重力式碼頭中沉箱和圓筒結構的優(yōu)化選擇探討

呂小凡

摘 要：重力式碼頭是港航建設中經(jīng)常采用的一種碼頭結構形式。為了充分發(fā)揮重力式碼頭的結構特點，需要因地制宜的開展設計，選擇適宜的實施方案。本文以某地區(qū)重力式碼頭的設計和施工為例，探討碼頭結構設計優(yōu)化方案，以期工程建取得更良好的效益。

關鍵詞：重力式碼頭 沉箱結構 圓筒結構 優(yōu)化

欽州市地處北部灣中段，海運樞紐區(qū)位優(yōu)勢明顯，多年來欽州市基于地區(qū)發(fā)展規(guī)劃，大力開展基礎設施建設，尤其是欽州港保稅港區(qū)和相鄰作業(yè)區(qū)的港口建設，不僅有利于促進當?shù)亟?jīng)貿(mào)開展，更為該地區(qū)依托北部灣經(jīng)濟長遠發(fā)展奠定堅實基礎。近年來，欽州港不斷增強港口核心競爭力，營建碼頭，完善西南出海通道。欽州港區(qū)的功能定位和地質(zhì)條件為發(fā)展重力式碼頭提供了較好的環(huán)境，本次研究主要選擇欽州港內(nèi)港口建設項目為例。

重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現(xiàn)澆混凝土、漿砌等結構形式，其造價適中，承載力強，耐久性好，使用壽命較長，在國內(nèi)港口建設中得到了廣泛使用。近年來隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，碼頭逐漸向大型化、深水化發(fā)展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結構碼頭由于其結構、施工和使用中的綜合優(yōu)點成為一種合適條件下較普遍采用和較好發(fā)展的結構形式，欽州港地區(qū)重力式碼頭建設的此種發(fā)展趨勢其代表性較顯著。本文旨在在當?shù)刈匀粭l件、材料來源、碼頭使用要求、施工條件基本一致情況下，結合重力式碼頭建設過程中沉箱和圓筒兩種結構設計方案的優(yōu)勢及其不足，以及碼頭施工建設中的成本造價，通過技術經(jīng)濟比較，有針對性的對重力式碼頭結構優(yōu)化和選擇進行探討。

1.重力式碼頭結構方案

1.1碼頭水工結構

所舉案例中碼頭所在地的地基條件較好，針對當?shù)氐匦?、地質(zhì)和環(huán)境，結合當?shù)貙嶋H情況和使用要求設計出相應的碼頭實施方案，并從中選出兩個進行比較，其中方案一為鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案，方案二為鋼筋混凝土沉箱方案。

1.1.1方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

在對港口碼頭選址的施工環(huán)境、地形、地質(zhì)條件進行全面考察的基礎上，結合當?shù)鼐唧w的裝卸工藝總平面布置情況，在實施碼頭建設時決定選擇坐床式鋼筋砼薄壁大圓筒結構。為了確保大圓筒達到使用標準和工藝要求，將圓筒外徑控制在18m，圓筒壁厚度則控制在35cm。圓筒基礎采用拋石基床，基槽底質(zhì)為風化巖石，結合基床頂應力和地基應力計算，拋石基床厚度應該不低于1米，確保拋石基床的強度和承載力能達到相應要求。根據(jù)水文環(huán)境設計圓筒底高程，5萬噸級的多用途泊位圓筒底高程取-13.6m，7萬噸級的汽車滾裝泊位圓筒底高程取-12.6m。兩種碼頭的圓筒頂高程均取3m。圓筒回填采用級配較好的砂石、卵石等材料，填充密實均需要達到相應標準。工程共需要建設圓筒54個。

1.1.2方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

5萬噸級多用途泊位沉箱底高程為-13.6m，為了確保其達到相應使用標準和要求，將沉箱外型尺寸控制為15.95m×18.15m×16.6m。具體來講，在實際建設施工過程中。拋石基床下風化巖石的厚度需要滿足其受力要求，其中強風化巖石的拋石基床厚度不能低于2米，中風化巖石的拋石基床厚度不能低于1米。針對沉箱內(nèi)部進行回填，一般選擇砂和塊石。

2.結構方案對比及優(yōu)化分析

2.1 結構方案優(yōu)化分析

2.1.1 方案一（鋼筋混凝土薄壁大圓筒方案）

大圓筒結構具有較好水平抗滑能力，但是其抗傾穩(wěn)定性則比較差，對其受力結構進行分析，發(fā)現(xiàn)大圓筒結構前趾的壓應力較大。基于此，在具體實施中，針對重力式碼頭建設中需要使用的埋入式大圓筒結構，為了進一步加強其整體穩(wěn)定性，可以根據(jù)需要在大圓筒結構后部加設一個抗傾加強結構；一般情況下，抗傾加強結構需要安裝在大圓筒內(nèi)側或者外側，部分情況下為了達到最佳效果需要在內(nèi)外側同時布置抗傾加強結構；為了將這一結構的作用發(fā)揮到最大，一般將內(nèi)側和外側的抗傾加強結構的高度進行科學設計，在具體建設過程中，盡量將其往下設置，這種施工方法能有效加強其抗傾效果?？箖A加強結構下方的填料要求達到一定密實度，因此可以采用高壓射水等方式對其進行強化。

相比自重較大的沉箱結構，圓筒結構為達到與沉箱結構相近的抗滑能力可以將以下措施相組合：保留臨時底板為固定底板，加強圓筒上部結構自重。

在惡劣環(huán)境下，加強抗滑的圓筒在整體性和穩(wěn)定性上較沉箱碼頭仍有欠缺。

2.1.2 方案二（鋼筋混凝土有底沉箱方案）

為了提升碼頭裝卸效率，需要將門機后軌道設置安裝在沉箱后部，在設計上增加沉箱寬度，此時可采用后傾的碼頭結構方案。一般來講，實現(xiàn)沉箱后傾的方式主要有以下三種。一是將采用底面傾斜的沉箱安裝在水平基床上，這樣就可以形成沉箱向后傾斜；二是使用普通沉箱，但是安裝在后傾的基床上，這種情況下也可以形成沉箱向后傾斜；三是使用底面存在傾斜的沉箱，將其安裝在后傾的基床上，這種情況下能實現(xiàn)更大的后傾角度。

實施后傾的沉箱碼頭結構能取得諸多優(yōu)點，同時也存在一定不足，具體來講，后傾沉箱碼頭能夠有效減少土壓力；后傾沉箱碼頭能夠有效提高碼頭抵抗波浪吸力，提高其整體安全性和使用穩(wěn)定性。傾斜沉箱的預制、運輸、安裝等各個環(huán)節(jié)需要增加施工難度，此外傾斜基床的拋填、密實施工要求更高，從整體上提高了碼頭成本。

2.2 方案比選及推薦方案

圓筒結構與沉箱結構相比，其抗風浪效果更好。兩種設計方案在施工工藝均較成熟，施工方法也比較接近，圓筒結構方案在施工中產(chǎn)生的施工總量更少，同時所需要的構件也更少，當采用滑模施工時，效率高，施工起來更加簡便。兩種施工方案的工程造價差別較明顯，相比較碼頭每延米造價，大圓筒結構方案更加經(jīng)濟。綜合對比兩種設計方案的技術和經(jīng)濟特點，在碼頭使用要求、施工條件基本一致、自然條件適宜的情況下，大圓筒結構方案能在發(fā)揮結構優(yōu)勢、優(yōu)化施工的同時，取得更好的經(jīng)濟效益，有利于節(jié)約投資，是一種較理想的構型。但在施工自然環(huán)境惡劣的情況下，大尺寸的沉箱碼頭在適用性上則更具有優(yōu)勢。兩種結構應結合工程實際情況，具體分析后加以選用或組合。結合港口規(guī)劃的碼頭功能定位和規(guī)模，欽州港風浪影響較小的作業(yè)區(qū)碼頭，近年多采用滑模施工的圓筒結構。

3.結語

重力式碼頭在實際施工建設中得到廣泛應用，在具體施工建設過程中重力式碼頭主要分方塊、扶壁、沉箱、圓筒、現(xiàn)澆混凝土、漿砌等結構形式，其造價適中，承載力強，耐久性好，使用壽命較長，在國內(nèi)港口建設中得到了廣泛使用。近年來隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，碼頭逐漸向大型化、深水化發(fā)展，重力式碼頭中的沉箱和圓筒結構碼頭由于其結構、施工和使用中的綜合優(yōu)點成為一種合適條件下較普遍采用和較好發(fā)展的結構形式。

重力式碼頭的設計條件和使用要求有其特殊性，結構設計方案需要因地制宜的進行設計優(yōu)化。在自然條件適宜情況下，采用圓筒結構能在保持結構設計安全的前提下，產(chǎn)生較顯著的經(jīng)濟效益，開展圓筒結構碼頭優(yōu)化和推廣的也不失為節(jié)省建設投資一種較良好方法。

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