老舊碼頭修復(fù)加固設(shè)計方案研究

◎ 徐昕 廣東正方圓工程咨詢有限公司

1.工程概況

某碼頭建成于1969年，位于廣東省沿海某地區(qū)，碼頭結(jié)構(gòu)為高樁梁板式碼頭。碼頭作業(yè)平臺長128.0m，寬13.7m，共設(shè)26榀排架。碼頭作業(yè)平臺通過三座引橋與陸域銜接，引橋平面尺度均為15.5m×9.5m。碼頭及引橋樁基均為500mm×500mm的混凝土方樁，后方接岸及護岸均為漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)。碼頭自投入使用已有53年之久，由于長期受海水侵蝕及外力作用，部分構(gòu)件受損嚴重，主梁及面板出現(xiàn)較多裂縫、鋼筋銹蝕、脫落等現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。

為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，避免現(xiàn)有岸線資源浪費，排除安全隱患，需對該老舊碼頭進行修復(fù)加固方案研究[1]。

2.碼頭檢測、測量、勘察

原碼頭建設(shè)時間久遠，資料匱乏。碼頭的地質(zhì)勘察、設(shè)計資料與竣工資料均遺失，僅有一次碼頭大修的草圖，且碼頭未進行過結(jié)構(gòu)檢測。因此，開展修復(fù)加固工作存在諸多限制條件，僅憑大修草圖難以得出合理的修復(fù)加固方案。

由于碼頭所處區(qū)域自然條件惡劣，受外力作用的隨機性大，且老舊碼頭受力狀態(tài)復(fù)雜。為尋求科學(xué)合理的修復(fù)加固方案，有針對性的對碼頭進行修復(fù)加固，本次首先對原碼頭進行檢測與評估，針對碼頭的不同受損情況，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對其性能做出綜合評價；其次，對碼頭區(qū)域的水深地形及結(jié)構(gòu)高程等展開測量工作；再次依據(jù)規(guī)范要求，對碼頭開展地質(zhì)勘察工作，獲取巖土計算參數(shù)，為碼頭的修復(fù)加固方案設(shè)計提供基礎(chǔ)資料。

根據(jù)碼頭的檢測情況，碼頭面層存在多處缺陷，缺陷形態(tài)主要表現(xiàn)為開裂，最大開裂寬度為3.0mm；面板存在開裂現(xiàn)象，最大開裂寬度為1.0mm，有多處面板出現(xiàn)混凝土破損現(xiàn)象，屬耐久性劣化；縱橫梁、樁帽均存在不同程度的混凝土開裂及混凝土破損露筋現(xiàn)象，屬耐久性劣化；1根基樁存在破損露筋缺陷，4根基樁存在斷開缺失缺陷，12根基樁存在縱向裂縫缺陷；基樁與海床結(jié)合部基樁表面情況正常，未發(fā)現(xiàn)開裂、淘空、移位等缺陷。

3.碼頭處理方案

該碼頭重要部位及構(gòu)件有部分中度損壞，次要部位及構(gòu)件大部分重度損壞，其中引橋結(jié)構(gòu)存在沉降、位移或變形，影響碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定等情況。因此，本碼頭港口主要設(shè)施技術(shù)類別評為四類，技術(shù)狀態(tài)評為差。碼頭的安全性評價為C級，適用性評價為D級，耐久性評價為D級。

本碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案設(shè)計在檢測結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合碼頭的測量、地質(zhì)勘察資料等，提出兩個方案進行比選。其中方案一為對碼頭進行整體修復(fù)加固：保留現(xiàn)有的樁作為儲備樁，同時對受損樁采取補強措施，對未損壞的樁進行常規(guī)保養(yǎng)。對上部結(jié)構(gòu)受損嚴重的梁板等構(gòu)件拆除重建；方案二為對碼頭進行局部修復(fù)加固，即保留碼頭現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，僅對檢測過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷構(gòu)件進行小范圍修復(fù)加固，同時在斷樁周圍增設(shè)基樁，對碼頭提出限制性使用措施。

方案比選：由于碼頭建設(shè)時間久遠，受當(dāng)時技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)的限制，碼頭使用至今存在較多的安全隱患。隨著近些年來水運事業(yè)的快速發(fā)展，航道條件不斷改善，船舶大型化迅速發(fā)展，老舊碼頭漸漸無法適應(yīng)港口的發(fā)展需求。因此，對該碼頭進行修復(fù)加固設(shè)計時，應(yīng)在修復(fù)破損結(jié)構(gòu)的同時，遠近結(jié)合，考慮碼頭的使用和發(fā)展需求，對結(jié)構(gòu)進行可靠加固。修復(fù)加固方案應(yīng)從安全性、科學(xué)性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，并結(jié)合現(xiàn)狀碼頭存在的問題、修復(fù)加固施工可操作性、碼頭實際使用需求等方面，選取合理的處理方案。由于該碼頭現(xiàn)狀技術(shù)狀態(tài)差，且碼頭停靠船型較原設(shè)計大，如果僅對結(jié)構(gòu)進行局部修復(fù)加固，將使碼頭在日后使用中存在較多的限制條件，也有可能造成新的安全隱患，無法從根本上徹底解決問題，增加日常維護的頻率。而對碼頭進行整體修復(fù)加固，不僅可有針對性的對結(jié)構(gòu)缺陷進行修復(fù)，同時可根據(jù)碼頭來船噸位大小、使用荷載等，對結(jié)構(gòu)進行整體加固，滿足使用需求。

綜上，從工程實施難易度、建設(shè)成本、安全性、船舶適應(yīng)性等多方面進行比較，推薦方案為方案一，即對碼頭進行整體修復(fù)加固。

3.1 基礎(chǔ)（樁）處理方案

根據(jù)檢測分析，該碼頭樁身存在多處缺陷，其中有4根樁存在局部斷開缺失的現(xiàn)象，對碼頭承載力以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均造成嚴重影響。碼頭原基樁為500mm×500mm的混凝土方樁，其抗彎性能稍弱，且使用已超過50年，樁的力學(xué)性能隨著結(jié)構(gòu)的老化進一步削弱。本次修復(fù)加固方案考慮到水下舊樁拔除施工難度大、工期長，處理不當(dāng)則容易對周邊土體產(chǎn)生較大擾動，且可能將樁拔斷，施工難度較大。因此設(shè)計中將舊樁保留作為儲備樁，針對斷樁、局部存在缺陷樁、未受損的樁分別采取相應(yīng)的處理方式，并根據(jù)碼頭使用需求及受力情況，對樁基進行補強[2]。具體處理措施如下：

圖1 斷樁修復(fù)加固示意圖

（1）斷樁的處理方式。工程中較為常見的對斷樁修復(fù)措施為：采用設(shè)置封底鋼套筒灌注水下混凝土的方式進行修復(fù)。該碼頭斷樁位置分水上和水下兩種，方案中針對兩種工況選取有效的措施對其進行修復(fù)加固。

本次修復(fù)加固方案中拆除上部結(jié)構(gòu)后，對缺陷位于水上的斷樁，首先將斷裂口鑿毛、沖洗，然后植入8根直徑25mm的鋼筋，用于斷樁的修復(fù)補強及與上部結(jié)構(gòu)的連接；植筋完成后在樁外套550mm×550mm、壁厚15mm的鋼護筒；灌注混凝土。完成斷樁的修復(fù)加固。

對缺陷位于水下的斷樁，先采取措施創(chuàng)造可施工的條件，然后進行修復(fù)加固。本次采用550mm×550mm、壁厚15mm的鋼護筒（長度可結(jié)合施工水位及工藝合理分段），內(nèi)側(cè)采用止水軟墊，從樁頭上部套入斷樁頂部1m左右（卡入殘樁頂部1m以上），以此來隔斷樁與外部的水，便于施工。抽干筒內(nèi)水后對樁頭進行清洗、鑿毛，植入直徑25mm的鋼筋或自旋式螺桿8根，然后澆筑混凝土。

施工后鋼護筒保留并在表面涂刷防腐涂層。斷樁修復(fù)后需等強度滿足規(guī)范要求后，方可澆筑上部結(jié)構(gòu)。

（2）局部存在缺陷樁的處理。根據(jù)檢測結(jié)果，樁基完整性檢測為Ⅱ類的樁，其水下部分的缺陷可不進行修復(fù)，水上部分的缺陷則按照以下方式進行修復(fù)加固：

對存在破損且有露筋缺陷的基樁，首先采用環(huán)氧砂漿對破損處進行修補，修補后在結(jié)構(gòu)的表面粘貼厚度為6mm的Q235鋼板，并在鋼板外側(cè)采用U型卡環(huán)與樁箍在一起。通過鋼板與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，達到對受損樁修復(fù)加固的目的。為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，鋼板粘貼固定后，在其表面涂刷防腐涂層。

對存在縱向裂縫缺陷的基樁，根據(jù)裂縫的寬度采取不同的修補方式。對于裂縫寬度在0.3mm以內(nèi)的基樁，采用注射法的方式，以低黏度、高強度的裂縫修補膠液進行修補，并在裂縫處用四層高強度Ⅱ級碳纖維布進行包覆處理；對于裂縫寬度在0.3mm以上的基樁，可采用注射法或壓力注漿法的方式，用裂縫修補膠液或改性聚合物水泥注漿料進行修補，同時在樁身范圍內(nèi)粘貼厚度為6mm的Q235鋼板進行加固。

（3）未受損樁的處理。由于碼頭長期處于海水環(huán)境中，存在氯離子滲透、海生物附著等現(xiàn)象，均對結(jié)構(gòu)造成不利影響。對未受損的樁，采取一定措施進行常規(guī)保養(yǎng)也是非常必要的。主要采取措施為：清理樁體，并對設(shè)計低水位以上的樁體涂刷防腐涂層，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

（4）碼頭整體樁基補強措施。由于利用現(xiàn)有的檢測手段，尚無法準(zhǔn)確的判斷基樁的實際力學(xué)性能，對判斷基樁是否適合繼續(xù)使用造成了一定的困難。因此，方案對于受外力影響而導(dǎo)致受損或者斷裂的樁，采取增設(shè)樁以“二”代“一”的方式對樁基進行補強。增設(shè)的樁強度、受力等均應(yīng)滿足要求，且不應(yīng)發(fā)生碰樁現(xiàn)象。

本方案在1根受損樁附近的合理位置設(shè)置2根樁代替，另外，在每榀排架增設(shè)3根樁，提高碼頭的整體受力。碼頭原有的基樁均作為儲備樁，不納入結(jié)構(gòu)力學(xué)驗算。采用此種樁基補強措施，不僅可避免直接利用舊樁可能存在實際受力不滿足的情況，又能利用舊樁的剩余力學(xué)性能，提高碼頭的整體穩(wěn)定性和使用安全性。

該碼頭原第一排樁為靠船樁，橡膠護舷直接與樁固定，樁與樁之間無水平撐連接，當(dāng)使用中操作不當(dāng)或水平力較大時，可能造成靠船樁出現(xiàn)斷樁、移位等現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)造成不利影響。結(jié)合該碼頭的使用特點及樁受損的區(qū)域特性，方案中在第一排樁外側(cè)增設(shè)一排樁，并設(shè)置靠船構(gòu)件、水平撐等以避免應(yīng)力過于集中到前排樁上，提高碼頭的整體水平抗力。

另外，由于新樁與舊樁受力狀態(tài)不同，舊樁經(jīng)長期使用基本沉降穩(wěn)定，新樁在一定時間內(nèi)受上部結(jié)構(gòu)及其他力綜合作用還會發(fā)生沉降，樁長選取的不合理，可能造成結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，對結(jié)構(gòu)造成危害。因此，在確定新設(shè)樁的樁長時，應(yīng)根據(jù)檢測得出的舊樁實際樁長，以及最新地質(zhì)勘察資料、持力層的力學(xué)參數(shù)等，計算結(jié)構(gòu)沉降量，確定合理的樁長。

（5）基樁類別的選取。碼頭基樁按成樁工藝分為打入樁、灌注樁和嵌巖樁三類。一般水上工程宜優(yōu)先采用打入樁，由于該碼頭修復(fù)加固保留原碼頭的樁，增設(shè)樁以“二”代“一”的方式進行補強，若選用打入樁，打樁船無法進入，不具備施工可行性。根據(jù)碼頭的地質(zhì)勘察資料以及施工可操作性，該碼頭增設(shè)的樁選用直徑1000mm的灌注樁，施工時可利用碼頭舊樁設(shè)置施工作業(yè)平臺，采用旋挖樁進行施工。

3.2 上部結(jié)構(gòu)處理方案

根據(jù)檢測結(jié)果，碼頭的綜合定級為D級：耐久性不滿足設(shè)計使用年限要求，結(jié)構(gòu)嚴重損壞。鑒于該碼頭面板、縱橫梁、樁帽等上部結(jié)構(gòu)受損面積較大、受損較嚴重，且使用期間已進行過多次修補，即使對缺陷進行修復(fù)，構(gòu)件的強度無法滿足碼頭日后使用荷載要求，存在較大的安全隱患。因此，方案對上部結(jié)構(gòu)的處理方式為拆除重建。

上部結(jié)構(gòu)拆除時，應(yīng)注意保護樁頭部分鋼筋，借助風(fēng)鎬、水刀、鋼釬等清除樁頭鋼筋四周包裹的混凝土；樁頭鋼筋若有生銹情況，可采用噴砂、鋼刷等，外表清洗可采用高壓水、壓縮空氣、丙酮等；樁頂嵌入上部結(jié)構(gòu)段的鋼筋應(yīng)滿足規(guī)范要求，當(dāng)鋼筋長度不足時，可采用焊接方式適當(dāng)加長。拆除上部結(jié)構(gòu)時，若不慎對樁頭鋼筋造成破壞，應(yīng)采用化學(xué)法植筋，植入深度及配筋率均應(yīng)滿足規(guī)范要求[3]。

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合碼頭施工期與使用期的不同荷載組合，考慮施工可操作性等，選取合適的截面，進行合理設(shè)計，避免少筋或超筋破壞。另外，由于碼頭位于沿海地區(qū)，風(fēng)浪較大，碼頭面板澆筑時需預(yù)埋Φ50mm的PVC管以形成透氣孔。

4.結(jié)論

目前港口已建碼頭存在達到設(shè)計使用年限后還需使用的現(xiàn)象較普遍，但因結(jié)構(gòu)已達到設(shè)計使用年限，存在較多安全隱患。且碼頭建設(shè)時受當(dāng)時技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制，無法適應(yīng)近些年來水運事業(yè)的快速發(fā)展。

為了恢復(fù)碼頭的使用功能，適應(yīng)港口的發(fā)展需要，對老舊碼頭進行修復(fù)加固是十分必要和迫切的。在選擇合適的修復(fù)加固方案前需收集原碼頭的設(shè)計和竣工資料、地質(zhì)勘察等基礎(chǔ)資料，詳細了解碼頭的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合檢測、測量、勘察等具體情況進行多方案比選，選取科學(xué)、合理的修復(fù)加固方案。

本文通過對廣東某沿海碼頭工程的實際案例進行剖析，在老舊碼頭的資料采集、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)處理等方面提出較為科學(xué)、合理的處理方式，以期為廣大港航同仁在進行老舊碼頭修復(fù)加固設(shè)計時提供參考。