高樁碼頭小范圍結構撞損檢測與評估

張翠瑩，劉全興

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北武漢 430060）

引言

某海港在建高樁梁板碼頭，在施工過程中意外受到超等級船舶撞擊，碼頭結構發生局部損害，為評估碼頭結構受損程度，并為后續碼頭結構修復提供科學依據，需合理確定碼頭檢測范圍和結構檢測方案。

1 依托項目概況

1.1 結構概況

某沿海煤炭進口碼頭，共設計1 萬t 駁船卸煤作業泊位2 個，泊位總長265 m，寬24 m。碼頭水工結構采用高樁梁板結構，排架間距8 m，共設計排架34 榀，每榀排架下布置4 根φ1 350 mm 灌注樁。上部結構由鋼筋砼迭合板、現澆前邊梁、預安軌道梁、預安縱梁、預安后邊梁和現澆橫梁等組成[1]。碼頭結構典型剖面圖見圖1。

圖1 碼頭結構典型剖面示意圖

1.2 碼頭損害過程及損害表現

該碼頭煤炭卸船用橋式抓斗卸船機采用整機上岸形式進行運輸安裝，考慮到項目工期需求，在碼頭1 號泊位施工完成、2 號泊位施工完成40 %的情況下，碼頭4 臺橋式抓斗卸船機由5 萬t 級半潛駁一次運輸到場，半潛駁計劃在1 號泊位及部分2號泊位前沿靠泊，并在1 號泊位整機上岸。本項目碼頭設計船型為1 萬t 駁船，而卸船機運輸船為5萬t 級半潛駁，屬超等級船舶靠泊，為保證靠泊安全，靠泊過程中雖然采取了減載、多拖輪輔助靠泊等多重安全保障措施，但受碼頭前沿突發大流速潮汐橫流影響，半潛駁船船首球鼻艏意外擦碰到碼頭2 號泊位13#排架、并撞擊14#排架（排架位置見圖2），碰撞事件發生后對碼頭進行了外觀檢查，碼頭1 號泊位、2 號泊位現有結構整體未發生明顯位移、碼頭樁基未見明顯彎曲或變位，碼頭13#、14#排架靠船構件混凝土局部掉角、14 號排架橫梁端部水平變位約2 cm、14 號排架橫梁兩側見混凝土明顯損害（見圖3）。

圖2 碼頭損害排架位置圖

圖3 碼頭14 排架損害圖

為進一步評估碼頭損害狀況、為下一階段的結構修復提供科學依據，需對碼頭進行損害檢測及評估。

2 碼頭結構損害檢測方案

2.1 損害檢測內容及范圍

該碼頭為典型的高樁梁板碼頭，碼頭損害發生時主體結構尚在施工，輔助工程系統尚未安裝，因此損害影響僅限碼頭主體結構，通過對主體結構的外觀檢查，初步確定損害檢測內容包括：樁基完整性及縱橫梁系完整性。考慮到此次結構損害程度較小、影響范圍有限，碼頭損害檢測范圍將以碰撞點為中心，采取初步確認檢測范圍、檢測、結構評估、確認是否擴大檢測范圍的步驟，逐步完成結構損害檢測與評估。本次撞損中心位于2 號泊位的14#排架，初步確認檢測范圍為13#、14#及15#排架，若13#和15#結構受損，應擴大檢測范圍[2]。碼頭排架示意圖詳見圖4。

圖4 碼頭排架示意圖

1）樁基檢測范圍

優先檢測14#前沿第一根樁14A，若此樁發現缺陷，則以該樁為中心擴大抽檢范圍，按照14B-13A-15A 的順序進行；若還存在缺陷，依次繼續擴大抽檢范圍。

2）梁板檢測范圍

外觀檢測范圍：橫梁HL13～HL15 外觀；13 號至15 號排架間軌道梁、縱梁。

混凝土內部缺陷檢測范圍：優先檢測HL14，若某樁段間的梁體外觀完好且未發現內部缺陷，則檢測終止；反之，則需擴大檢測范圍至HL13 和HL15。

2.2 樁基檢測方案

本項目樁基為鉆孔灌注樁，樁基設計直徑1.35 m，樁長30 m。常規的灌注樁樁身完整性檢測方法有預埋超聲管、取芯、低應變三種方法，這三種方法均需在樁頂橫截面設置擊震點或安裝相關傳感器[3]，就本工程實際現狀而言，由于需檢測樁基的上部結構已施工完成，已沒有可供檢測用的樁頂操作面，因而傳統檢測方法已經不適用于本工程。

根據《港口碼頭結構安全性檢測與評估指南》及《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》，既有結構下樁的完整性檢測，可采用樁側切割安放傳感器的小平臺，進行豎向激振的方法進行。

1）測試方法

在樁頂以下70 cm 處沿樁身四周對稱切割四個鍥形槽,鍥形槽布置見圖5。在一個槽安放加速度傳感器，用專用小錘敲擊在相對應的另一個槽頂混凝土面進行豎向激振，形成一個低應變彈性壓力波，彈性波向下行進時如遇到橫截面積或材料質量發生變化，就會激發出上行反射波，這些信號同樁底反射信號一起返回到接收側槽口，波信號經信號中心處理成數字信號并利用配套軟件進行分析，可以確定樁身是否完整以及在何處出現了什么樣的問題（如灌注樁的擴徑、縮徑、離析、孔洞、夾泥和打入式樁的斷裂、損傷等）。

圖5 樁身完整性檢測測點布置示意圖

2）評定完整性等級劃分標準

依據《水運工程地基基礎試驗檢測技術規程》，并參照有關標準，將樁身質量分為四類：

Ⅰ類：檢測波波形無異常反射、波速正常、樁身完好。

Ⅱ類：樁身砼結構基本完整，存在輕微缺陷，對樁的使用沒有影響。

Ⅲ類：樁身砼結構完整性介于Ⅱ類和Ⅳ類之間，一般存在明顯缺陷，對樁的使用有一定影響。宜采用鉆芯法或聲波透射法等其它方法進一步判斷或直接進行處理。

Ⅳ類樁：檢測波波形嚴重畸變、樁身有嚴重缺陷或斷樁。

Ⅰ、Ⅱ類樁為完整性合格樁，Ⅲ類、Ⅳ類樁均為完整性不合格樁，Ⅲ類樁一般需要設計單位復核承載力后提出是否進行處理的意見，Ⅳ類樁則必須進行工程處理。

2.3 梁系及面板檢測方案

1）水上外觀檢測

對碼頭水上部分的外觀質量進行檢查，并記錄缺陷狀況。若存在外觀缺陷，則對現有的外觀缺陷進行拍照，并用鋼尺測量裂縫長度和破損面積，用智能裂縫測寬儀測量裂縫最大寬度。

2）混凝土內部缺陷檢測

測點布置：

在被測構件的一對平行（或等測試距離）的測試面上，布置超聲測試區域，每處檢測區域進行超聲測點網格布置，測點間距為200 mm。

各超聲波測點用透明黃油作耦合劑進行充分耦合，采用對測法，依次測出各對應測點的聲時值并記錄。

數據處理及判定：

根據混凝土內傳播的聲時值計算得出混凝土聲速值，進而計算混凝土聲速值的平均值、標準差和變異系數：

式中：

vi——第 i 對測點的聲速值（i=1、2、3 … n）（km/s），精確至0.01 km/s；

vm——各測點聲速值的平均值（km/s），精確至0.01 km/s；

Sv——各測點聲速值的標準差（km/s）；

n ——測點數量；

δv——聲速變異系數（%），精確至0.1 %。

將測區各測點的聲速值由大到小按順序排列，即：

將排在后面明顯偏小的數據視為可疑，再將這些可疑數據中最大的一個（假定為vn）連同前面的數據按上式計算出平均值和標準差，根據下式計算出異常情況的判斷值v0：

式中：λ1——修正系數。

將判斷值v0與可疑數據中最大值vn相比較，如vn≤v0，則vn及排列于其后的各數據均為異常值，并且去掉vn，再用v1～vn-1進行計算和判斷，直到判不出異常值為止；當vn＞v0時，應將vn+1放進去重新進行計算和判別。據此可以判斷該區域是否存在異常點，即缺陷狀況。

3 碼頭結構損害檢測結論

3.1 樁

1）外觀檢查

本項目樁基采用鉆孔灌注樁，樁基外壁由施工用鋼護筒包覆，因而樁身未見表觀裂縫，樁基表觀缺陷主要表現為，14A 樁頭與橫梁連接處混凝土受扭碎裂，碎裂面積為50 cm×10 cm。

2）樁身完整性

根據檢測順序，首先對14A，13A 及15A 三根樁基，采用側切割鍥形槽法進行低應變樁基完整性檢測，每根樁分別進行了4 組完整性檢測測試實驗，實驗完成后對相關波形進行分析，經判別所檢測的3 根樁均為Ⅰ類樁[4]。樁基檢測典型波形圖見圖6。

圖6 14A 低應變檢測波形圖

3.2 橫梁

1）外觀檢測

梁系外觀檢測首先對HL13 和HL14 開展。

HL13 主要缺陷為：軌道梁至碼頭后沿方向第一榀縱梁間：下橫梁西側共計2 條裂縫，其中最大裂縫長度為169 cm，最大裂縫寬度為0.11 mm；下橫梁東側共計1 條裂縫，裂縫長度L=181 cm，最大裂縫寬度W=0.11 mm。

HL14 主要缺陷為：從北端往南300 cm 范圍內混凝土破損露筋，鋼筋變形，鋼筋與混凝土之間粘結力破壞。軌道梁至碼頭后沿方向第一榀縱梁間：下橫梁西側共計14 條裂縫，其中最大裂縫長度為180 cm，最大裂縫寬度為0.43 mm；上橫梁西側共計9 條裂縫，其中最大裂縫長度為200 cm，最大裂縫寬度為0.48 mm；上橫梁東側共計5 條裂縫，其中最大裂縫長度為 200 cm，最大裂縫寬度為0.32 mm；上橫梁底部共計7 條裂縫，其中最大裂縫長度為170 cm，最大裂縫寬度為0.28 mm。

圖7 HL14 混凝土表觀損害示意圖

HL13、HL14 檢查完成后，對臨近的HL12 和HL15 進行了檢查，未發現外觀可見損害。

2）混凝土內部缺陷檢測

橫梁混凝土內部缺陷檢測對于肉眼可見混凝土碎裂區域進行了分區，其中混凝土裂縫寬度小于5.0 mm 的開展內部缺陷檢測，對于混凝土裂縫寬度大于5.0 mm 的區域，由于混凝土表觀裂縫嚴重影響超聲波的發射與收取，人為判斷內部存在缺陷。根據橫梁裂縫實際情況，此次橫梁檢測范圍主要集中在HL13 橫梁13A～13D 段及HL14 橫梁14A～14D段，經測試相關檢測部位超聲波形較好，被測試區域混凝土聲速在4.560 km/s～4.880 km/s 之間[4]，且聲速值的離差系數均較小（2 %），被測試構件混凝土內部質量密實性良好，未發現明顯缺陷。

3.3 縱梁

1）外觀檢測

通過對HL12 與HL15 間縱梁外觀檢測后發現，縱梁損害主要發生在HL12 排架與HL13 排架間，主要表現為混凝土表面受拉開裂。本項目碼頭共布置6 榀縱向梁系，在HL12 與HL13 間的縱梁均出現了表觀拉裂，其中最大裂縫長度為150 cm，最大裂縫寬度為0.81 mm。

2）混凝土內部缺陷檢測

對所涉及到的縱向梁系進行了混凝土內部探傷檢測，相應檢測部位超聲波形較好，被測試區域混凝土聲速在4.580 km/s～4.900 km/s 之間，且聲速值的離差系數均較小（2%），被測試構件混凝土內部質量密實性良好，未發現明顯缺陷。

4 檢測結論及修復建議

4.1 檢測結論

本項目碼頭結構在超等級船舶的意外撞擊下發生了局部損害，由于船舶瞬間撞擊力較大，使得碼頭橫梁HL14 前端瞬間發生混凝土彎曲破壞，從而吸收了絕大部分撞擊能量，避免了碼頭整體結構損害的進一步發展，通過對樁基、混凝土梁系的外觀和內部檢測可知，碼頭結構損害僅在小范圍內發生，碼頭受損程度有限，不影響整體結構的安全和耐久性。

4.2 修復建議

目前常用的碼頭結構修復方法有以下幾種[5]：1）列席灌漿修補法；2）外包混凝土加固法；3）高分子聚合物砂漿涂抹法；4）外貼高強纖維材料或鋼板加固法；5）纖維混凝土加固法；6）噴射砂漿法；7）更換法；8）體外預應力混凝土法等。合理的修復方案應根據項目的設計條件、使用條件、施工條件等綜合確定，本項目主體結構施工尚未完成，主要施工設備機具仍在施工現場，且碼頭尚未移交，因而采用更換法最為合適。根據碼頭結構檢測結論，僅HL14 前端由于混凝土受扭損害嚴重，其余部分構件均表現為表觀裂縫，因而推薦對HL14 前端進行更換，對其余部分采取高分子聚合物砂漿封閉裂縫的修復方案。

5 結語

在碼頭結構損害發生后，合理的檢測范圍、適宜的檢測方案，不僅能正確評估碼頭受損情況，同時也將對后續的結構修復起到指導作用。本項目損害發生后，立即啟動檢測程序，為后續結構修復提供了科學依據，可供類似情況碼頭結構檢測參考。