大型沉箱與坐床式圓筒碼頭案例的造價分析與方案優化

徐烈毅

（中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510231）

0 引言

重力式碼頭是我國港口工程中廣泛采用的結構型式。特別是近年來碼頭向大型化、深水化發展迅速，重力式結構因其造價適中，耐久性好，承載能力較高的優點，更越來越多地被采用。在已建成的重力式碼頭中，據不完全統計，沉箱、大圓筒等結構占3/4以上[1]，可見重力式碼頭未來的發展趨勢。為此，有必要就重力式碼頭中沉箱和坐床式圓筒這兩種主要結構方案的造價作較深入的比較分析。

沉箱結構比較適合水深大，工期緊，可浮運或駁運的情況，目前已建的大型沉箱碼頭中，單個沉箱質量多在2000～3000 t之間，亦已有超過3000 t的工程案例。大型沉箱結構尺度大，安裝件數相對較少，在施工條件較惡劣的無掩護海域，其優勢尤為明顯。

圓筒式碼頭結構多采用大直徑無底坐床式，亦可有底，視工程需要和施工條件而定。圓筒結構具有可浮運、駁運或吊運，安裝可分節或一次出水，施工速率也較快的優點。目前國內已建的圓筒碼頭一般筒徑在20 m以內，國外已有筒徑達到21.5 m的實例。由于圓筒結構受力比矩形沉箱更合理，結構造價相對較便宜，對經濟尚處于發展中的地區，更有優勢。

本文通過對兩種碼頭結構型式的典型案例的造價分析，尋找出影響造價的主要因素，并在保持安全水平基本相同的前提下對可降低造價的結構優化方案作了初步探討。

1 重力式碼頭的造價構成

1.1 造價構成

重力式碼頭造價主要包括：重力式構件預制、安裝；水下工程施工（開挖、拋填料等）；上部結構施工（胸墻、管溝等）；碼頭后方回填；碼頭系泊、靠泊設施；碼頭面層結構；裝卸工藝基礎結構等。

1.2 影響造價的主要因素

影響重力式碼頭造價的主要因素包括：

1）重力式構件預制的體積、混凝土強度、自身質量、出運方式、運距等都會影響工程造價，因為關系到船機設備的選用，故必將影響人工、材料（主材、地材等）、船機（起重船、駁船等）的消耗量；

2）水下工程及后方回填所需材料的選用，一般工程的填料購置與施工費用約占工程造價的1/3以上，因此應選擇當地供應有保障、價格相對低廉但內摩擦角較高的填料。水下開挖中以炸礁費用最高，因此，在設計中應盡量避免炸礁或盡可能減少炸礁量。

這些因素對造價的影響在設計、施工中都應予充分考慮，以使碼頭的成本盡可能降低。

2 工程案例

案例的費用計價按交通部水運工程定額站的規定進行[2]。

2.1 某10萬噸級集裝箱碼頭（案例1）

2.1.1 概況

某10萬噸級集裝箱碼頭總長1016 m，地基下臥土層以強風化花崗巖層為主，非常適合作為碼頭結構持力層，部分區域風化巖上覆蓋粗砂層，性狀良好，也可作為結構持力層。因此，碼頭結構采用鋼筋混凝土矩形沉箱結構，沉箱一次出水，沉箱基礎為10～100 kg基床塊石，沉箱尺寸長×寬（帶趾）×高=23.5 m×14.1 m×17.15 m，趾長1.0 m，單個質量2558 t，為3×5個箱格，每個箱格縱橫尺寸為4.2 m×3.95 m，沉箱內回填中細砂，沉箱上為現澆混凝土胸墻。碼頭后方設置分級拋石棱體，棱體后方回填中粗砂（振沖密實）。門機前軌安放在胸墻上，門機后軌道采用鋼筋混凝土矩形軌道梁，軌道梁基礎采用φ1000灌注樁，間距3 m。碼頭典型斷面圖見圖1。

2.1.2 造價構成與分析

該10萬噸級集裝箱碼頭造價構成及各項比例見表1；其每延米造價構成直方圖見圖2。

從表1及圖2可看出，水下工程和沉箱預制、安裝費用是最主要的費用，約占65%，碼頭上部結構費用只占11%，水下工程、沉箱的數量都會對造價產生重大影響。

圖1 某10萬噸級集裝箱碼頭典型斷面圖

表1 沉箱碼頭造價構成及其所占比例表

圖2 某10萬噸級集裝箱碼頭每延米造價構成直方圖

2.2 某8萬噸級石化碼頭（案例2）

2.2.1 概況

某8萬噸級石化碼頭總長280 m（見圖3）。為坐床式大圓筒結構，持力層為粉砂巖層，圓筒和基巖間設置拋石基床層，厚度為1.00 m。臨時底板半徑7.90 m，圓筒外徑13.60 m，高16.70 m。外趾、內趾寬1.1 m，壁厚0.35 m，單件質量約950 t。圓筒空腔內回填砂，頂部鋪碎石墊層和混凝土壓頂，接縫處設置倒濾腔。胸墻及圓筒蓋板為現澆混凝土結構，胸墻為矩形結構，長14.4 m，頂寬2.80 m，蓋板為肋板結構，長14.4 m，底寬16.6 m，板高0.6 m，設縱橫各兩塊肋板，肋板高2.15 m，寬0.6 m。胸墻突出圓筒0.8 m。碼頭后方回填中粗砂，碼頭結構縫處均設置混合倒濾層。

圖3 某8萬噸級石化碼頭典型斷面圖

2.2.2 造價構成與分析

該8萬噸級石化碼頭造價構成及各項比例見表2，其每延米造價構成的直方圖見圖4。從表2及圖4可看出水下工程和圓筒預制、安裝費用是最主要的費用，約占70%。所以同樣是水下工程、圓筒的結構與數量都會對造價產生重大影響。

表2 坐床式圓筒碼頭造價構成及其所占比例表

2.3 案例比較與優化方向

圖4 某8萬噸級石化碼頭每延米造價構成直方圖

某10萬噸級集裝箱碼頭和某8萬噸級石化碼頭在建設標準上十分相近，10萬噸級沉箱碼頭的前沿底高程-15.6 m，碼頭高度為21.3 m，沉箱墻身結構箱寬13.1 m，地基為強風化巖；8萬噸級坐床式圓筒碼頭的前沿底高程-15.2 m，碼頭高度為21.5 m，大圓筒墻身結構直徑13.6 m，連前后趾底寬15.8 m，地基為粉砂巖。所不同的是前者設有平均5.0 m厚的拋石基床，后方有填石棱體并有軌道梁及樁基礎，而后者則只設1.0 m厚的拋石基床，后方全填砂且無軌道結構。

從技術指標來看，10萬噸級沉箱碼頭與8萬噸級坐床式大圓筒碼頭也頗為相近，兩者都以高水位下沿基床面滑動為控制情況，抗傾和基床承載力驗算均有較明顯富裕量，其主要技術指標見表3。

表3 兩案例主要技術指標比較表

表3表明兩案例達到的技術指標幾乎一致。

對比兩案例的每延米造價構成可以看出，沉箱方案的造價顯著高于坐床式大圓筒，前者達到43.2702萬元/延m，而后者只為30.4915萬元/延m。兩者造價構成的比較見表4。

從表4可看出，兩案例水下工程及上部結構工程造價相近，碼頭面及后方工程的造價差異是使用功能所致，造價明顯差別表現在沉箱與大圓筒墻身結構的預制與安裝之造價不同。顯然，對某10萬噸級集裝箱碼頭的方案優化方向就在于墻身結構。

表4 兩案例每延米造價構成比較表 萬元/延m

3 對案例1的優化方案

圖5 案例1的碼頭優化方案典型斷面圖

優化的目標定為：在保持主要安全技術指標與原案基本一致的前提下，通過改變原沉箱結構為坐床式圓筒結構降低原案的造價。優化方案的典型斷面圖見圖5。采用坐床式大圓筒的優化方案有兩個，一為有底板，另一為無底板，兩個優化方案均作了較詳細的造價計算。有、無底板的圓筒方案造價分別見表5和表6。為節省篇幅，表中略去詳細子項。

表5 案例1的有底板圓筒方案造價表

表6 案例1的無底板圓筒方案造價表（僅詳列有差異部分）

從技術角度分析，沉箱結構有較大的重量，抗滑能力強。對于相同底寬的圓筒結構而言，可從兩方面提高圓筒的抗滑能力：其一是保留臨時底板為固定底板，增大上部混凝土結構，以使自重力增加；其二是在增大上部混凝土結構的同時，采用無底板圓筒，筒內填二片石與拋石基床接面，按現行規范規定提高基床面抗滑動摩擦系數到0.65。上述兩個優化方案就是按此考慮進行的，即在作用組合不變的情況下，保持重力式結構抗力與原案相近。

經對案例1優化方案的關鍵安全技術指標進行計算分析后得出的結論是：不管有底或無底坐床式圓筒結構方案，在極端高水位控制情況下沿拋石基床面水平滑動的驗算結果均與原沉箱方案基本一致，但其每延米造價則均有明顯下降。優化方案與原案的技術經濟比較見表7。

表7 對案例1優化方案的技術經濟比較表

表7表明，就案例1而言，采用坐床式圓筒結構，無論有底或無底均有明顯的技術經濟優勢。

4 結語

1）沉箱或坐床式圓筒碼頭的造價構成中，水下工程和墻身結構制造與安裝的費用比例高達65%～70%，在設計中應對其盡可能優化。

2）從文中頗為相似的兩個案例來看，坐床式圓筒結構方案有明顯的造價優勢。

3）在保持關鍵安全技術指標基本不變的前提下，經采取提高圓筒抗滑能力的技術措施后，用坐床式圓筒（無論有底或無底）結構可以取代造價較高的沉箱結構。本文案例1的優化結果表明每延米碼頭的造價可下降5.5～8.0萬元，下降幅度可達12%～18%。

4）坐床式圓筒結構值得進一步推廣應用。

[1]交通部水運司.中國水運工程建設技術[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]交通部水運工程定額站.沿海港口建設工程概算預算編制規定及配套定額（2004）[S].

[3]JTS167-2-2009，重力式碼頭設計及施工規范[S].