東非某重力式碼頭升級改造設計與施工

陸治周，許應杰

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

自交通運輸部2009年10月發布《關于沿海港口碼頭結構加固改造有關事宜的通告》后，我國已有序地開展老港升級改造，對節約和優化岸線資源、升級港口功能等具有重要意義[1]。顧海寬等[2]、董曉華等[3]調研大量國內外工程案例，形成了碼頭加固改造成套的技術、方法體系；胡家順等[4]針對海港重力式和高樁碼頭前沿線不變、前沿線前移兩種情況介紹不同改造技術的應用案例。本文結合墻前墩臺法在非洲東海岸某港重力式碼頭泊位升級改造工程中的應用，從碼頭現狀、結構升級設計特點、施工工藝和技術風險等方面，對老碼頭升級改造的設計和施工要點進行介紹和總結，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

非洲東海岸某港共11個泊位，修建于20世紀30—50年代，碼頭結構老化，功能已不能滿足其貨物吞吐量需求。業主通過世界銀行融資，對1#～7#泊位主體結構進行升級改造，并新建1個320 m長的滾裝泊位，其中1#～3#泊位為實心方塊重力式結構，見圖1。這3個泊位升級改造擴建部分采用高樁墩臺式結構；方塊為階梯式，其基礎采用暗基床[5]，原基床和護底厚約3.3 m，珊瑚礁石材質，塊徑為40～60 cm。基槽土層由上而下以密實砂、硬黏土為主，標貫擊數N為25～75擊。

圖1 某實心方塊舊碼頭典型斷面(高程：m)

碼頭主體結構改造前在役，總體穩定，后方鋪面局部沉降10～25 mm，方塊胸墻局部崩裂、掉塊，方塊前沿立面垂直度保持良好，系船柱、鋼爬梯及護舷板銹蝕、損壞嚴重，港池淤積約1 m。后方倉庫為雙層鋼磚混合結構，獨立圈梁，結構安全、在役。

倉庫及操作辦公樓距碼頭前沿約25 m，要求施工期能正常使用。港口作業通道狹小，限制重載平板車等大型移動設備通過。1臺老舊的5 t旋轉扒桿式散貨吊機已無動力、不能行駛，焊接固定在鋼軌上定點裝卸水泥、稻谷、咖啡豆等袋裝散貨。碼頭作業繁忙，業主分階段移交單個泊位供升級改造并設置竣工節點，工期緊、進度壓力大。

2 升級結構設計

2.1 基槽及岸坡調整

原方塊基床及港池護底層厚1.2～3.3 m，珊瑚礁石拋填結構，港池須浚深約5.9 m進行升級改造，擴建部分基槽及護坡拋填花崗巖進行防護。

初步設計擬對原基槽進行水下注漿再浚深[6]，以防岸坡及結構失穩，后經現場加密補勘發現，基槽土層標貫擊數普遍較高且以密實砂和硬黏土為主，通過增加擴建部分與現有結構間距、降低岸坡浚深坡比(由1:1變為1:1.15)、增加樁基排架間距等，詳細設計階段取消水下注漿，見圖2。

圖2 某舊碼頭升級改造典型斷面(尺寸：mm；高程：m)

2.2 樁型及樁位布置優化

擴建部分采用墻前高樁墩臺結構，樁基排架間距6 250 mm，每個排架3根樁、錯位布置，由岸向海依次為直樁、仰樁、俯樁，斜樁橫向間距1 600 mm。詳細設計將斜樁扭角由25°調為12°、仰樁斜率由1:4調為1:6、俯樁斜率1:8保持不變，見圖3，為打樁船沉樁擺位提供便利、間接提高沉樁質量，同時也降低了打樁震動對舊碼頭結構及岸坡穩定的影響[7]。經分析比選，采用φ1 000 mm B型PHC管樁，承載力能滿足結構荷載要求，且經濟性比鋼管樁和灌注樁突出。

圖3 擴建部分樁位布置(單位：mm)

2.3 上部結構形式比選

上部結構形式往往對工程經濟性、施工難度等影響較大。初步設計擬采用梁板結構，優點是可充分利用現有預制場提前預制部分構件、提高工效，缺點是經濟性不高且須現澆樁帽等多重工序。經比選最終采用現澆墩臺結構(圖2)，不再設置樁帽，單個結構段降低鋼筋用量68%(約202 t)、混凝土用量39%(約545 m3)，結構整體性更好，減少工序；擴建部分碼頭面僅寬9.64 m，墩臺支撐系統施工難度較低。

2.4 后軌道采用可調基座

擴建部分寬度較狹小，門機海側軌道布置在擴建部分、陸側軌道布置在改造部分。考慮到整個設計壽命周期新舊結構差異沉降，陸側軌道采用高程可調系統，見圖4、5。采用該系統，針對差異沉降，后期陸側軌道高程可調1～100 mm、水平可調1～20 mm，結構適應性強。

圖4 海側鋼軌系統

圖5 陸側可調鋼軌系統

3 改造施工技術

3.1 基本施工流程

改造施工分水上擴建、陸上改造兩部分進行。水上擴建施工流程：原護坡、護底塊石層挖除→新基槽及岸坡開挖→PHC管樁施打、夾樁→護底、護坡層拋填→上部結構施工。陸上改造施工流程：拆除舊護舷板、系船柱等靠泊設施→過渡板搭臺施工→后軌道梁施工→過渡板安裝→鋪面修整。水上、陸上結構主體施工完成后，安裝鋼軌、車擋等附屬設施，最后進行分部工程完工驗收、移交。

3.2 施工工藝控制措施

3.2.1高標貫擊數土層開挖

基槽浚深土層實勘為標貫擊數為25～42擊的密實砂、密實砂礫及硬黏土，開挖厚度從-16.10～-10.20 m，約5.9 m。作業深度和土質都超出了海貍HC50型小型絞吸船的正常工作性能范圍。經比選，采用6 m3抓斗船可以滿足作業深度，但抓斗質量僅有15 t，疏浚硬黏土時工效低、不能滿足進度要求且斗齒易折斷、斗槽前端常撕裂。解決方案1為在國內重新采購重型疏浚抓斗，成本高、調遣周期長，制約現場進度；解決方案2為現場加工、增加抓斗質量，成本較低，對進度影響較小，須提出改造申請并報批專項方案。結合現場實際，最終選擇并實施方案2。

從港池外沿到方塊立面前沿采用大段面、薄分層開挖工藝。硬黏土開挖工效由2駁d(約1 000 m3)提高到5駁d(約2 500 m3)，同時也基本避免了斗齒、斗槽頻繁損壞。

3.2.2岸坡及現有結構穩定控制

岸坡及碼頭現有主體結構的穩定是升級改造關注和控制重點，尤其是基槽疏浚及沉樁過程。經深層土體位移觀測等分析，采用大段面、薄分層開挖工藝，基本消除了疏浚對岸坡穩定的影響。打樁振動對岸坡及前沿方塊的穩定影響深遠，若控制不好可造成結構破壞。

舊碼頭方塊前沿沉樁施工采用6種控制措施：1)PHC樁鋼樁靴內焊十字板，加強樁靴剛度、提高其對硬土層穿透性能，同時增加樁端承載力；2)樁位處護底、護坡塊石清除干凈；3)先施打直樁再施打仰樁、俯樁，間隔排架沉樁，且錘擊過程盡可能連續，降低總錘擊數、減少振動的影響；4)驗算打樁船系纜力，設置岸上系纜樁，未經驗算嚴禁系船柱、護舷板等現有設施帶纜[8]；5)完成區段沉樁后，及時夾樁并拋填護坡、護底塊石，增加基槽及方塊基床壓載穩定；6)碼頭前沿及陸域設置表面沉降位移及深層土體位移監測點，以期及時發現異常。經現場踏勘及對監測數據的分析，打樁振動對岸坡及碼頭前沿穩定影響有限，方塊前沿立面垂直度幾乎沒有變化，方塊后方珊瑚礁石棱體和回填砂因沉樁振動而產生一定程度的二次密實，鋪面局部沉降最大30 mm，回填區與方塊區出現最大負向(向海側)裂縫22 mm，現有結構位移、沉降總體可控；后軌道梁施工時局部挖除此方塊區域后方并進行地基靜力觸探試驗，承載力特征值滿足要求，不予處理；軌道梁施工完成后分層回填中粗砂，采用小型平板機夯實。

3.2.3實心墩臺現澆施工

分層澆筑實心墩臺應結合結構特點劃分層數及各自厚度。通常過渡板搭接平臺頂部劃為第1層，并據此計算結構自重、設計底模支撐系統；排水溝或電纜溝底部為第2層；軌道槽底部為第3層；至碼頭面頂部為第4層。每層澆筑厚度為16～65 cm，每次澆筑工程量94～425 m3，岸上使用汽車泵澆筑，布料均勻、工效高。

利用擴建部分跨度小(僅9.64 m)等特點，底模系統支撐采用鋼抱箍法，避免了傳統的樁頂反吊法對施工空間的占用。面層澆筑以軌道槽底部為界，厚度16.2 cm，降低了軌道槽模板支設難度，也減少了批次澆筑工程量，給抹面和收面等后續工序留足時間，確保表觀質量。

3.2.4過渡板半預制半現澆施工

擴建墩臺與現有方塊碼頭前沿通過過渡板銜接，形成新的接岸結構。為了保證銜接面的平順和美觀，過渡板一般采用全現澆或半預制半現澆方式進行施工。該工程采用后者，即在預制場提前批量預制過渡板下半部分，通常為板厚的23；墩臺澆筑及舊碼頭前沿翻新后，定位、吊裝過渡板，支設安裝縫泡沫板或密封條，澆筑過渡板頂層，抹面、收光、養護，最后清理施工縫，接岸結構橫直、縱順、頂平。

3.3 施工注意事項

1)碼頭升級改造工程宜采用EPC(工程總承包)模式，施工方可提前介入升級改造結構設計，就施工可操作性、技術風險等提出建設性意見和方案，本質上保障工程質量、安全。

2)疏浚和沉樁等關鍵分項工程專項施工方案的編審、報批，必要時召開專題研討會、組織專家論證；實施過程中不得隨意調整工序或變更方案。

3)對現有結構物、建筑物進行表面沉降、位移及深層土體位移觀測等必要的監測工作，并及時分析、反饋，確保結構和施工安全。

4)與梁板結構不同，現澆墩臺分層是否合理將直接影響施工安全系數和工效，應綜合考慮結構特點、資源配置等因素。

4 結語

1)施工標貫擊數N為25～75擊的硬黏土時，可適當降低岸坡疏浚坡比，不需要注漿加固既有岸坡和基槽。

2)樁基采用PHC管樁，經濟性突出；叉樁扭角和仰樁斜率減小有效降低了沉樁難度和振動。

3)碼頭面擴建部分寬度較小(< 10.0 m)時，采用墻前高樁墩臺結構，優化顯著，采用抱箍法施工墩臺效率高。

4)后軌道采用可調基座系統，解決了墻前墩臺法新舊結構沉降變形差異的矛盾，值得推廣。

5)墻前局部分層開挖、間隔排架錘擊沉樁等工藝優化是控制既有岸坡穩定的有效措施，深層土體測斜則是墻后沉降、位移觀測的必要手段，觀測結果可靠。

6)新舊結構過渡板采用底部預制、頂部現澆的施工方法，可以保證新舊結構的平順連接，線形順直、表觀質量好。

7)該碼頭已按期竣工移交、投入運營，社會效益和經濟效益顯著，是墻前高樁墩臺法應用于重力式結構老碼頭升級改造的成功案例。