某重力式碼頭基槽開挖支護方案比選及應用效果

金泰賽，吳加武

(廣東省航運規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510050)

重力式碼頭是我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結構形式，具備耐久性好、受荷能力強、對超荷不敏感等優點。重力式碼頭由基礎將通過墻身傳來的外力擴散到較大范圍地基上[1]，因此重力式碼頭對地基持力層有一定要求，持力層一般須選在密實砂層、巖層或者地基承載力較高的混合土層。在表層為淤泥或淤泥質土層地區建設重力式碼頭，基槽開挖深度一般較大。

隨著經濟的快速發展，水運等交通基建工程迎來了較快的發展機遇，沿海和內河碼頭吞吐量每年都呈穩步上升趨勢，亟需在沿海及內河建立更大噸級的泊位，以滿足港區吞吐量及后方經濟腹地的發展需求。現階段優質岸線已被不斷開發利用，為充分利用寶貴的岸線資源，非優質岸線也需進一步開發，部分碼頭工程需在較不利的邊界條件下實施。在邊界條件復雜、有相鄰已建工程條件下建設重力式碼頭，基槽放坡開挖勢必影響相鄰已建工程安全穩定，對相鄰已建工程的有效防護是重力式碼頭能否實施的關鍵性因素。

1 工程概況

工程位于陽江港海陵灣港區吉樹作業區，建設2個3 000噸級多用途泊位，并兼顧靠泊5 000噸級船舶，碼頭總長度254 m。碼頭北側為在建J3#～J6#泊位，南側為已建的某基地。為減少開挖對已建工程的影響，碼頭采用重力式沉箱結構+樁基墩臺結構。其中重力式結構段長210.9 m，樁基墩臺結構段長43.1 m(圖1)。重力式段碼頭前沿頂高程5.0 m，底高程-8.1 m，沉箱底高程-12.0 m，基槽開挖底高程-14.0 m(圖2)。某基地北護岸(斜坡式)距離本工程重力式結構段基槽邊界最小距離為16.8 m，北護岸原泥面高程-1.2 m、頂高程5.0 m。重力式碼頭基槽開挖深度大，對某基地北護岸將造成不利影響，必須采取工程措施進行加固處理。

圖1 局部平面布置(單位：m)

注：N為標貫擊數，h為貫入深度(m)。

2 設計條件

2.1 設計水位(當地理論最低潮面起算)

設計高水位3.39 m，設計低水位0.51 m，極端高水位4.59 m，極端低水位-0.29 m，施工水位2.00 m。

2.2 工程地質

碼頭擬建場區上覆土層為淤泥質土或砂性土、花崗巖風化殘積層，下伏全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖(圖3)。土體物理力學參數見表1。

圖3 地質橫向剖面

表1 土體物理力學參數

3 設計方案

3.1 工程特點

為了最大程度利用規劃岸線，靠近某地基碼頭區域已在樁基墩臺段進行銜接處理，某基地北護岸(斜坡式護岸)前沿線距重力式段基槽開挖邊界最小距離為16.8 m。根據地質條件，結合周邊重力式碼頭基槽開挖邊坡確定為1:3，如放坡開挖，北護岸結構將導致垮塌。因此，對北護岸的有效防護是重力式結構段能否成功實施的關鍵。

該支護結構特點：1)支護周期短。支護周期為碼頭基槽開挖至沉箱后方回填的時間。2)支護高差大。基槽開挖深度大，支護結構前后最大高差約18 m。3)施工難度大。回填高程4.3 m，回填材料有塊石、素填土等，支護結構的選型需考慮可實施性。

3.2 工程目標及設計標準

該臨時支護結構的設計支護期為6個月。

工程目標：確保碼頭基槽開挖至后方回填完成期間相鄰的北護岸結構安全，不發生失穩破壞。

設計標準：碼頭基槽開挖期間，累計水平位移不大于60 mm、水平位移變化速率不大于5 mm/d。

3.3 支護方案比選

3.3.1支護方案1：雙排鋼板樁結構

采用U形組合雙排鋼板樁(CRP-U-1651)，樁頂部對拉焊接槽32b型導梁，縱向每隔2.4 m設置一道H型鋼架梁(高200 mm×寬204 mm)，以達到連接前后墻協同受力的目的，樁頂高程4.0 m，樁底高程-16.0 m。支護結構后方一定范圍內采用φ600 mm@1 500 mm高壓旋噴樁加固，以減少墻后土壓力(圖4)。

圖4 雙排鋼板樁支護結構

3.3.2支護方案2：密排灌注樁結構

前排采用φ1 500 mm@1 900 mm密排灌注樁，縫間采用φ600 mm高壓旋噴樁封堵，后排采用φ1 500 mm@5 700 mm灌注樁。樁頂高程0.5 m，樁底高程-19.0 m。樁頂現澆混凝土帽梁，高1.5 m。前后排結構通過現澆混凝土聯系梁相連，聯系梁高0.8 m(圖5)。

圖5 密排灌注樁支護方案

3.3.3支護方案3：注漿微型鋼管樁結構

微型樁是19世紀50年代由意大利人Lizz提出，并被Fondedile公司首先開發利用。目前，微型樁已被大量應用在邊坡抗滑、基坑圍護、軟土地基加固、建筑基礎加固等領域，取得了較多的研究成果[2-3]。微型注漿鋼管樁是利用地質鉆機鉆出直徑10～30 cm鉆孔，然后在鉆孔中植入管壁帶孔的小鋼管及注漿管道，回填碎石或瓜米石，采用一定壓力將水泥漿注入硬化形成一種新型的微型樁結構。注漿微型鋼管樁結構采用二次注漿工藝，漿液以壓力填充及擠密等方式將樁身及樁周土體加固，改善地基的整體性能，形成整體性好、力學性能優、化學穩定性好的結合體。注漿微型鋼管樁加固后的地基由樁體、樁周土體構成，一方面樁身發揮軸向承載力，鋼管起抗拉、抗壓、抗剪作用；另一方面壓力注漿改善了部分樁周天然土體的性質，提高了原地基土強度和模量，加強地基穩定性。

本工程支護結構根據基槽開挖深度分段設計。支護段1采用7排φ150 mm@800 mm微型樁，寬4.95 m，微型樁后方采用φ600 mm@1 200 mm高壓旋噴樁加固；支護段2采用8排φ150 mm@800 mm微型樁，寬5.75 m；支護段3采用6排φ150 mm@800 mm微型樁，寬4.15 m；支護段4采用5排φ150 mm@800 mm微型樁，寬3.35 m。各區段前排微型樁間均采用φ600 mm高壓旋噴樁封堵。微型樁樁頂高程為2.0 m，樁底高程根據開挖深度不同，為-19.0～-16.0 m，頂部現澆厚300 mm鋼筋混凝土面層將各微型樁連成一體(圖6、7)。

圖6 注漿微型鋼管樁加固平面布置

圖7 注漿微型鋼管樁岸坡加固典型斷面(開挖底高程-14 m)

3.4 方案比選

方案1(雙排鋼板樁結構)工程造價較低，但支護區回填塊石、護面塊石較多，鋼板樁需引孔才能沉樁，實施性較差；方案2(密排灌注樁結構)可實施性強，不受地基限制，但是造價較高、成孔時間長、施工進度較慢。方案3(注漿微型鋼管樁結構)具有施工設備小、施工速度快、施工質量可靠、對環境影響小、樁長和樁截面尺寸容易調節的特點[4-6]。微型鋼管樁除了自身鋼管具有良好的抗壓、抗拉和抗剪能力外，漿液在孔內與碎石骨料膠結成樁，提高樁側阻力，同時漿液向周圍土體滲透，改善樁周土性質，使樁和樁周土形成一個整體性較好的復合地基結構。通過小間距多排布置，加固的底部整體性好、形成強度大的結合體，在樁頂部澆筑鋼筋混凝土面板可將各樁上部連成整體，協同底部受力及變形。

綜合對比，本工程碼頭基槽開挖支護采用注漿微型鋼管樁結構。

4 推薦方案計算結果

4.1 墻體結構穩定性

注漿微型鋼管樁注漿后可形成整體性較好的結構，可視作擋土墻，按照規范[7]相關規定計算結構穩定性，結果見表2。

表2 墻體抗傾、抗滑穩定性計算結果

4.2 構件應力

受土壓力作用，墻身表現出前部受壓、后部受拉的特點。為簡化計算及保證結構安全，計算截面應力時不考慮樁身混凝土及樁周加固土體的抗拉、抗壓和抗剪作用，拉力、壓力、剪力均由鋼管承擔；樁身混凝土及樁間加固土體僅對鋼管起約束及聯結作用，計算結果見表3。

表3 鋼管截面應力計算結果

4.3 整體穩定性

岸坡整體穩定性計算考慮微型樁中鋼管的抗剪作用，Q235鋼管外徑89 mm、壁厚6 mm。采用圓弧滑動總應力法進行驗算，為保證支護期安全，考慮極端低水位和護岸后方有堆載的最不利組合。計算得抗力系數為1.664(圖8)，滿足規范[8]要求。

圖8 岸坡穩定性驗算結果

4.4 水平位移

采用有限元軟件建立數值模型，墻體采用實體單元模擬。采用m法模擬墻體-14.0 m以下入土段的墻土作用。計算得墻體頂部最大水平位移為27 mm。水平位移呈現自上而下逐步減小的特點，類似懸臂式支護結構的變形特征見圖9。

圖9 位移計算結果

5 加固效果

采用低應變法檢測樁身完整性，質量判定為I類樁，樁身完整性好。

支護結構前沿設置3根深層位移測斜管(圖10)，監測頻率為1次/d。監控基槽開挖至碼頭陸域回填整個施工過程的變形情況。

圖10 監測平面布置

深層測斜管監測數據顯示(圖11)，施工期水平位移變化速率為3.0～4.5 mm/d，在控制值5 mm/d以內。最大累計水平位移約為30 mm，與理論計算結果較為接近，亦在控制值60 mm以內。變形曲線呈現出懸臂式支護結構上大下小的特征，說明地基經過多排注漿微型鋼管樁加固后，形成一個剛度較大的類似擋土墻結構。

圖11 深處水平位移測斜管變形曲線

綜上，本工程采用注漿微型鋼管樁是合理可行的。

7 結語

1)本工程采用多排布置的注漿微型鋼管樁作為重力式碼頭基槽開挖的支護結構，利用壓力注漿的聯結效應和植入鋼管提供抗力，經實踐證明是有效可行的。

2)多排布置的注漿微型鋼管樁結構可參考重力式擋墻計算抗傾覆、抗滑移穩定性；考慮鋼管的抗拉、抗壓和抗剪作用計算構件應力和岸坡穩定性。支護期間應加強監控，確保結構及周邊環境安全穩定。

3)加強微型樁結構施工過程的質量控制，確保成樁質量滿足要求。