間隔嵌巖板樁結構在越南永安港碼頭中的應用

盛佳珺，崔 磊

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

1 工程概況

越南永安港是在越南中部偏北的一個新興港口，其位置優越，地理坐標為18°6′N,106°16′E。本工程5#、6#泊位距離永安港大概15 km。

永安港碼頭由西向東依次布置2座5萬噸級多用途泊位，泊位總長度為450 m，設計寬度43 m。根據本工程碼頭設計靠泊船型，結合裝卸工藝設備配置和近遠期貨運量安排，碼頭上近期布置2軌，遠期預留1軌，結合裝卸設備安全操作要求高、便于電纜槽和系纜等輔助設施布置的要求，前軌至碼頭前沿距離取3 m。前軌至后軌12 m為多用途門機軌距，遠期預留1根與前軌軌距為24 m的軌道，作為遠期集裝箱裝卸橋的軌道，預留集裝箱裝卸橋后軌至碼頭后沿16 m為集裝箱船倉蓋板堆放區和前方作業堆場。碼頭面高程4.50 m，前沿設計泥面高程為-14.0 m，碼頭平面布置見圖1。

圖1 碼頭平面布置(單位：m)

2 設計難點

2.1 泥面高、水深淺

碼頭施工區域為沿海水平地形，地形較緩，各條等高線相互平行且臨近，與海岸線平行。碼頭面建于等高線平均高程約-2.00 m區域。工程區域設計高水位為2.23 m，設計低水位為0.40 m，水深在2.40～4.23 m。

2.2 波流條件差

根據對Vungang 灣觀測點的觀測資料顯示，水流最強流速測得為0.41 ms，發生于高潮時期表層水流，潮流主流向為東向、東北向。工程區域北側與東海相連，東側及南側與物流園區相連，西側按照規劃與7#碼頭相連。根據規劃，該位置位于港池口門對面，該區域在未修建防波堤的現狀下，受海浪的直接影響最大，經測得工程區域波要素見表1。

表1 50 a一遇波要素

2.3 持力層埋藏較深

碼頭區的地層主要為：①中密度砂、③軟質黏土、⑤松散碎石、⑦a全風化巖(含砂黏性土)、⑦b全風化巖(含黏性土砂)、⑦c強風化巖。其中⑦c強風化巖層頂高程在-20.6～-18.8 m，地基承載力較高，土層主要設計參數見表2，碼頭前沿地勘剖面見圖2。

表2 各土層主要設計參數

圖2 碼頭前沿地質剖面

3 碼頭結構適應性分析

高樁梁板結構在淤泥質軟土、黏性土、砂性土等土層中適應能力強，其質量輕、結構簡單，利用長樁可以順利穿透上部軟弱覆蓋層達到較深的硬土持力層，結構沉降變形小、透空性好、對碼頭前沿波浪小、泊穩條件較好，并且其上部結構大部分可采用預制裝配式結構，與其他結構形式相比具有施工方便、施工速度快、工程造價低等優點。高樁結構對軟弱地基及大水位差情況下的結構設計更具優勢，碼頭前沿設計泥面為-14.0 m，按坡度1:5～1:3開挖，每延米開挖量達到225 m3，開挖量很大。

重力式碼頭結構堅固、耐久性好，對較大的集中荷載以及碼頭地面作業和裝卸工藝變化適應性強，施工后期維護費用少，但其對地基承載力要求較高，使用期結構變形小。本工程區域表面約6 m范圍為中密度砂，而采用重力式結構，持力層為⑦c強風化巖層下臥于-20.6～-18.8 m，距現泥面有一定深度，基槽等結構開挖量大，且沉箱工程造價難以保證。

板樁結構主要由板樁、錨碇、拉桿、上部結構(帽梁、導梁或胸墻)等組成，板樁、錨碇系統施工完畢后，可進行板樁墻后回填，也最大限度地降低了對周邊環境的影響。板樁結構形式主要有鋼管樁板樁組合墻結構、鋼板樁結構、地連墻板樁碼頭結構等，板樁碼頭結構簡單，鋼管板樁沉樁后，遮擋施工期波浪，改善后方施工條件，墻后主要施工工序可實現陸上施工[1-2]。板樁結構對荷載使用下的結構變形較為敏感，但板樁結構可避免大面積開挖，本工程碼頭和陸域呈連片式布置，土地資源利用相對更充分，使用相對方便。綜合考慮以上因素，本工程選用板樁結構。

4 結構設計

4.1 結構形式

本工程前沿設計水深較大，碼頭上部荷載大，墻后產生的側向土壓力也大，一般的鋼板樁斷面難以適應板樁墻的彎矩和位移要求，因此，采用鋼管板樁結構作為板樁墻結構以滿足水平荷載和豎向荷載。

由于鋼管樁具有強度高、耐錘擊性好、在強風化巖中穿透能力強等顯著優點，碼頭采用鋼管板樁結構形式，前排鋼管板樁采用直徑1300 mm鋼管樁，樁間采用定型鎖扣連接，鎖扣內灌素混凝土至泥面以下。鋼管樁中心間距1.379 m，底高程約-26.0 m，以⑦c強風化巖層作為樁基持力層，根據地勘資料，-26～-22 m持力層采用間隔嵌巖樁結構。上部為現澆鋼筋混凝土導梁，胸墻后設級配碎石和土工布作為倒濾結構。碼頭斷面見圖3。

圖3 碼頭斷面及鋼管板樁間隔嵌巖(高程：m；尺寸：mm)

錨碇體系由錨碇樁、錨碇墻組成，錨碇樁同樣采用直徑1 300 mm鋼管樁，樁中心縱向間距3 m，基樁上部現澆錨碇墻，墻前設拋石棱體，前板樁與后錨碇樁中心距離35 m，中間設置鋼拉桿，拉桿直徑90 mm，間距1.379 m。碼頭前沿胸墻與導梁整體澆筑，上方設置軌道梁，軌道梁間距12 m，海側軌道梁下采用直徑1 300 mm間隔嵌巖鋼管板樁+直徑700 mm鋼管樁；岸側軌道梁一般段采用單排直徑700 mm鋼管樁，防風錨碇分段采用雙排直徑700 mm鋼管樁。為避免陸側軌道梁兩側回填后，場地使用期產生明顯的高差，在岸側軌道梁兩側增設鋼筋混凝土拖板以增加車輛通行的平穩性。場地內回填及地基處理后采用碎石墊層及混凝土路面作為面層結構。碼頭東西側各設置轉角封頭段，結構形式與碼頭結構基本相同。

本工程采用干地施工工藝，先期工程區域周圍實施臨時鋼板樁圍堰，由雙排U形鋼板樁和中間鋼拉索組成。板樁型號為CRP-U-1247，頂高程3.0 m，底高程-9.0 m。雙排板樁中間采用直徑30 mm、型號為6×7+IWS的鋼拉索，高程為1.5 m，間隔1 m布置。前后排鋼板樁之間和陸側以及施工場地范圍內回填土至高程3.0 m。

4.2 沉樁可行性分析

為了判斷樁基施工的可行性，對周邊鄰近工程進行調查，距本項目約6 km處已實施的某突堤碼頭護岸工程，采用直徑900 mm鋼管樁(密排，中心間距1 080 mm)，樁長26 m，樁尖設計高程-23 m。樁基施工已完成，采用D608型打樁機，KB80型樁錘，錘質量8 t。

根據工程區地質沉樁資料，施工區域上到下大致分為砂層、中細粉砂至粗砂層、堅硬黏土層、黏土質砂夾礁石層、粉質砂夾礁石層、粉砂巖夾板巖層(高度至全風化)，其中-18.0 m以下土層的標貫擊數大于50擊。該工程3根樁的打樁記錄見表3。

表3 臨近工程典型沉樁記錄

可見采用KB80型樁錘，能正常沉樁，樁基進入大于50擊的土層厚度約為5 m。為保證前墻穩定性，要求確保直徑1300 mm前鋼管板樁樁尖高程-25.0 m，進入大于50擊的土層厚度約為7 m，直徑700 mm鋼管樁和直徑800 mmPHC管樁樁尖約-20.5 m，見圖4，保證達到承載力即可。采用陸上沉樁工藝，先期工程區域周圍實施板樁圍堰，內部回填至高程1.0 m。陸上沉樁可采用履帶式打樁架，配置錘型可選擇的有柴油錘、振動錘或者液壓錘。

振動錘克服土體側摩阻力后沉樁入土，激振力設計值Fv按下式計算：

Fv>FR(=fUL)

(1)

式中：FR為振動錘的激振力計算值(kN)；f為土層單位面積的動摩擦力(kNm2),取砂性土取20 kNm2，黏土取40 kNm2；U為樁的周長(m)；L為樁的入土深度(m)，取20 m。

對激振力設計值按以下公式復驗：

FV=0.04n2M

(2)

M=Aω

(3)

式中：n為振動錘轉速(rs)，取20 rs；M為振動錘偏心距(N·m)；A為振幅(m)，取0.011 m；ω為樁和錘總重力(kN)，取15.5 kN。

經計算，振動錘的激振力設計值Fv> 2 430 kN，要求較高，只有較少的大型振動錘才能達到。結合成功的工程實例，認為選用柴油錘或液壓錘沉樁基本可行，因本工程的樁徑更大，進入硬土層更深，因此錘型應在KB80以上，具體可通過試打樁典型施工來確定[3]。

圖4 沉樁施工(高程：m；尺寸：mm)

4.3 結構計算分析

4.3.1內力計算

鋼管板樁組合墻結構為拉錨板樁結構，采用通用空間軟件Plaxis分析計算，選取標準結構分段進行結構受力分析[4]。Plaxis軟件計算采用有限單元法，土體材料采用摩爾-庫侖模型。施工期和使用期計算模型見圖5。

按照JTS 167—2018《碼頭結構設計規范》，采用豎向彈性地基梁法計算，樁基采用桿系有限元，水平地基反力系數按m法確定[5]。作用在碼頭結構上的荷載有結構自重、自重土壓力、均載土壓力、剩余水壓力、系纜力、撞擊力、岸橋荷載、波浪力等荷載，根據結構上可能出現的作用，按照承載能力極限狀態和正常使用極限狀態，結合相應設計狀況進行作用效應組合，按規范規定選取作用的分項系數和組合系數[6]，計算結果見表4。

圖5 Plaxis計算模型

表4 碼頭內力結果

注：Plaxis考慮后導梁墻前土作用；括號內數值為施工期最大位移；“”前數值為正彎矩(扭矩)，“”后數值為負彎矩(扭矩)。

4.3.2岸坡穩定計算

岸坡整體穩定計算按平面問題考慮，采用圓弧滑動法計算。選用LK12計算斷面，板樁結構經計算滿足岸坡整體穩定要求。

5 結語

1)本工程采用前墻間隔嵌巖鋼管樁、鋼拉桿錨定墻板樁式結構方案是合理、可行的。

2)通過Plaxis軟件采用有限單元法計算，本結構方案是安全的，內力、位移可控。

3)工程區域采用KB80以上柴油錘或液壓錘沉樁可行，可通過試打樁典型施工來確定錘型和停錘控制標準。

4)相關數據結論為間隔嵌巖板樁結構在越南永安地區碼頭工程中運用提供理論設計依據，為后續沉樁施工提供了技術支撐，供工程類似設計提供參考。