外海復雜地質碼頭結構選型

虞紅海

(寧波舟山港集團，浙江 寧波315800)

我國港口經過幾十年建設，易開發岸線資源大多已被利用，船舶大型化使碼頭泊位逐漸向外海發展，如何在外海復雜海岸、復雜海域、開敞海域等惡劣的條件下建造港口對技術創新提出了新挑戰，特別是對外海復雜地質條件下適應惡劣條件的碼頭結構形式確定提出新的要求，嵌巖樁基結構應運而生。嵌巖樁在港口工程中使用以來，在沿海地區應用已趨于廣泛，目前嵌巖主要采用沖擊鉆機及回旋鉆機成孔的方式，但沖擊鉆在斜樁嵌巖施工中由于重力作用容易造成嵌巖段與護筒段偏離，且對孔壁具有一定的破壞，而回旋鉆在大直徑斜樁嵌巖中須設置導向孔，鉆進效率相對較低。海上大直徑斜樁嵌巖旋挖鉆機鉆孔施工工藝則能很好地解決了以上問題。本文依托寧波某碼頭工程，根據工程地質、施工工藝和造價等因素，對兩種結構方案進行對比分析，提出適應外海復雜地質條件下的合理結構形式和相關措施，研究成果可供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

工程位于寧波穿山半島北側，水工部分主要建設30萬噸級卸船碼頭、5萬噸級裝船碼頭、3.5萬噸級裝船碼頭。其中卸船碼頭長331 m，寬36 m，設計碼頭面高程7.67 m(當地理論最低潮位)，設計泥面高程-24.6 m。結構安全等級為二級，設計使用年限為50 a。

卸船碼頭區域海域廣闊，地形坡度一般為4°～10°，大部分水深較深，海底主要沉積淤泥質夾粉土質物質。碼頭西端約130 m區域，大部分區域基巖出露，少量有覆蓋層的區域自土層上而下分別為0.6～2.3 m厚填土層、0.2 m厚粉質黏土層、1.2～2.2 m厚全風化熔結凝灰巖層、0.7～2.2 m厚強風化熔結凝灰巖層。碼頭東端約80 m地質土層自上而下分別為0.6～10.7 m厚淤泥質粉質黏土層、1.8～20.5 m厚粉質黏土層、0.8～4.4 m厚粉質黏土混碎石層、1.0～2.3 m厚強風化熔結凝灰巖層，見圖1。

圖1 工程典型地質剖面

2 結構方案比選

2.1 樁基選型

2.1.1計算分析

依據《巖土工程勘察報告》[1]，卸船碼頭西端區域覆蓋層較薄，局部地區基巖裸露，巖面起伏較大，基礎宜選擇嵌巖樁結構或重力式沉箱結構。而該碼頭區域水流流速較大，流態較為復雜，重力式結構對流態影響大，會對船舶系靠泊產生不利影響，且本工程范圍基巖起伏較大，重力式結構的基床施工難度大、工程量大[2]，故此范圍碼頭結構形式擬選擇基礎為嵌巖樁的高樁梁板結構。

卸船碼頭西端嵌巖樁嵌入⑨3層中風化熔結凝灰巖，東端區域基巖埋藏較深，覆蓋層厚，樁基采用打入樁，也采用⑨3層中風化熔結凝灰巖作為樁基礎持力層。

按《港口工程樁基規范》[3]要求進行樁基軸向極限承載力計算，在承載能力極限狀態持久組合下的樁基內力結果見表1。

表1 卸船碼頭嵌巖樁段計算結果

經結構計算分析，在滿足結構安全正常使用情況下，嵌巖段樁基根據樁的布置可分別選擇φ2 500 mm斜嵌巖樁或φ2 800 mm直嵌巖樁。

2.1.2結構方案A

卸船碼頭結構采用高樁梁板式結構，排架間距12 m，碼頭西端樁基采用斜嵌巖樁，每榀排架共布置4根φ2 500 mm嵌巖樁，排架兩端嵌巖樁為直樁，中間布置1對7:1嵌巖斜樁，嵌巖樁芯柱直徑均為2 350 mm，嵌巖深度進入⑨3層7.5 m，典型斷面見圖2。東端采用傳統鋼管打入樁，每榀排架共布置10～11根φ1 400 mm鋼管樁。碼頭上部結構采用現澆橫梁+疊合式預應力縱向梁系和疊合面板結構，下橫梁寬4 800 mm、高2 200 mm，上橫梁寬2 700 mm、高2 400 mm，疊合板總厚510 mm，其中預制面板厚350 mm。

圖2 結構方案A斷面(尺寸：mm；高程：m。下同)

2.1.3結構方案B

卸船機碼頭結構采用高樁梁板式結構，排架間距12 m，碼頭基樁采用全直樁嵌巖樁，每榀排架共布置4根φ2 800 mm嵌巖樁，嵌巖樁芯柱直徑2 650 mm，嵌巖深度進入⑨3層9 m，典型斷面見圖3。碼頭上部結構采用現澆橫梁+疊合式預應力縱向梁系和疊合面板結構，下橫梁寬5 200 mm、高2 200 mm，上橫梁寬3 000 mm、高2 400 mm，疊合板總厚510 mm，其中預制面板厚350 mm。打入樁段及其上部結構其他部分同結構方案A。

圖3 結構方案B斷面

2.1.4工程量對比

兩種方案的工程量對比見表2。

表2 卸船碼頭工程量對比

2.2 穩樁方案設計

根據地質鉆孔及水深測量結果，卸船碼頭西端區域覆蓋層較薄，樁基無法自行穩樁，施工期須采取輔助穩樁措施[4-5]。常用的穩樁方案有人工基床和套箱方案。人工基床穩樁方案是通過水上拋填一定厚度的碎石基床，在裸露基巖或較薄淤泥層上形成一定厚度的覆蓋層滿足施工期大直徑鋼套筒在風、浪、流作用下的穩定要求。與套箱方案相比，人工基床穩樁方案的優勢在于：施工工序簡單，對施工精度的要求不高，可在很大程度上減小施工難度，減小水下工作量，加快施工進度，節約工程投資，但此方案水上拋填袋裝碎石的工程量大，應根據水深和覆蓋層情況細化拋填袋裝碎石范圍和厚度的設計，另外在嵌巖樁施工完成后須將碼頭前沿的拋填袋裝碎石挖除以恢復碼頭前沿的設計水深。

根據設計資料對典型斷面的水流力、波浪力進行計算，根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》[6]，并考慮拋填的袋裝碎石的基礎水平土壓力，經計算確定人造基床的最小厚度要求；按《碼頭結構設計規范》[7]和《公路橋涵地基與基礎設計規范》進行單樁傾覆穩定驗算，計算出穩樁覆蓋層最小厚度為12.64 m。

考慮到工程區域巖面有一定的斜度，施工期選用拋填總厚度約13 m碎石的人工基床穩樁方案，可保證嵌巖樁在施工期的穩定性，同時該方案也有實用性高，成本低、工期短、受自然條件影響小的優點。

3 樁基施工工藝分析

3.1 嵌巖樁工藝特點

目前嵌巖樁的成孔工藝主要有兩種：沖擊成孔和旋挖成孔[8-9]。沖擊成孔具有設備、工藝簡單且成熟、施工難度小、速度快的特點，但針對本工程的地質條件在施工過程中也易出現塌孔、縮頸、卡鉆、泥漿和混凝土外漏等問題。旋挖鉆雖然成本較高，但施工工藝較先進，基本能避免沖擊成孔易出現的問題，特別是與斜樁嵌巖相比有絕對優勢。

3.2 斜樁鉆機選型及質量控制要點

3.2.1斜樁鉆機選型

本工程斜樁選擇機動性強、可調整鉆機樁架斜率、適應多種樁徑和復雜地質條件[10]、鉆機速度快、占用空間小、環境污染小等優點的SWDM360H型旋挖鉆機。其動力頭最大扭矩為418 kN·m，鉆頭選用截齒鉆和牙輪筒鉆，并采用合金鉆增加鉆頭的剛度和耐磨性能，提高鉆進效率。利用SWDM360H 型旋挖鉆機進行施工作業，受旋挖鉆機扭矩所限，2.5 m直徑的嵌巖樁采用分級鉆進方式進行鉆孔，旋挖鉆機采用清水鉆孔，不使用泥漿護壁，有利于施工區域的環境保護。

針對地質強度不同配備截齒鉆和牙輪筒鉆兩種鉆頭，其中截齒鉆適用于黏土、塊石覆蓋層和強風化巖層的鉆進施工，見圖4；而牙輪筒鉆則適用于中分化巖層的鉆進施工。φ2 500 mm斜樁嵌巖樁分3級進行鉆孔施工，分別采用φ1 350、φ1 850和φ2 350 mm牙輪筒鉆逐段完成嵌巖段施工，牙輪筒鉆分級見圖5。

圖4 截齒鉆

圖5 嵌巖段牙輪筒鉆分級鉆孔

3.2.2質量控制要點

1)作為嵌巖樁鋼套管的鋼管樁沉放時應嚴格控制最小貫入度，防止管底變形、卷邊，造成嵌巖樁成孔困難。

2)鉆孔過程會對鉆頭造成磨損，每次鉆孔前應對錘頭進行有效直徑的復核，并對鋼絲繩進行定期檢查，防止施工過程中質量和安全事故。

3)由于施工區域地質情況比較復雜，應根據鋼管樁沉放后的數據，結合地質資料，詳細分析并勾畫出筒底與巖面間的關系，并針對特殊情況制訂特殊的施工工藝，當鉆頭底距鋼套管底0.5～1.0 m時，必須控制鉆機速率，防止因孔壁不穩固發生滲漏和坍塌故障。

4 經濟分析

按同樣的施工條件，分別對結構方案A和B進行經濟分析見表3。可以看出，方案A工程費用約為8 056萬元，方案B工程費用約為9 432萬元。方案A較方案B低1 376萬元，節省費用約14.6%。

表3 結構方案A和B的工程費用

5 結語

1)在外海復雜條件下，斜嵌巖樁具有樁徑小、結構抗水平荷載能力強、工程造價低的優點，選用較小直徑的斜樁嵌巖更為合理，是理想的外海淺覆蓋層大型碼頭的樁基形式。

2)在斜嵌巖樁施工工藝方面，采用回旋鉆機施工出現的質量問題相對較小、工藝先進、環保達標，是今后嵌巖樁施工的主導方向。

3)在施工期穩樁措施方面，采用拋填袋裝碎石基床穩樁效果較好，具有地質適應性強、施工成本低、施工工期短、受自然條件影響小等優點，適應外海復雜地質條件下的建設要求。