武漢陽(yáng)邏港三作業(yè)區(qū)起步階段工程碼頭基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

劉潛兵，楊玉勤

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

隨著我國(guó)港口事業(yè)的不斷發(fā)展，建港位置的水文、地質(zhì)等條件越趨復(fù)雜，如何根據(jù)碼頭區(qū)域工程建設(shè)條件，合理選擇與優(yōu)化符合工程特性的碼頭結(jié)構(gòu)形式與布置，做到安全、合理、經(jīng)濟(jì)是工程設(shè)計(jì)必須深入研究解決的問題[1]。本文結(jié)合武漢新港陽(yáng)邏港區(qū)三作業(yè)區(qū)一期工程起步階段工程的建設(shè)條件，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)選型、樁基布置、穩(wěn)樁措施等進(jìn)行詳細(xì)的研究，并通過基樁自平衡法驗(yàn)證樁的豎向抗壓極限承載力。

1 工程概況

實(shí)例工程位于長(zhǎng)江陽(yáng)邏水道左岸的武漢新港陽(yáng)邏港區(qū)三作業(yè)區(qū)。隨著中部的崛起、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展、“一帶一路”倡議的實(shí)施，武漢新港已成為中部港口開發(fā)重點(diǎn)，是長(zhǎng)江中游發(fā)展集裝箱運(yùn)輸?shù)闹攸c(diǎn)港口。武漢陽(yáng)邏港三作業(yè)區(qū)起步階段工程正是為進(jìn)一步發(fā)揮長(zhǎng)江黃金水道的作用、推進(jìn)武漢長(zhǎng)江中游航運(yùn)中心發(fā)展、加快武漢城市圈的發(fā)展并促進(jìn)以武漢城市圈為核心的中部崛起戰(zhàn)略實(shí)施而建設(shè)的，是武漢新港的開篇之作，是陽(yáng)邏港區(qū)三作業(yè)區(qū)的標(biāo)志性項(xiàng)目。

工程建設(shè)規(guī)模為新建5 000 DWT集裝箱泊位4個(gè)，使用港口岸線563 m，設(shè)計(jì)年通過能力74萬TEU。碼頭平臺(tái)平面尺度為563 m×30 m，通過3座引橋與后方陸域銜接。

碼頭平面布置見圖1。

圖1 實(shí)例工程碼頭平面布置圖Fig.1 Example engineering wharf layout plan

主要工程建設(shè)條件：

1）設(shè)計(jì)船型

工程設(shè)計(jì)的代表船型為5 000噸級(jí)集裝箱江海輪。

2）工藝荷載

40 t-26 m和35 t-26 m集裝箱岸邊起重機(jī)荷載、2 TEU集裝箱牽引車及半掛車荷載、30 kN/m2堆貨荷載等。

3）設(shè)計(jì)水位（1956黃海高程）

設(shè)計(jì)高水位：26.00 m（重現(xiàn)期50 a）

設(shè)計(jì)低水位：8.95 m（當(dāng)?shù)睾叫谢妫?/p>

設(shè)計(jì)防洪水位：27.20 m

4）水流流速

設(shè)計(jì)水流流速2.2 m/s。

5）工程地質(zhì)條件

碼頭前沿水域基巖裸露，平臺(tái)區(qū)域覆蓋層較薄或基巖裸露，且靠岸側(cè)巖面較高（+7 m左右），而靠江側(cè)由于深槽貼岸，基巖面普遍較低（-5 m左右）。30 m平臺(tái)寬度范圍內(nèi)基巖面高差12 m，平均坡度大于20°，局部區(qū)域巖面傾斜在40°左右。上部覆蓋地層主要為全新統(tǒng)、更新統(tǒng)河流沖積層，下臥第三系-白堊系東湖群泥質(zhì)砂巖（局部地段為砂礫巖、粉細(xì)砂巖）。碼頭區(qū)典型地質(zhì)剖面見圖2。

圖2 工程地質(zhì)典型剖面圖Fig.2 Typical section of engineering geology

6）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 18306—2001《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，勘區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度。

2 碼頭基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 樁基選型

考慮到長(zhǎng)江行洪要求，根據(jù)規(guī)范及從業(yè)經(jīng)驗(yàn)[2-3]，碼頭應(yīng)減少對(duì)行洪的影響，選用透空的高樁梁板式結(jié)構(gòu)。由于集裝箱碼頭使用荷載較大，其基礎(chǔ)對(duì)地基強(qiáng)度及變形要求高，而本工程基巖埋深較淺（0～5 m），巖石主要為泥質(zhì)砂巖，采用打入樁既無法滿足彈性長(zhǎng)樁的要求，又不能滿足承載力要求，因此應(yīng)采用嵌巖樁。嵌巖樁費(fèi)用高、施工難度大、施工進(jìn)度慢，因此如何減少工程造價(jià)、降低施工難度、縮短施工周期是工程設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的因素。減少基樁數(shù)量是克服上述問題的有效措施。

實(shí)例工程碼頭前沿局部有磯頭分布，基巖埋深淺且?guī)r面陡，水深流急，設(shè)計(jì)高低水位差達(dá)17.05 m，基樁自由長(zhǎng)度長(zhǎng)，這些對(duì)施工穩(wěn)樁都非常不利，如何穩(wěn)樁是設(shè)計(jì)施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。斜樁重心偏移，在流速大、埋深淺、坡面陡、懸臂長(zhǎng)的不利情況下，樁身難穩(wěn)定、易傾倒，施工難度遠(yuǎn)大于直樁，其投入大且質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)高，因此，在滿足使用要求的前提下，宜優(yōu)先采用全直樁嵌巖方案。

根據(jù)工程的建設(shè)條件，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)例工程采用灌注型嵌巖樁和預(yù)制型芯柱嵌巖鋼管樁兩種全直樁方案進(jìn)行比選。同等條件下，灌注型嵌巖樁方案的結(jié)構(gòu)整體剛度優(yōu)于預(yù)制型芯柱嵌巖鋼管樁方案，工程造價(jià)相對(duì)較低，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，實(shí)例工程推薦采用灌注型嵌巖全直樁方案。

2.2 水平變位控制

全直樁方案在一定程度上降低了穩(wěn)樁、嵌巖施工難度，但也帶來了碼頭水平變位控制不如斜樁方案的突出問題。本工程碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)分段長(zhǎng)度70 m，集裝箱岸橋、船舶等作用荷載對(duì)碼頭水平變位影響較大，而碼頭使用又要求水平變位宜小，如何控制水平變位，保證碼頭結(jié)構(gòu)安全使用是設(shè)計(jì)須重點(diǎn)解決的問題。根據(jù)設(shè)計(jì)及使用經(jīng)驗(yàn)，配備岸橋或門機(jī)等大型設(shè)備的碼頭，設(shè)備操控室離碼頭面較高，水平變位過大將會(huì)影響設(shè)備操作人員的舒適度及安全感，通常將碼頭正常使用狀態(tài)下最大水平位移控制在20 mm以內(nèi)。在全直樁碼頭水平荷載作用不能減小的條件下，采取增大樁徑、增加樁數(shù)、在適當(dāng)?shù)母叱淘O(shè)置合適直徑的鋼橫撐、設(shè)置拋石護(hù)樁棱體減小樁自由長(zhǎng)度等措施均有利于減少碼頭水平變位[4]。

結(jié)構(gòu)剛度越大變位越小，基樁的抗彎剛度與樁徑的4次方成正比，增加樁徑可明顯增加樁的剛度，從而有效減小水平變位，但樁徑增加過大又不經(jīng)濟(jì)，需合理確定樁徑達(dá)到控制水平變位的最佳效果。增加樁數(shù)雖能增加碼頭結(jié)構(gòu)整體剛度，相應(yīng)減小水平變位，但基于樁基選型分析，增加樁數(shù)顯然不合適。根據(jù)空間排架計(jì)算分析，排架樁之間在適當(dāng)高程設(shè)置與排架樁和橫梁變形相協(xié)調(diào)的鋼橫撐，可有效減小碼頭橫向水平變位；鋼橫撐的設(shè)置也使基樁彎矩大幅減小，這主要是鋼橫撐的設(shè)置不僅增大了碼頭的整體剛度，同時(shí)降低了基樁上水平力的作用位置，有利于減小水平變位。在滿足施工水位要求的情況下設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能降低橫撐底高程，且下層鋼橫撐直徑宜大。對(duì)以橫向受力為主的碼頭結(jié)構(gòu)，由于排架間距較大、縱撐剛度相對(duì)較小，增加縱撐可減小結(jié)構(gòu)段的縱向水平變位，但對(duì)減小橫向水平變位影響效果不大。抬高拋石護(hù)樁棱體頂高程能減小基樁計(jì)算長(zhǎng)度，而結(jié)構(gòu)的變形與長(zhǎng)度4次方成正比，因此，縮短樁的計(jì)算長(zhǎng)度可有效減小水平變位。綜合考慮工程造價(jià)和碼頭前沿水深要求的前提下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡量抬高拋石棱體頂高程。

綜上所述，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是通過科學(xué)、精準(zhǔn)計(jì)算分析選擇合適的樁徑、樁數(shù)、排架間距、樁距等，輔以在適當(dāng)?shù)母叱淘O(shè)置合適直徑的鋼橫撐、設(shè)置拋石護(hù)樁棱體等措施，將碼頭正常使用狀態(tài)下的水平位移控制在20 mm內(nèi)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

按照滿足結(jié)構(gòu)安全使用要求的前提下，盡量減少基樁數(shù)量、縮短施工周期、降低施工難度及工程造價(jià)的原則，設(shè)計(jì)對(duì)大樁徑、大排架間距、大樁距方案進(jìn)行了深入研究，采用蟻群優(yōu)化算法，從排架間距8～10 m、樁徑1 500～2 000 mm、樁數(shù)4～6根中優(yōu)化計(jì)算確定相對(duì)最優(yōu)的平臺(tái)樁基布置方案。通過優(yōu)化計(jì)算分析，并考慮大直徑樁與上部結(jié)構(gòu)連接的耐久性問題（部分樁頭鉸接），最終采用φ1 800灌注型嵌巖樁，排架間距10 m，每榀排架設(shè)4根直樁、最大樁距9 m的大直徑大跨度樁基方案。由此大幅減少了基樁數(shù)量，相應(yīng)減少了樁柱的阻流作用，有利于汛期行洪和結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)也有效降低了穩(wěn)樁的風(fēng)險(xiǎn)、縮短了工期和節(jié)省了投資。這種大跨度結(jié)構(gòu)在使用荷載較大的集裝箱碼頭中尚屬首例。

優(yōu)化后實(shí)例工程碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：排架基礎(chǔ)采用φ1 800灌注型嵌巖樁，排架間距10 m，每榀排架設(shè)4根直樁；樁與樁之間設(shè)置雙層φ1 200的鋼橫撐；前方靠船構(gòu)件與樁之間設(shè)置φ800鋼橫撐以增加平臺(tái)橫向剛度；碼頭前沿設(shè)置拋石護(hù)樁棱體以減少平臺(tái)前排基樁自由長(zhǎng)度；平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)由橫梁、前邊梁、軌道梁、縱梁、迭合面板、鋼系纜平臺(tái)和鋼靠船構(gòu)件組成；平臺(tái)面及下層系纜平臺(tái)前方設(shè)有550 kN系船柱；每榀排架上設(shè)置DA-A500H低反力型橡膠護(hù)舷，同時(shí)在排架間設(shè)置了DA-A300H型橡膠護(hù)舷進(jìn)行防護(hù)。碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面見圖3。

圖3 碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.3 Section diagram of pier platform structure

2.4 穩(wěn)樁方案

實(shí)例工程碼頭區(qū)地質(zhì)基巖埋深較淺（0～5 m），水深流急，鋼護(hù)筒懸臂段長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于入土（巖）長(zhǎng)度，在水流力、偏心力等不利作用下，其自身穩(wěn)定存在困難及風(fēng)險(xiǎn)，一旦失穩(wěn)則直接造成工程質(zhì)量安全事故，故施工期間穩(wěn)樁問題是本工程的難點(diǎn)和工程成敗的關(guān)鍵。

常見穩(wěn)樁施工有搭設(shè)水上輔助鋼平臺(tái)、施打工程樁鋼護(hù)筒作為鉆孔鋼平臺(tái)支撐樁、進(jìn)行拋填袋裝砂穩(wěn)樁等方式。經(jīng)分析研究，搭設(shè)水上輔助鋼平臺(tái)穩(wěn)樁方案雖然安全可靠，但平臺(tái)的搭設(shè)需考慮長(zhǎng)江汛期高水位的不利影響，當(dāng)水位上漲至距碼頭樁頂高程一定距離，不滿足搭設(shè)平臺(tái)凈空高度要求時(shí)，平臺(tái)搭設(shè)將受限，且現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)工作量大、施工工序多、施工周期長(zhǎng)、措施費(fèi)用高；鋼護(hù)筒干打穩(wěn)樁方案雖可明顯降低工程造價(jià)，但對(duì)施工區(qū)地質(zhì)條件有一定要求，護(hù)筒需進(jìn)入覆蓋土層或基巖一定深度，方可保證其自身穩(wěn)定，且該方案存在樁頂偏位易過大、護(hù)筒底易卷邊，后續(xù)處理困難、質(zhì)量不易保證的缺點(diǎn)，本工程基巖埋深淺且?guī)r面陡，水深流急，基樁懸臂長(zhǎng)，不具備干打條件，鋼護(hù)筒干打穩(wěn)樁方案對(duì)本工程不適用；拋填袋裝砂穩(wěn)樁方案相對(duì)造價(jià)低，宜在水下自然坡面平緩、水流流速小、防洪要求低區(qū)域?qū)嵤竟こ趟碌匦味浮⑺盍骷薄⒎篮橐蟾撸璐b砂棱體體積大、棱體不易成形，且出于長(zhǎng)江行洪安全的考慮，水利部門也不允許在長(zhǎng)江河道拋填沙袋進(jìn)行穩(wěn)樁，故拋填袋裝砂穩(wěn)樁方案亦不適用本工程。如何吸收各穩(wěn)樁方案的優(yōu)點(diǎn)、克服其缺點(diǎn)成為設(shè)計(jì)施工研究的重點(diǎn)，經(jīng)深入研究、探討，本工程最終采用了“栽樁”穩(wěn)樁方案[5]，較好地融合了各穩(wěn)樁方案的優(yōu)點(diǎn)。

栽樁施工又名“植入法”，是通過植樁錨固體系的設(shè)計(jì)及單樁穩(wěn)定性分析確定穩(wěn)樁相關(guān)參數(shù)，采用GPS定位，水上船載鉆機(jī)沖孔作業(yè)，進(jìn)行樁位巖面引孔并通過混凝土錨固植入的鋼護(hù)筒，利用錨固鋼護(hù)筒作為支撐，搭設(shè)水上施工平臺(tái)進(jìn)行嵌巖樁施工的方案。

根據(jù)計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，本工程“栽樁”方案引孔直徑2.2 m，引孔深度≥2 m（中風(fēng)化巖面以下），最小錨固混凝土方量10.9 m3。栽樁工藝流程：船載鉆機(jī)就位—理坡、平坡、引孔、清孔施工—鋼護(hù)筒安放—植樁混凝土澆筑。引孔、植樁混凝土施工示意見圖4；鋼護(hù)筒植樁混凝土錨固見圖5。

圖4 引孔、植樁混凝土施工示意圖Fig.4 Sketch of drilling holes and pile planting concrete construction

圖5 鋼護(hù)筒植樁混凝土錨固圖Fig.5 Anchor sketch of steel casing pile planting concrete

施工船一次可定位4根樁，分2次完成4根鋼護(hù)筒錨固，當(dāng)植樁混凝土同條件試塊強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上時(shí)，采用28號(hào)槽鋼在鋼護(hù)筒頂部連接后，施工船可重新移位施工。鋼護(hù)筒與基巖的錨固效果好壞取決于鋼護(hù)筒外側(cè)的混凝土翻漿高度。護(hù)筒外側(cè)翻漿高度越高，鋼護(hù)筒被“蘑菇狀”的混凝土包裹就越密實(shí)，其與基巖剛性連接就越長(zhǎng)，錨固質(zhì)量越好；反之，錨固質(zhì)量越差。鋼護(hù)筒底部開孔高度、開孔斷面大小、錨固混凝土的配合比等因素對(duì)混凝土外翻高度影響較大，可根據(jù)工程地質(zhì)條件，通過調(diào)整單樁翻漿孔口的開孔高度和開孔大小、調(diào)節(jié)混凝土配合比等技術(shù)措施提高鋼護(hù)筒外側(cè)的翻漿效果，保證單樁穩(wěn)定性。本工程地質(zhì)條件下，采取鋼護(hù)筒開孔高度150 mm、孔口總寬為周長(zhǎng)的40%、錨固混凝土水灰比為0.5并摻入5%緩凝劑和3%減水劑的措施，鋼護(hù)筒翻漿效果最好；當(dāng)翻漿高度達(dá)到2 m時(shí)，鋼護(hù)筒便能與基巖形成剛性節(jié)點(diǎn)，保證鋼護(hù)筒在最不利工況下的單樁穩(wěn)定性，從而保證植樁平臺(tái)的穩(wěn)定性[6]。

栽樁施工工藝能夠適應(yīng)水位差大、水流急、基巖埋深淺且?guī)r面陡等復(fù)雜的工程條件，保證在復(fù)雜條件下安放鋼護(hù)筒的施工質(zhì)量及其在嵌巖樁成孔過程中的穩(wěn)定性。通過控制孔內(nèi)沉渣厚度、混凝土質(zhì)量及翻漿效果，有效地保證了鋼護(hù)筒植入基巖的錨固質(zhì)量；植樁平臺(tái)較輔助鋼管樁平臺(tái)減少了輔助鋼管樁和輔助鋼橫撐的投入，單位面積上能夠節(jié)約50%的鋼材用量；在機(jī)械投入上以駁船裝載鉆機(jī)代替大型水上打樁船機(jī)設(shè)備，減少了機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用；船載鉆機(jī)可同時(shí)沖孔作業(yè)，植樁速度快，植樁錨固后直接在鋼護(hù)筒上搭設(shè)嵌巖施工平臺(tái)和后期下橫梁的承重體系，既減少了拆除輔助鋼管樁和橫撐流程，又不影響后續(xù)碼頭鋼靠船構(gòu)件、鋼橫撐、系纜平臺(tái)安裝和水下拋石等施工，有效減少了施工工序、加快了施工進(jìn)度、節(jié)省了工程費(fèi)用。“栽樁”方案也有效克服了輔助鋼管樁支撐施工平臺(tái)方案中鋼護(hù)筒鉆孔跟進(jìn)過程中出現(xiàn)的漏漿、鋼護(hù)筒沉降等問題；也避免了鋼護(hù)筒干打?qū)е碌淖o(hù)筒底卷口及沉樁偏位過大等問題。

本工程“栽樁”穩(wěn)樁方案在長(zhǎng)江中游碼頭嵌巖樁施工中屬首次成功采用，有效克服了工程穩(wěn)樁施工難點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

3 基樁自平衡檢測(cè)

實(shí)例工程為起步階段工程，為驗(yàn)證樁基承載力、樁端土極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁周土極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)例工程樁基采用自平衡法進(jìn)行了靜載試驗(yàn)[7]。

樁基靜載試驗(yàn)自平衡測(cè)試技術(shù)是將一種特制的加載裝置（荷載箱）埋入樁內(nèi)，并將荷載箱的高壓油管和位移棒引到地面，由高壓油泵向荷載箱充油，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁身的摩阻力及自重與下部樁身的摩阻力及端阻力相平衡，根據(jù)向上、向下Q-S曲線判斷樁承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形。

測(cè)試按JT/J 738—2009《基樁靜載試驗(yàn)自平衡法》對(duì)工程樁做檢驗(yàn)性試驗(yàn)。加載、卸載分級(jí)進(jìn)行，加載采用快速維持荷載法。本工程自平衡靜載試驗(yàn)最大加載值為11 500 kN，由于試樁噸位較大，每級(jí)加載值為預(yù)估極限承載力的1/10；每級(jí)卸載量為2個(gè)加載級(jí)的荷載值。

以編號(hào)8D的試樁為代表，根據(jù)靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試樁在加載到最大試驗(yàn)荷載時(shí)，樁身位移未出現(xiàn)陡變。根據(jù)自平衡測(cè)試結(jié)果換算成等效樁頂荷載、位移的計(jì)算流程，經(jīng)計(jì)算得出8D樁等效樁頂荷載為18 348.70 kN，等效樁頂位移為10.92 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明單樁豎向抗壓極限承載力滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了靜載試驗(yàn)驗(yàn)證目的。8D試樁分析結(jié)果見表1。

表1 8D試樁分析結(jié)果Table 1 The analysis results of the test pile named 8D

4 結(jié)語

本文結(jié)合武漢新港陽(yáng)邏港區(qū)三作業(yè)區(qū)一期工程起步工程實(shí)例，從結(jié)構(gòu)選型、樁基布置優(yōu)化、穩(wěn)樁處理、基樁靜載試驗(yàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，得到結(jié)論如下：

1）基巖埋深淺且?guī)r面陡、水深流急、水位差大區(qū)域的高樁碼頭采用大直徑大跨度全直樁嵌巖方案水平變位可控，并可有效減小穩(wěn)樁及嵌巖施工難度、縮短施工周期、降低工程造價(jià)，且有利于汛期行洪和結(jié)構(gòu)安全。

2）“栽樁”穩(wěn)樁方案能夠適應(yīng)基巖埋深淺且?guī)r面陡、水深流急、水位差大等復(fù)雜的工程條件，保證在坡度較大的巖面上安放鋼護(hù)筒的施工質(zhì)量及其在嵌巖樁成孔過程中的穩(wěn)定性；復(fù)雜工程條件下，相較輔助鋼平臺(tái)穩(wěn)樁方案具有節(jié)約施工成本、加快施工進(jìn)度的特點(diǎn)。

3）同傳統(tǒng)的靜載試驗(yàn)方法（堆載法和錨樁法）相比，自平衡法具有技術(shù)先進(jìn)、測(cè)試自動(dòng)化、省時(shí)、省力、經(jīng)濟(jì)、安全、不受場(chǎng)地條件限制、可同時(shí)測(cè)試多根樁等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)例工程自平衡靜載試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)契合良好，表明工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)安全合理。