非巖石地基重力式碼頭結構設計關鍵技術

■羅松華

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

非巖石地基重力式碼頭結構設計關鍵技術

■羅松華

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

通過對一個以非巖石地基為持力層的重力式碼頭結構選型和結構設計關鍵技術的介紹和研究，分析了結構選型影響因素，針對持力層選擇、地基承載力控制、基槽開挖、沉降控制等結構設計的重點與難點問題提出對策措施，為類似工程設計提供參考。

非巖石地基重力式碼頭結構選型持力層地基承載力控制對策措施

1 工程概況

平潭港區澳前作業區是福州港的對臺客滾直航作業點。澳前客滾碼頭一期工程已建成10000GT高速客滾泊位和待泊泊位各1個,于2011年11月開港，開通平潭—臺中、平潭—臺北客滾航線，近幾年對臺客貨吞吐量穩步增長，現已成為大陸與臺灣本島人員直接往來的主要口岸和便捷通道，是平潭綜合實驗區開放開發的重要形象窗口。

澳前客滾碼頭二期工程位于已建高速客滾碼頭西側，建設10000GT高速客滾（實船）泊位1個（水工結構按20000GT客滾船設計），岸線長度233m，同步形成港區陸域和建設口岸查驗等配套設施，碼頭前沿設計底高程-8.0m。

2 自然條件

（1）設計波浪

S向（橫浪）：50年一遇H1%=4.40m，T=8.4s，L=89.0m。

（2）工程地質

碼頭區主要分布土層詳見下表1：

表1 地基主要物理力學指標表

3 碼頭結構選型及推薦方案

3.1 工程特點

碼頭區覆蓋土層較厚，強風化巖埋置深度較深（巖面標高-21.15m～-33.58m），此類地質條件碼頭采用高樁結構具有可行性。但根據本工程特點，碼頭結構選型尚需考慮以下因素：

（1）碼頭為客貨滾裝泊位，車輛接岸和旅客上下船設施設計要求合理降低碼頭面高程，以提高運營安全性、便捷性和舒適性。高速客滾船班輪的定期準點性特點要求結構具有良好的耐久性，避免過頻繁的維修導致停運、停航，造成不利經濟政治影響。

（2）二期工程與一期工程考慮一體化統籌運營，碼頭結構型式應有利于與已建工程的順暢銜接，避免建設期對已建碼頭正常運營造成影響。

（3）陸域可開發空間與用地需求矛盾較大。岸線前方為一期工程港池水域及澳前進港航道，岸線后方為在建疏港路，陸域開發空間前后受限。本工程陸域需布置海關卡口、查驗倉庫、車輛查驗場地、汽車待渡場、貨物堆場、拆裝箱庫等設施，完善港區功能布局，提升澳前口岸設施條件，根據總平面布置方案，港區用地緊張，需盡量增加陸域面積。

（4）設計波浪具有波高大，波長長，周期長，破壞力大等特征，要求結構具有較強的抗浪性能，降低施工和使用期安全風險。

3.2 結構選型

設計對重力式沉箱和高樁梁板兩種結構進行了結構選型比選分析，詳見表2。

重力式沉箱結構采用連片式布置，主體結構采用不帶卸荷板的沉箱，基礎采用拋石基床，墻后回填拋石棱體。

高樁梁板式結構采用高樁離岸式布置，基礎采用鋼管樁，上部結構由樁帽、橫梁、縱梁、疊合面板等組成。碼頭平臺通過棧橋與陸域連接，陸域前沿設置護岸。

表2 結構選型優缺點比選表

3.3 比選分析及推薦方案

3.3.1 比選分析

（1）從表2可知，結構選型比選的8個影響要素中，重力式結構5個要素占優，高樁梁板式3個要素占優，綜合分析宜采用重力式結構。

（2）重力式結構與高樁梁板式結構相比，施工期對已建碼頭泊位影響更大的主要原因在于：碼頭區覆蓋土層較厚，強風化巖埋置深度較深（巖面標高-30.27m～-33.58m），若采用巖石地基作為持力層，基槽開挖深度大，開挖影響范圍大。經分析論證，擬選用非巖石地基作為碼頭持力層，并采取技術措施控制沉降，提高地基承載力，降低基槽開挖深度，減小對已建工程影響。

（3）擬選用的非巖石地基持力層承載力不高，碼頭結構受地基承載力控制。為滿足地基承載力要求，可采用適當增加沉箱寬度、墻后回填拋石棱體等措施減小地基應力，并通過驗算確保各項指標滿足規范要求。

3.3.2 推薦方案

綜上分析，碼頭結構推薦采用不帶卸荷板的重力式沉箱結構（見圖1）。

4 碼頭結構設計關鍵技術

4.1 基礎持力層選擇

在地質條件較好的情況下，重力式碼頭宜優先選擇巖基為持力層。但因本工程碼頭區巖面埋藏深，起伏大，若選擇巖基為持力層，不僅造成基槽開挖過深、開挖量大幅增加，基槽拋石量隨之增加，增加工程投資，且碼頭施工期基槽開挖施工將影響已建碼頭的正常運營。

碼頭區自上而下土層分析：淤泥質土2-2（淤泥混砂）、砂混淤泥為高壓縮性土或液化土層，承載力低，工程地質性質差，不考慮作為持力層；粉砂3-1、粘土3-2、粉質粘土3-3、殘積層工程地質性質相對較好（一般呈可塑～硬塑狀或中密～密實狀），且分布廣泛，埋深適宜，可考慮作為持力層；下部基巖風化層工程性能較好—好、壓縮性低—不可壓縮，是較好的基礎持力層。

經設計研究，決定以滿足下列三項指標為前提，進行持力層選擇和碼頭結構設計。

（1）基槽開挖深度和開挖邊坡范圍控制在不影響已建碼頭正常運營的范圍內；

（2）地基承載力抗力分項系數γR≥3.0；

（3）碼頭斷面地基平均沉降量≤15cm。

根據碼頭使用荷載及土層埋深情況，并通過驗算確保各項指標滿足規范要求，設計選用非巖石地基即粉砂層作為重力式碼頭結構持力層。

4.2 地基承載力控制措施

粉砂層為中密—密實狀，飽和，力學強度一般，屬中等縮性土，工程地質性能一般。在不采取措施控制地基應力的情況下，地基承載力很難滿足規范要求。因此，設計須采取有效措施，減小地基應力，提高地基承載力，確保結構的穩定性和安全性。

碼頭地基應力和地基承載力主要受沉箱底寬、墻后填料及基床厚度等因素影響，設計針對以上幾個方面分別采取有效措施。

（1）合理確定碼頭結構斷面尺度，適當增加沉箱底寬。

重力式碼頭結構斷面尺度多數由基床頂面最大應力控制。因本工程基礎持力層為非巖石地基，σmax值若定得太高，將導致對地基承載力要求較高，所需基床厚度較大，基槽開挖深度將超出控制范圍、影響已建碼頭的正常運營；若定得太低，則需加大結構斷面底寬，增加工程造價。設計研究決定，碼頭結構斷面尺度按基槽開挖深度、持久狀況基床頂面最大應力σmax≤350kPa和斷面地基平均沉降量H≤15cm三項指標同時控制。

經計算，碼頭斷面沉箱底寬適當增加取為16.55m（含前、后趾長度），可有效減小地基應力、降低對地基承載力的要求。

（2）墻后設置拋石棱體，降低土壓力。

工程實踐經驗及計算分析表明，墻后回填料內摩擦角越大，產生的主動土壓力水平向分力越小，拋石基床底面合力標準值作用點的偏心距越小，碼頭地基應力越小，對地基承載力的要求越低。結合工程區域砂石料來源的分析，碼頭墻后回填料采用內摩擦角較大的拋石棱體，有效減小碼頭地基應力，降低對地基承載力的要求。

（3）合理確定拋石基床厚度，降低基床底面應力。

根據重力式規范，拋石基床厚度按下式（1）～（2）計算確定：

圖1 重力式碼頭結構斷面圖

根據計算分析，適當增加拋石基床的厚度，通過基床應力擴散，可有效降低基床底面應力，降低對地基承載力的要求。綜合考慮基槽開挖深度控制要求、地質分布規律、應力擴散、地基承載力等因素，基床拋石厚度最終取值為：西側3.5m、東側6m。

（4）重視基床前沿邊載作用的發揮。

計算分析表明，基床前沿三角區填料在地基承載力和碼頭整體穩定性計算中具有重要作用。若該區不回填或回填厚度太小，將出現地基承載力或結構整體穩定性不足的情況。設計要求該區拋填亂毛石（10～500kg），并在其上回填150～200kg塊石至-8.5m，通過石料較高的重度形成反壓層，增加了碼頭結構地基承載力和碼頭結構整體穩定性，并起到防止沖刷的作用。

4.3基槽開挖設計

碼頭基槽開挖及基床拋石占重力式碼頭工程的費用比重較大，一般達到20%～40%。因此，優化碼頭基槽開挖設計對節約工程投資意義重大。

因碼頭持力層分布不均，土層之間相互交錯，標高起伏較大，基槽開挖底邊線以標高控制為主，設計多為“一字形”直線。基槽開挖采用陡邊坡設計。基礎上部土層主要為淤泥質土、砂混淤泥、粉砂、粘土、粉質粘土，開挖坡度采用1∶3。設計對基槽開挖邊坡進行圓弧滑動穩定驗算，考慮基槽開挖為施工期臨時開挖，抗力分項系數γR取值適當放寬。基槽開挖設計平均超寬取為1.5m，平均超深取為0.5m，現有的施工設備和技術能力可以滿足該精度要求。

4.4 沉降控制措施

（1）基槽拋石采用分層重錘夯實。基槽拋石按2m一層分層夯實，設計要求按平均夯沉量15%進行施工控制，并要求對后期沉降可能較大的地段增加錘夯次數。

（2）提出施工順序和施工進度控制要求。基槽開挖后及時驗收和拋石，防止間隔時間太久導致回淤；回淤厚度大于0.3m時必須補挖，清除回淤；胸墻混凝土澆筑（特別是最后一層胸墻澆筑時）應待沉箱后填料加載至+10.0m，且沉降位移觀測穩定后再進行；施工期應加強對沉箱、胸墻施工期間的沉降位移觀測，并及時進行統計、分析和判斷，作為指導施工進度的依據。

4.5 主要計算結果

碼頭結構主要計算結果如下表3所示：

表3 碼頭結構主要計算項目及成果表

5 結語

（1）重力式碼頭耐久性好，設計施工簡單，是一種使用廣泛的結構型式。本文通過對一個以非巖石地基為持力層的重力式碼頭結構選型及結構設計關鍵技術的總結與分析，為類似項目的結構選型與設計提供借鑒。

（2）非巖石地基重力式碼頭結構設計的重點與難點在于地基承載力和沉降的控制。設計根據碼頭使用荷載及土層埋深情況，選擇粉砂層作為碼頭基礎持力層。通過增加碼頭沉箱底寬、墻后設置拋石棱體降低土壓力、合理確定拋石基床厚度降低基底應力、基床前沿三角區回填塊石充分發揮邊載的有利作用等有效措施，減小地基應力，通過計算及細化施工措施控制碼頭沉降，確保地基承載力和沉降計算指標滿足規范要求，保證結構的穩定性和安全性，大幅減小了工程投資。

[1]福建省交通規劃設計院.福州港平潭港區澳前作業區海峽客滾碼頭二期工程工程可行性研究報告[R].福州：福建省交通規劃設計院，2016.

[2]福建省交通規劃設計院.福州港平潭港區澳前作業區海峽客滾碼頭二期工程施工圖設計文件[R].福州：福建省交通規劃設計院，2016.