)輸部在2006年沿海港口靠泊能力核查工作和沿海港口碼頭改造試點(diǎn)工作的基礎(chǔ)上，于2009年開(kāi)展了沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工作。沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造的主要范圍是：對(duì)原交通部和各省級(jí)交通主管部門在2006年靠泊能力核查中給予緩沖期的泊位，如需繼續(xù)靠泊超過(guò)原設(shè)計(jì)船型船舶的，必須進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)加固改造；對(duì)原交通部和各省級(jí)交通主管部門在2006年靠泊能力核查中給予核準(zhǔn)的泊位，鼓勵(lì)進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)加固改造；對(duì)2006年1月1日后經(jīng)有關(guān)交通主管部門竣工驗(yàn)收合格，但不能滿足生產(chǎn)要求，需靠泊超過(guò)原設(shè)計(jì)船型船舶的，可申請(qǐng)進(jìn)行碼頭結(jié)構(gòu)加固改造。

1 碼頭結(jié)構(gòu)加固改造有關(guān)原則及內(nèi)容要求

1.1有關(guān)原則

1）以改造后確保安全、地基基礎(chǔ)穩(wěn)定為原則。加固改造項(xiàng)目不涉及到泊位安全等級(jí)以及碼頭使用功能的變化。

2）加固改造項(xiàng)目不允許新增岸線。碼頭加固改造是在原有碼頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行少量的結(jié)構(gòu)改造工程，需要新增岸線的項(xiàng)目將不認(rèn)為是加固改造項(xiàng)目。

3）碼頭結(jié)構(gòu)加固改造方案中，應(yīng)以擬靠泊的最大設(shè)計(jì)代表船型滿載靠泊作為碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

4）符合報(bào)送碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程的泊位，在加固改造方案報(bào)送前必須完成竣工驗(yàn)收。

5）碼頭結(jié)構(gòu)加固改造項(xiàng)目宜大不宜小、宜普不宜危，3 000 t以下碼頭建議走發(fā)改委項(xiàng)目審批程序或技改程序。

6）申報(bào)加固改造項(xiàng)目的企業(yè)應(yīng)有迫切的需求性和充分的必要性。

1.2 改造工程方案的技術(shù)要求

1）總平面布置

加固改造的碼頭工程不得增加使用新的港口岸線，如需增加港口岸線需辦理相關(guān)審批手續(xù)，碼頭前沿線位置原則上不得改變。

碼頭前沿水下地形資料應(yīng)采用最新測(cè)量資料，資料年限原則上不應(yīng)早于2009年。

2）裝卸工藝

碼頭結(jié)構(gòu)加固改造不涉及裝卸貨種、運(yùn)能的變化，但需核算現(xiàn)有裝卸設(shè)備是否滿足最大設(shè)計(jì)船型裝卸的要求。

3）水工建筑物

碼頭結(jié)構(gòu)加固改造方案中，應(yīng)以擬靠泊的最大設(shè)計(jì)代表船型滿載靠泊作為碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面高程取值標(biāo)準(zhǔn)，原則上應(yīng)按設(shè)計(jì)低水位下最大設(shè)計(jì)船型滿載吃水考慮。結(jié)合航道、岸坡情況，碼頭前沿水深可不強(qiáng)制要求達(dá)到設(shè)計(jì)水深。

加固改造方案應(yīng)列出原碼頭設(shè)計(jì)荷載及參數(shù)取值，關(guān)于工藝荷載標(biāo)準(zhǔn)，如不涉及裝卸設(shè)備的改變，則工藝荷載取值可以參考原設(shè)計(jì)，但不得低于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；船舶荷載計(jì)算應(yīng)按規(guī)范要求取值，且不得包含限定條件。

如利用原有碼頭結(jié)構(gòu)，應(yīng)復(fù)核原結(jié)構(gòu)現(xiàn)有樁基、上部結(jié)構(gòu)、水平位移等是否滿足規(guī)范要求；如原有結(jié)構(gòu)不滿足最大設(shè)計(jì)船型滿載靠泊要求，需增設(shè)新結(jié)構(gòu)段的，應(yīng)補(bǔ)充新增結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)力計(jì)算。

按照加固改造設(shè)計(jì)泥面高程，補(bǔ)充復(fù)核碼頭岸坡整體穩(wěn)定。

4）加固改造設(shè)計(jì)單位應(yīng)對(duì)碼頭檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的受損構(gòu)件提出修復(fù)方案；對(duì)因檢測(cè)（如混凝土取芯、基樁完整性檢測(cè)等）導(dǎo)致的碼頭結(jié)構(gòu)局部破損，提出相應(yīng)的修復(fù)措施。

2 碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程案例

2.1 概況

擬加固改造工程系大連市某3 000 t級(jí)油品裝卸碼頭兩座，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力80萬(wàn)t。碼頭主體結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。每座碼頭平臺(tái)長(zhǎng)59 m，寬15 m。樁基均采用φ1 200 mm嵌巖灌注樁；棧橋尺寸1號(hào)碼頭為69.6 m×7 m，2號(hào)碼頭為103.6 m×7 m，樁基采用φ800 mm嵌巖灌注樁；平臺(tái)兩側(cè)各設(shè)2 個(gè)8.5 m×6.5 m系纜墩，樁基采用φ1 500 mm嵌巖灌注樁；系纜墩與碼頭平臺(tái)之間采用1.2 m寬人行鋼過(guò)橋相連，每座碼頭的泊位長(zhǎng)度均為155 m，碼頭面高程為3.75 m（85高程），碼頭前泥面高程-13.6 m（85高程）。碼頭平臺(tái)與系纜墩上均設(shè)置550 kN系船柱。

圖1 碼頭現(xiàn)狀

考慮到工程所在地水深條件較好，原工程在設(shè)計(jì)時(shí)已為日后停靠更大船型提供了結(jié)構(gòu)預(yù)留。現(xiàn)業(yè)主公司對(duì)其所屬部分的2#碼頭泊位進(jìn)行加固改造，將原有3 000 t級(jí)油船泊位加固改造為10 000 t級(jí)油船泊位。

表1 設(shè)計(jì)船型主尺度

2.2 自然條件

1)水文

設(shè)計(jì)水位（85國(guó)家高程系統(tǒng)）：設(shè)計(jì)高水位1.82 m；設(shè)計(jì)低水位-1.38 m；極端高水位3.20 m；極端低水位-2.39 m。

該水域大潮最大流速81 cm/s，流向193°，推算最大流速113 cm/s，流向203°。

本工程港址所在地掩護(hù)良好，全年≥0.6 m波高頻率為5.4 %，年平均波高為0.2 m。據(jù)附近實(shí)測(cè)資料，當(dāng)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)，最大浪高H=1.7 m，最大周期為5.3 s。計(jì)算波浪條件時(shí)按有掩護(hù)的碼頭考慮。

2)工程地質(zhì)

勘察結(jié)果表明，本場(chǎng)地不存在不利于場(chǎng)地穩(wěn)定的斷層、斷裂構(gòu)造和軟巖夾層、古滑坡體、巖溶洞穴等不良地質(zhì)現(xiàn)象，場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定性較好，場(chǎng)地和地基穩(wěn)定。本工程選擇中風(fēng)化巖層作為樁基持力層。

2.3 工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果

為了給本工程的改造方案提供依據(jù)，業(yè)主委托檢測(cè)公司對(duì)碼頭進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果為：

1）碼頭外觀整體情況基本完好，個(gè)別基樁樁頂混凝土及防腐涂層脫落。

2）碼頭沉降、位移較小，未發(fā)生不均勻沉降和傾斜。

3）碼頭主要構(gòu)件各項(xiàng)耐久性參數(shù)正常：混凝土強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)等級(jí)要求，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)可采用原設(shè)計(jì)值；混凝土碳化深度遠(yuǎn)小于保護(hù)層厚度；各區(qū)域構(gòu)件在設(shè)計(jì)鋼筋位置處的氯離子含量均低于臨界值；保護(hù)層厚度基本滿足原設(shè)計(jì)要求；完好構(gòu)件的鋼筋未發(fā)生銹蝕，結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)鋼筋強(qiáng)度可取原設(shè)計(jì)值。

4）碼頭基樁泥面處無(wú)明顯淤積。碼頭基樁完整性總體情況良好，無(wú)Ⅱ類、Ⅲ類或Ⅳ類樁。

5）碼頭接岸結(jié)構(gòu)外觀完好，無(wú)明顯錯(cuò)位、坍陷現(xiàn)象，混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)破損、裂縫、露筋等情況。接岸結(jié)構(gòu)沉降、位移均微小，基礎(chǔ)完好，無(wú)沖刷、淘空等情況。

6）碼頭岸坡穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變形，外觀完好，無(wú)明顯滑移、坍陷、破損等情況。

7）碼頭部分橡膠護(hù)舷、系船柱、護(hù)輪檻等停靠船防護(hù)設(shè)施均完好。

8）各泊位前沿水深無(wú)明顯淤積。

2.4 總平面布置方案

1）平面布置方案一

圖2 碼頭總平面布置方案一

改造工程總平面布置計(jì)劃在原2#碼頭的基礎(chǔ)上，在原1#碼頭與2#碼頭之間，新建一座系纜墩，系纜墩上設(shè)置550 kN系船柱，通過(guò)使用新建系纜墩達(dá)到停靠10 000 t級(jí)油船的要求。新建系纜墩在業(yè)主公司兩座碼頭之間，不屬于新增岸線。新建系纜墩后，碼頭長(zhǎng)度增加為181.7 m。

2）平面布置方案二

改造工程總平面布置計(jì)劃在原2#碼頭的基礎(chǔ)上，直接在1#碼頭最南端的系纜墩上新建一座550 kN快速脫纜鉤，通過(guò)使用快速脫纜鉤達(dá)到停靠10 000 t級(jí)油船的要求。使用1#碼頭系纜墩后，2#碼頭長(zhǎng)度增加為207.2 m。

其余結(jié)構(gòu)形式與方案一相同。

圖3 碼頭總平面布置方案二

3）平面方案比選

平面方案一碼頭平面布置對(duì)稱、合理，但需要在兩座碼頭之間新建一座系纜墩，較方案二造價(jià)高，需要辦理用海手續(xù)。

平面方案二較方案一投資少，施工簡(jiǎn)單，但帶纜方式復(fù)雜，實(shí)際可操作性不高，故本工程推薦平面布置方案一。

2.5 水域尺度核算

1）碼頭長(zhǎng)度核算

對(duì)于有單個(gè)一字型布置的泊位，泊位長(zhǎng)度可按下式確定：Lb=L+2d。

式中：設(shè)計(jì)船長(zhǎng)L為141 m；富裕長(zhǎng)度d取14 m；經(jīng)計(jì)算，Lb=169 m。

現(xiàn)有2#泊位長(zhǎng)度為155 m，利用1#碼頭系纜墩后（總平面方案二），碼頭長(zhǎng)度為207.2 m，可以滿足10 000 t級(jí)油船停靠要求。如在1#與2#碼頭間新建系纜墩（總平面方案一），則碼頭長(zhǎng)度增加為181.7 m，也滿足要求。

與其相鄰的1#泊位長(zhǎng)度為155 m，結(jié)構(gòu)加固改造后兩泊位間的船舶間距為90 m，《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》4.4.3要求相鄰油品泊位的船舶間距不小于35 m，滿足要求。

2）碼頭頂面高程

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.8條，本工程碼頭頂面頂高程應(yīng)分別按上水標(biāo)準(zhǔn)和受力標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算。

按基本上水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：E=設(shè)計(jì)高水位H+ （1.0~2.0）m=1.82+(1.0+2.0)=2.82~3.82 m。

按復(fù)核上水標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：E=極端高水位H+ （0.0~0.5）m=3.20+(0.0+0.5)=3.20~3.70 m。

按受力標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算：E=DWL+η－h(huán)0+ΔF+h= 1.82+0.9－2.32+（0~1.0）+2.55=2.95~3.95 m。

根據(jù)以上公式計(jì)算，碼頭前沿高程應(yīng)取3.20 m以上，現(xiàn)碼頭頂高程為3.75 m，滿足規(guī)范要求。

3）碼頭前沿設(shè)計(jì)水深

碼頭前沿設(shè)計(jì)水深是指在設(shè)計(jì)低水位以下的保證設(shè)計(jì)船型在滿載吃水情況下安全停靠的水深，根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.12條，其深度按下式確定：

碼頭前沿設(shè)計(jì)水深：D=T+Z1+Z2+Z3+Z4；經(jīng)計(jì)算，E=-10.6 m。則碼頭前沿底高程取-10.6 m，根據(jù)現(xiàn)有水深測(cè)圖，2#碼頭前沿實(shí)際水深-13.6 m。滿足要求。

4）其他

經(jīng)核算，碼頭停泊水域、回旋水域、制動(dòng)水域、航道有效寬度、航道設(shè)計(jì)水深等條件，均滿足10 000 DWT油船的使用條件。

2.6 主要外力計(jì)算結(jié)果及核算

經(jīng)核算，10 000 t級(jí)油船滿載時(shí)為本工程控制工況，對(duì)應(yīng)的主要外力計(jì)算結(jié)果如下：

1）船舶上風(fēng)荷載

風(fēng)壓力按9級(jí)風(fēng)，V=23 m/s考慮。

經(jīng)計(jì)算：橫風(fēng)作用下Fxw=235.7 kN；Fyw=0 kN。

縱風(fēng)作用下Fxw=0 kN；Fyw=72.7 kN。

2）船舶上水流力

按估算最大流速計(jì)算，估算大潮最大流速113 cm/s，流向203°。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)xc=406.2 kN，F(xiàn)yc=221.0 kN。

3）船舶系纜力

經(jīng)核算，9級(jí)橫風(fēng)，同時(shí)水流流速1.11 m/s，流向角26°同時(shí)出現(xiàn)時(shí)為系纜力的控制工況，對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，單個(gè)系船柱系纜力的標(biāo)準(zhǔn)值N=451.6 kN。

通過(guò)上述計(jì)算，現(xiàn)有系船柱設(shè)計(jì)荷載為550 kN，系船設(shè)施滿足升級(jí)使用要求。

4）其他

經(jīng)核算擠靠力、撞擊力等其余指標(biāo)，碼頭現(xiàn)有靠船設(shè)施也滿足10 000 DWT油船停靠舶的使用要求。

2.7 主要作用與結(jié)構(gòu)核算結(jié)果

根據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS167-1-2010），2#碼頭原結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 2#碼頭樁基核算

表3 2#碼頭橫梁核算結(jié)果

1#碼頭系纜墩結(jié)構(gòu)核算時(shí)，設(shè)計(jì)考慮在9級(jí)橫風(fēng)與最大水流力同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，新建550 kN快速脫纜鉤承受2#碼頭10 000 t級(jí)油船系纜力，同時(shí)系纜墩上原有550 kN系船柱承受1#碼頭3 000 t級(jí)油船系纜力的受力狀況。

經(jīng)計(jì)算，系纜墩核算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 系纜墩樁基計(jì)算結(jié)果

經(jīng)以上核算，原碼頭結(jié)構(gòu)滿足停靠10 000 t級(jí)油船的使用要求。

3 關(guān)于碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程的些許心得

1）由于“碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程方案”編制的相關(guān)內(nèi)容應(yīng)同時(shí)達(dá)到工程可行性研究和初步設(shè)計(jì)階段的深度要求。在方案編制的過(guò)程中，除了要重視碼頭結(jié)構(gòu)核算外，對(duì)于加固改造可行性與必要性的論述也應(yīng)足夠重視。

2）加固改造方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)照改造加固原則嚴(yán)格執(zhí)行，方案設(shè)計(jì)注意嚴(yán)格不增加岸線。

3）近幾年港口工程規(guī)范更新較快，應(yīng)注意使用新規(guī)范對(duì)原有碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核。

4 結(jié) 語(yǔ)

碼頭加固改造是國(guó)家建立資源節(jié)約型社會(huì)，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要，節(jié)約岸線資源的重要手段之一。大連市某石化公司碼頭結(jié)構(gòu)加固改造工程方案是我們對(duì)結(jié)構(gòu)碼頭改造工程的初次試水，工程設(shè)計(jì)過(guò)程中我們力求達(dá)到結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定與造價(jià)最低的結(jié)合統(tǒng)一。希望本文對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)加固改造及類似的減載靠泊設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的參考價(jià)值。

專利名稱：邊長(zhǎng)為700 mm的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁

專利類型：實(shí)用新型

專 利 號(hào)：ZL 2013 2 0507301.4

專利權(quán)人：中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司

技術(shù)領(lǐng)域：本實(shí)用新型涉及樁基工程結(jié)構(gòu)技術(shù)，特別是一種邊長(zhǎng)為700 mm的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。

專利摘要：本實(shí)用新型提供一種邊長(zhǎng)為700 mm的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁，該空心方樁外形截面為方形，空心方樁的樁身為樁頂實(shí)心部分、中間空心部分、樁底實(shí)心部分，樁頂實(shí)心部分上面設(shè)有后澆的樁帽，空心為圓形，空心方樁的樁體內(nèi)設(shè)有鋼筋，所述樁底實(shí)心部分設(shè)有鋼筋混凝土樁尖。本實(shí)用新型的效果是該預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁的抗彎、抗壓承載能力和單樁垂直極限承載力較650 mm×650 mm的混凝土方樁均有所提升，可以達(dá)到7 000 kN以上，比相同截面積圓樁具有更大的摩阻力，又在造價(jià)上較大直徑管樁更為經(jīng)濟(jì)。該預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁外形為方形，利于配筋，堆放和儲(chǔ)藏方便安全，施工速度快，工程質(zhì)量高。

Technical Methods and Requirements for Wharf Structure Reinforcing and Reconstruction Project

Xing Yao, Gao Lingxiao
(Dalian Branch of Tianjin Port Engineering Design & Consulting Co., Ltd. of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd., Dalian Liaoning 116001, China)

Abstract:In order to guarantee the safety of port operation and save shoreline resource, the Ministry of Transport carried out the coastal wharf reinforcing and reconstruction work in 2009. One terminal project in Dalian has been taken as an example to briefly analyze the design methods and requirements for the wharf structure reinforcing and reconstruction, which will provide a reference for similar design in the future.

Key words:wharf structure reinforcing and reconstruction; shoreline utilization; structure re-check

作者簡(jiǎn)介：邢堯（1983-），男，工程師，主要從事港口航道設(shè)計(jì)和研究工作。

收稿日期：2015-04-17

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160108

中圖分類號(hào)：U656.108

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）01-0034-05