感潮河段施工工藝對高樁碼頭設計方案合理性影響

劉祥玉，鄧宏彥

（中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461）

0 引言

感潮河段沿岸碼頭位于淺灘或防潮堤外坡處，受潮汐、水流相互作用。因水深較淺，大型船機進入，需要大面積開挖；同時離入海口較近，泥沙沉積，一般淺層地基承載力低。在感潮河段建設碼頭，要充分考慮各方面因素，尤其要重視施工工藝對設計方案的決定性作用。施工可行的設計方案，可以消除施工變更，降低施工難度，節省施工造價，保證施工工期。

本文結合山東壽光小清河內某碼頭的設計，詳細分析施工條件，確定合理的指導性施工工藝，進行施工布置，據此選擇合理的碼頭結構，確保設計方案的成功。與施工工藝緊密結合的設計理念，對于感潮河段類似碼頭的設計具有借鑒意義。

1 工程概況

本工程位于山東壽光小清河南岸，下游距離小清河入海口7 km。碼頭總長534 m，其中280 m碼頭前沿頂高程5．0 m，底高程-6．0 m。見圖1。

圖1 總平面布置圖Fig.1 General layout

2 設計條件

2.1 設計水位

高程系統采用當地理論最低潮面，極端高水位 4．83 m，極端低水位-1．12 m，設計高水位 2．60 m，設計低水位 0．27 m。

2.2 波浪

本工程位于受潮汐影響的河口港，距離入海口7 km，不受外海波浪影響。東北向大風時河道內僅有0．3～0．4 m波高，東北向大風又遇風暴潮，灘地水深2 m時，最大波高可達1．0 m。

2.3 地形與地質

場區地面平坦，呈西高東低趨勢，高程為1．61～2．16 m。地層自上而下為：淤泥質粉質黏土、粉土/淤泥質粉質黏土、粉砂、粉土、粉質黏土、粉土、粉砂、粉質黏土、粉土、粉質黏土，詳見圖2。①～④層承載力容許值為50～150 kPa；⑤～⑥層承載力容許值為180～190 kPa；第⑦層為粉砂（Q4al）飽和不液化土，中密～密實狀態，地基承載力容許值為300 kPa。

3 施工條件分析及施工工藝

3.1 施工基礎條件分析

1）地質條件分析

工程區域表層-8．65～-12．25 m 以上承載力容許值為50～150 kPa，以下為190 kPa以上。采用重力式碼頭結構[1]須選用承載力高的土層。第④層以上承載力較低；根據地質勘察資料計算，⑤至⑥層土承載力亦不滿足要求；第⑦層可作為持力層，但需要深開挖，開挖方量大。而且現有的防潮堤將全部被挖掉，水利主管部門不能允許。因此不能采用重力式碼頭結構方案，只能采用高樁碼頭結構[2]方案。

圖2 鉆孔剖面圖Fig.2 Profile of drill hole

2）施工方式分析

在感潮河段或灘涂區域，航道未形成，建設碼頭時，是先開挖港池、航道還是先施工碼頭再開挖水域成為設計首要考慮的因素，即考慮碼頭是水上施工還是陸上施工。高樁碼頭水上施工需要動用大型船機，樁基由打樁船在水上打設，縱橫梁、面板由起重船在水上安裝；陸上施工即干施工須在淺水區域設置圍堰，回填施工場地，陸上打樁設備打設直樁和斜樁，陸上施工碼頭各種構件。兩種施工方式形成的工程造價差異較大，其中干施工不受潮汐、波浪影響，施工便利，工程造價低。

本工程泥面標高為1．61～2．16 m，對比設計水位，工程區200 m×534 m范圍低潮露灘，在接近設計高水位時全部淹沒，施工船舶無法進入。將該區域全部疏浚至設計標高后，滿足施工船舶進入，再施工碼頭構件，會增加施工工期和工程造價。考慮在現有地形，將工程區填高或者設置圍堰，進行干施工，以降低造價和縮短工期，但要做好渤海灣風暴潮期間的防護工作。

3.2 指導性施工工藝的確定

根據施工基礎條件分析，確定采用設置圍堰的干施工方案，不采用使用施工船舶的水上施工方案。調用港池所在區域的黏土，碾壓填筑圍堰，并將圍堰內側的區域填高整平，形成施工場地。

碼頭采用樁基梁板結構。樁基采用陸上打樁設備打樁，現澆鋼筋混凝土橫梁，安裝靠船構件。然后在樁基、橫梁組成的排架之間，用長臂反鏟開挖碼頭下方斜坡。開挖過程中注意對樁基的保護，同時確保開挖形成的反向斜坡不會影響圍堰的結構安全。斜坡形成后，利用反鏟拋石護面、理坡。預制安裝縱梁、面板，現澆鋼筋混凝土鋪裝層。

碼頭進入面層施工階段后，挖除圍堰，并進行港池水域的開挖施工。

3.3 場地布置

圍堰坡底距碼頭前沿線的距離考慮兩個因素，一是垂直于碼頭前沿線方向能夠擺放打樁機械，并留有施工通道，二是碼頭下方斜坡陸地開挖時，圍堰陸地側岸坡穩定并留有施工通道。因此在碼頭前沿線外側30 m處布置圍堰軸線，圍堰寬4 m，頂標高4．0 m，兩側邊坡為1∶2。圍堰為就地取土，碾壓形成，詳見圖3。

圖3 圍堰與干施工開挖示意圖Fig.3 Excavation of cofferdam and dry construction

圍堰黏土碾壓后選取滲透系數，并考慮圍堰外側水位，進行滲流穩定性[3]計算。由滲流穩定性初步確定場地上游側的標高為1．0 m，該標高方便橫梁支模現澆施工。在施工時，發現場地上游側出現局部滲水，雖不嚴重，但對車輛行駛有影響。調整圍堰外側水位，并重新選取滲透系數進行滲流穩定性計算，根據計算結果將場地上游側標高抬高至1．4 m，確保整個場地為干的陸地環境。

3.4 地勘資料數據分析

分析本工程地勘資料，有一層5～10 m厚、標貫擊數達到50～70擊的粉砂硬層，樁基打入困難。此硬層能否穿透，是設計的難點和關鍵點。樁基能否穿透，樁型選擇，沉樁工藝至關重要。文獻[4]采用了水沖法配合錘擊的沉樁工藝，并獲得成功，如果按照此工藝，對樁在預制時就需要進行特別的水力設計。

對于標準貫入試驗結果，GB 50021—2001《巖土勘察規范》（2009年版）[5]提到應用N值時是否修正和如何修正，應根據建立統計關系時的具體情況確定。根據國內外研究成果及規范，對標準貫入試驗結果進行了修正。

1）美國Gibbs和Holtz認為砂土自重壓力（上覆壓力）對標準貫入試驗結果有很大影響。美國的Peck得出砂土自重壓力對標準貫入試驗的影響公式為：N=CN×N′；CN=0．77lg（1 960/σv）。其中：N為標貫試驗校正值；N′為標貫試驗實測值；CN為自重壓力影響校正系數；σv為試驗深度處砂土有效垂直上覆壓力，kPa。

試驗深度在-16～-22 m，上覆有效垂直壓力按240 kPa計算，標貫試驗實測值為70擊，計算標貫試驗校正值為49擊。

2）按照DB J11-501—2009《北京地區建筑地基基礎勘察設計規范》[6]，當有效覆蓋壓力大于25kPa時，標貫試驗技術按Peck公式計算，CN按表取值。該層粉砂為中密，CN取為0．69，計算標貫試驗校正值為48擊。

3）美國Terzaghi、Peck認為，對于有效粒徑d10在 0．1～0．05 mm 范圍內的飽和砂、細砂，當其密度大于某一臨界密度時，貫入阻力將會偏大，貫入擊數大于15擊時，按照下式校正：

N=15+（N′-15）/2

按照上式與前面同等條件進行計算，N值為42．5 擊。

4）根據GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[7]，當標準貫入試驗貫入點深度和地下水位在試驗地面以下的深度，不同于工程正常運用時，實測標準貫入錘擊數進行校正。

根據以上分析，形成修正后的標準貫入擊數，結果見表1。

表1 考慮各因素修正貫入擊數統計表Table 1 Statistical table of modified penetration number considering various factors

本工程硬層埋深達20 m，受上覆土層和地下水影響，標貫試驗實測擊數修正后在40～49擊。

根據相關施工規范和經驗，標貫擊數小于50擊時，樁基打入可行，不需水沖配合沉樁。

3.5 樁型的選擇

灌注樁造價明顯高于預制樁，且臨水側樁基表面要光滑、完整，須保證帶水澆筑混凝土的質量。方樁、PHC管樁在碼頭結構中都可以采用，多數時候取決于施工條件、地質條件、預制場及工廠化條件，并要特別注意安全、可靠、耐久及施工破損率等因素。

對于PHC管樁，使用范圍廣，生產廠家較多，可選規格多；PHC管樁分節預制，單節長度不宜過長，長樁需要接樁，接頭常形成薄弱點；若接樁后垂直度不能保證，將降低樁的承載能力，甚至在打入時造成斷樁；PHC管樁可采用重型柴油打樁錘沉樁，但可承受錘擊數較少，尤其是穿透較厚的堅硬土層時，耐打性不強。

工程附近某碼頭采用PHC管樁，因當地無管樁生產廠，從南方購買，單米樁費用增加多且施工時沉樁較困難。本工程陸地施工要穿透硬粉砂層5～10 m，經綜合分析[8]采用預應力鋼筋混凝土方樁。方樁考慮在專業預制場預制，水上運輸，在附近商港通用泊位卸船，拖車運入工地。

3.6 樁錘的選擇

樁基設計按貫入度、標高、樁基承載力檢測要求進行控制。選錘主要根據規范、地質資料通過試樁、檢測確定錘重，也可通過附近工程以往資料，根據公式計算初步判定錘總。主要依據動測承載力公式推導，采用英標HILEY公式。公式變形后，以設計貫入度為已知條件，導出選錘的重量范圍值。本工程中硬粉砂層，中密～密實，厚5～10 m，實際選用125型錘。

4 地基處理

高樁碼頭接岸結構受岸坡土質、整體穩定和上部荷載影響。本碼頭后方土層承載力低，緊鄰港池，陸地與水域高差約11 m，整體穩定是設計計算中的關鍵點。為加強接岸結構和岸坡的穩定性，提高原地基承載力，碼頭平臺后方的擋墻下部采用振沖碎石樁進行地基處理，碎石樁樁徑800 mm，間距1 500 mm，正方形布置。

5 設計方案的確定

根據前述施工條件的分析，施工工藝確定為碼頭樁基陸地施工，橫梁直接現澆，不再搭設滿堂腳手架，縱梁和面板等構件預制安裝，形成支撐面后現澆鋪裝層。

高樁碼頭排架采用5根600 mm×600 mm預應力鋼筋混凝土方樁，前方設1對叉樁，樁底高程為-33．0 m。現澆倒T形鋼筋混凝土橫梁，底寬1．3 m，高2．55 m。預制安裝鋼筋混凝土T形縱梁，底寬0．5 m，高1．2 m。預制安裝350 mm厚鋼筋混凝土面板，并現澆150～230 mm鋼筋混凝土鋪裝層。碼頭下部護坡采用100～200 kg塊石護面，坡度1∶2。接岸結構基礎采用碎石樁進行地基處理，上部為塊石基床，現澆C30F250混凝土擋墻，擋墻后方回填塊石棱體。碼頭結構斷面見圖4。

圖4 碼頭結構斷面圖Fig.4 Cross section of wharf structure

6 施工對施工條件分析的驗證

本工程在施工過程中，臨時圍堰起到了良好的擋水、止水作用，提供了干施工的環境；預應力方樁直、斜樁均穿透了5～10 m的粉砂硬層，不需水沖輔助沉樁，選錘合理，樁基檢測結果符合設計要求；碼頭上部結構施工快速而方便。現場施工過程，驗證了設計中對施工條件的分析是準確有效的。

7 結語

合理的指導性施工工藝直接決定設計方案的成立與否。本文在充分分析設計基礎條件，論證并確定合理的施工指導性方案，據此進行總體設計和結構設計，切合實際，方便施工，縮短工期，節省造價，可避免施工變更、施工中預制構件浪費、施工工藝及設備重大調整、工期拖延。對于感潮河段類似條件下的碼頭設計可提供借鑒經驗。