漢江內(nèi)河碼頭工程中PHC樁應(yīng)用研究

艾紅霞，黃亞棟，羅家安

（1.武漢綜合交通研究院有限公司，湖北 武漢 430015；2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051）

1 工程概況

荊門(mén)市沙洋港中心港區(qū)一期綜合碼頭工程，位于沙洋港，漢江興隆樞紐常年庫(kù)區(qū)。建設(shè)規(guī)模為：新建6個(gè)1 000 t級(jí)泊位，年設(shè)計(jì)吞吐量690萬(wàn)t。其中散貨泊位4個(gè)，年設(shè)計(jì)吞吐量為進(jìn)口300萬(wàn)t，出口140萬(wàn)t；件雜泊位2個(gè)，年設(shè)計(jì)吞吐量為進(jìn)出口50萬(wàn)t。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，雖然地質(zhì)條件滿足打入樁的條件，但是因受漢江航道條件限制，省內(nèi)及鄰省未找到能到達(dá)施工區(qū)域且適宜在本港區(qū)作業(yè)的打樁船型，故未考慮打入樁方案。隨著漢江通航條件的改善和興隆樞紐建成蓄水以及打樁船的技術(shù)改造，在施工招標(biāo)后，對(duì)工程區(qū)域進(jìn)行了復(fù)測(cè)及探摸，同時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的打樁船進(jìn)行了充分調(diào)研，皖工樁801型號(hào)打樁船經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后，基本能滿足在本碼頭區(qū)域?qū)嵤┐蛉霕兜囊螅虼吮疚慕Y(jié)合該項(xiàng)目對(duì)碼頭工程的樁基方案進(jìn)行研究。

1.1 自然條件

1）設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位41.85 m，設(shè)計(jì)低水位35.93 m。

2）工程地質(zhì)

本區(qū)屬揚(yáng)子區(qū)江漢平原分區(qū)、江陵小區(qū)，荊門(mén)市東部漢江凹陷帶。根據(jù)場(chǎng)區(qū)鉆孔地質(zhì)勘察資料可知，場(chǎng)地土自上而下，自新到老可分為6層：素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂和卵石層。其中卵石層工程性能較好，厚度較大，承載力較高，壓縮性較低，埋深適中，分布較穩(wěn)定，是本碼頭工程主要考慮的樁基礎(chǔ)持力層。主要樁基參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 原設(shè)計(jì)方案

圖1 原設(shè)計(jì)方案碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

碼頭平面采用順岸式布置方式，共布置6個(gè)泊位，碼頭平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)。碼頭平臺(tái)長(zhǎng)為613.5 m，寬為20 m，平臺(tái)共有19個(gè)結(jié)構(gòu)段，每個(gè)分段長(zhǎng)約為32 m，碼頭排架間距為7 m，1#～6#泊位碼頭平臺(tái)每榀排架下布置5根Φ1 000鉆孔灌注樁。根據(jù)碼頭配備裝卸機(jī)械，裝卸機(jī)械軌道間距為10.5 m，布置在碼頭平臺(tái)上，前軌至碼頭前沿3.0 m，采用QU80鋼軌，散貨泊位與件雜泊位之間布置碼頭車輛轉(zhuǎn)向區(qū)域，寬38 m，每榀排架下布置9根Φ1 000鉆孔灌注樁。碼頭上部結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土實(shí)心板、靠船構(gòu)件、縱梁、前邊梁、后邊梁和橫梁組成。碼頭與后方堆場(chǎng)采用高低式布置，碼頭面高程為42.00 m。

1.3 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案

由于鉆孔灌注樁方案的施工工期長(zhǎng)，且受漢江洪水期影響很大，此外隨著漢江通航條件的改善和興隆樞紐建成蓄水以及打樁船的技術(shù)改造，具備打樁船作業(yè)條件。我院根據(jù)漢江現(xiàn)階段的航道條件、沿線跨河橋梁凈空尺度、船閘尺度、地質(zhì)條件、打樁船參數(shù)等條件，對(duì)碼頭區(qū)域樁基方案進(jìn)行了計(jì)算和研究，提出采用PHC樁方案進(jìn)行論證[1-2]。

碼頭平面采用順岸式布置高樁梁板結(jié)構(gòu)。碼頭平臺(tái)長(zhǎng)為613.5 m，寬為20 m，平臺(tái)共有19個(gè)結(jié)構(gòu)段，每個(gè)分段長(zhǎng)約為32 m，碼頭排架間距為7 m。每榀排架下端布置 5根 PHC樁，其中第一排為Φ1 000 PHC樁，其他為Φ800 PHC樁。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，采用了一對(duì)叉樁，有效減小了碼頭在使用中的橫向位移，提高了碼頭的抗水平力能力，更加適應(yīng)隨著漢江航道等級(jí)的提高而帶來(lái)的船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意

1.4 打樁船的技術(shù)改造方案

漢江通航條件的改善和興隆樞紐建成蓄水，其航道水深能夠滿足打樁船吃水深度的要求。但是由于漢江河口京漢鐵路大橋通航凈空只有8 m，不能滿足打樁船進(jìn)出。后經(jīng)過(guò)調(diào)研，選擇合適的打樁船，采取拆下打樁船的打樁架，用駁船和推輪分別運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)附近，再在附近的船廠重新組裝，形成打樁能力。打樁船的技改工藝過(guò)程如下：

1）拆除樁架系統(tǒng)上所有活動(dòng)部件，含柴油錘、替打、背板等；

2）拆除樁架吊樁主鉤、副鉤、雜用鉤鋼絲繩以及電梯鋼絲繩；

3）拆除樁架照明系統(tǒng)供電電纜及與樁架相連的電氣設(shè)備；

4）拆除樁架變幅絲桿底座，并將變幅絲桿與樁架剛性連接牢固，防止變幅絲桿在吊裝過(guò)程中的損傷、變形；

5）制作拆除樁架兩下鉸點(diǎn)銷軸的工裝，并采用千斤頂抽出銷軸；

6）吊離樁架，并在空中翻身，側(cè)臥至甲板駁艙內(nèi)，墊墩、固定牢固；

7）以船艉船員室三層樓頂部上200 mm高度為標(biāo)準(zhǔn)，割除兩煙囪、樁架擱置架、機(jī)艙天窗、船名燈箱、桅桿及四周欄桿等，確保打樁船滿足通航凈空高度要求。

8）將航工樁 6所有錨吊上船甲板，確保船舶吃水不大于 1.5 m，且船底為凸取物，以便船舶安全通過(guò)船閘。

9）打樁船和甲板駁抵達(dá)項(xiàng)目部施工地點(diǎn)后，即開(kāi)始進(jìn)行打樁船樁架的安裝及打樁功能的恢復(fù)。打樁船安裝地點(diǎn)選定在該項(xiàng)目施工水域，利用停靠在岸上的3臺(tái)汽車吊進(jìn)行樁架的安裝。

10）恢復(fù)樁架變幅絲桿底座，盡量按原位置定位、安裝；恢復(fù)兩煙囪、機(jī)艙天窗、船名燈箱、桅桿及四周欄桿等，確保打樁船滿足正常作業(yè)要求；豎立樁架、安裝各吊鉤鋼絲繩、樁架角度指示器、接通樁架供電電纜、恢復(fù)樁架的照明等，為沉樁工作做好準(zhǔn)備。

圖3 打樁架拆卸裝駁示意

圖4 打樁架安裝示意

2 碼頭兩種方案結(jié)構(gòu)計(jì)算對(duì)比

2.1 建立計(jì)算模型

本碼頭共分為9個(gè)結(jié)構(gòu)段，選取其中1個(gè)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行受力分析，該結(jié)構(gòu)段長(zhǎng)為32 m，共5個(gè)排架，排架間距為7 m。采用在國(guó)內(nèi)運(yùn)用較為廣泛的易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行建模計(jì)算。在計(jì)算中將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面桿系，利用桿系有限單元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[3-4]。

圖5 建立的有限元計(jì)算模型

2.2 碼頭內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

碼頭平臺(tái)排架的作用荷載包括結(jié)構(gòu)自重、碼頭面均布荷載、船舶系纜力和船舶撞擊力、流動(dòng)機(jī)械荷載及門(mén)機(jī)荷載等。荷載組合按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行組合，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 碼頭計(jì)算內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可知，兩個(gè)方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

3 碼頭兩種方案工程造價(jià)對(duì)比

3.1 工程量比較（樁基礎(chǔ)部分）

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，原設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化后方案樁基部分的工程量見(jiàn)表3和表4。

表3 原設(shè)計(jì)方案的工程量

表4 優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案的工程量

3.2 預(yù)算比較（樁基礎(chǔ)部分）

通過(guò)計(jì)算，原設(shè)計(jì)方案樁基部分的總預(yù)算費(fèi)用為3 274.77萬(wàn)元，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案樁基部分的總預(yù)算費(fèi)用為2 847.72萬(wàn)元（含打樁船技術(shù)改造費(fèi)用27萬(wàn)元），由鉆孔灌注樁設(shè)計(jì)方案改為PHC樁的設(shè)計(jì)方案，能節(jié)省樁基部分造價(jià)427.05萬(wàn)元（占比為13.04 %）。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）荊門(mén)市沙洋港中心港區(qū)一期綜合碼頭現(xiàn)已經(jīng)投產(chǎn)使用將近3年，目前PHC樁的使用性能良好，完全滿足使用要求。

2）隨著漢江通航條件的改善和興隆樞紐建成蓄水以及打樁船的技術(shù)改造，設(shè)計(jì)單位及時(shí)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件優(yōu)化原設(shè)計(jì)方案，采用 PHC樁基結(jié)構(gòu)形式，與原鉆孔灌注樁方案對(duì)比，在樁基部分節(jié)省造價(jià)13.04 %。

3）隨著漢江內(nèi)河水運(yùn)的快速發(fā)展，內(nèi)河碼頭建設(shè)將成為交通運(yùn)輸體系構(gòu)建的重點(diǎn)任務(wù)。本工程與同類碼頭相比，具有工程造價(jià)相對(duì)較低、施工速度較快以及受漢江洪水期影響小等優(yōu)點(diǎn)，為漢江地區(qū)類似內(nèi)河碼頭的建設(shè)提供了很好的參考價(jià)值。