武漢陽邏港三作業區起步階段工程碼頭基礎設計研究

劉潛兵，楊玉勤

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430060）

0 引言

隨著我國港口事業的不斷發展，建港位置的水文、地質等條件越趨復雜，如何根據碼頭區域工程建設條件，合理選擇與優化符合工程特性的碼頭結構形式與布置，做到安全、合理、經濟是工程設計必須深入研究解決的問題[1]。本文結合武漢新港陽邏港區三作業區一期工程起步階段工程的建設條件，對碼頭結構選型、樁基布置、穩樁措施等進行詳細的研究，并通過基樁自平衡法驗證樁的豎向抗壓極限承載力。

1 工程概況

實例工程位于長江陽邏水道左岸的武漢新港陽邏港區三作業區。隨著中部的崛起、長江經濟帶的發展、“一帶一路”倡議的實施，武漢新港已成為中部港口開發重點，是長江中游發展集裝箱運輸的重點港口。武漢陽邏港三作業區起步階段工程正是為進一步發揮長江黃金水道的作用、推進武漢長江中游航運中心發展、加快武漢城市圈的發展并促進以武漢城市圈為核心的中部崛起戰略實施而建設的，是武漢新港的開篇之作，是陽邏港區三作業區的標志性項目。

工程建設規模為新建5 000 DWT集裝箱泊位4個，使用港口岸線563 m，設計年通過能力74萬TEU。碼頭平臺平面尺度為563 m×30 m，通過3座引橋與后方陸域銜接。

碼頭平面布置見圖1。

圖1 實例工程碼頭平面布置圖Fig.1 Example engineering wharf layout plan

主要工程建設條件：

1）設計船型

工程設計的代表船型為5 000噸級集裝箱江海輪。

2）工藝荷載

40 t-26 m和35 t-26 m集裝箱岸邊起重機荷載、2 TEU集裝箱牽引車及半掛車荷載、30 kN/m2堆貨荷載等。

3）設計水位（1956黃海高程）

設計高水位：26.00 m（重現期50 a）

設計低水位：8.95 m（當地航行基面）

設計防洪水位：27.20 m

4）水流流速

設計水流流速2.2 m/s。

5）工程地質條件

碼頭前沿水域基巖裸露，平臺區域覆蓋層較薄或基巖裸露，且靠岸側巖面較高（+7 m左右），而靠江側由于深槽貼岸，基巖面普遍較低（-5 m左右）。30 m平臺寬度范圍內基巖面高差12 m，平均坡度大于20°，局部區域巖面傾斜在40°左右。上部覆蓋地層主要為全新統、更新統河流沖積層，下臥第三系-白堊系東湖群泥質砂巖（局部地段為砂礫巖、粉細砂巖）。碼頭區典型地質剖面見圖2。

圖2 工程地質典型剖面圖Fig.2 Typical section of engineering geology

6）抗震設防標準

根據GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》，勘區地震動峰值加速度為0.05g，對應地震基本烈度為Ⅵ度。

2 碼頭基礎設計

2.1 樁基選型

考慮到長江行洪要求，根據規范及從業經驗[2-3]，碼頭應減少對行洪的影響，選用透空的高樁梁板式結構。由于集裝箱碼頭使用荷載較大，其基礎對地基強度及變形要求高，而本工程基巖埋深較淺（0～5 m），巖石主要為泥質砂巖，采用打入樁既無法滿足彈性長樁的要求，又不能滿足承載力要求，因此應采用嵌巖樁。嵌巖樁費用高、施工難度大、施工進度慢，因此如何減少工程造價、降低施工難度、縮短施工周期是工程設計需要重點考慮的因素。減少基樁數量是克服上述問題的有效措施。

實例工程碼頭前沿局部有磯頭分布，基巖埋深淺且巖面陡，水深流急，設計高低水位差達17.05 m，基樁自由長度長，這些對施工穩樁都非常不利，如何穩樁是設計施工中的重點和難點。斜樁重心偏移，在流速大、埋深淺、坡面陡、懸臂長的不利情況下，樁身難穩定、易傾倒，施工難度遠大于直樁，其投入大且質量安全風險高，因此，在滿足使用要求的前提下，宜優先采用全直樁嵌巖方案。

根據工程的建設條件，結合以往的設計經驗，實例工程采用灌注型嵌巖樁和預制型芯柱嵌巖鋼管樁兩種全直樁方案進行比選。同等條件下，灌注型嵌巖樁方案的結構整體剛度優于預制型芯柱嵌巖鋼管樁方案，工程造價相對較低，經技術經濟比較，實例工程推薦采用灌注型嵌巖全直樁方案。

2.2 水平變位控制

全直樁方案在一定程度上降低了穩樁、嵌巖施工難度，但也帶來了碼頭水平變位控制不如斜樁方案的突出問題。本工程碼頭平臺結構分段長度70 m，集裝箱岸橋、船舶等作用荷載對碼頭水平變位影響較大，而碼頭使用又要求水平變位宜小，如何控制水平變位，保證碼頭結構安全使用是設計須重點解決的問題。根據設計及使用經驗，配備岸橋或門機等大型設備的碼頭，設備操控室離碼頭面較高，水平變位過大將會影響設備操作人員的舒適度及安全感，通常將碼頭正常使用狀態下最大水平位移控制在20 mm以內。在全直樁碼頭水平荷載作用不能減小的條件下，采取增大樁徑、增加樁數、在適當的高程設置合適直徑的鋼橫撐、設置拋石護樁棱體減小樁自由長度等措施均有利于減少碼頭水平變位[4]。

結構剛度越大變位越小，基樁的抗彎剛度與樁徑的4次方成正比，增加樁徑可明顯增加樁的剛度，從而有效減小水平變位，但樁徑增加過大又不經濟，需合理確定樁徑達到控制水平變位的最佳效果。增加樁數雖能增加碼頭結構整體剛度，相應減小水平變位，但基于樁基選型分析，增加樁數顯然不合適。根據空間排架計算分析，排架樁之間在適當高程設置與排架樁和橫梁變形相協調的鋼橫撐，可有效減小碼頭橫向水平變位；鋼橫撐的設置也使基樁彎矩大幅減小，這主要是鋼橫撐的設置不僅增大了碼頭的整體剛度，同時降低了基樁上水平力的作用位置，有利于減小水平變位。在滿足施工水位要求的情況下設計應盡可能降低橫撐底高程，且下層鋼橫撐直徑宜大。對以橫向受力為主的碼頭結構，由于排架間距較大、縱撐剛度相對較小，增加縱撐可減小結構段的縱向水平變位，但對減小橫向水平變位影響效果不大。抬高拋石護樁棱體頂高程能減小基樁計算長度，而結構的變形與長度4次方成正比，因此，縮短樁的計算長度可有效減小水平變位。綜合考慮工程造價和碼頭前沿水深要求的前提下，設計應盡量抬高拋石棱體頂高程。

綜上所述，設計重點是通過科學、精準計算分析選擇合適的樁徑、樁數、排架間距、樁距等，輔以在適當的高程設置合適直徑的鋼橫撐、設置拋石護樁棱體等措施，將碼頭正常使用狀態下的水平位移控制在20 mm內。

2.3 結構設計方案

按照滿足結構安全使用要求的前提下，盡量減少基樁數量、縮短施工周期、降低施工難度及工程造價的原則，設計對大樁徑、大排架間距、大樁距方案進行了深入研究，采用蟻群優化算法，從排架間距8～10 m、樁徑1 500～2 000 mm、樁數4～6根中優化計算確定相對最優的平臺樁基布置方案。通過優化計算分析，并考慮大直徑樁與上部結構連接的耐久性問題（部分樁頭鉸接），最終采用φ1 800灌注型嵌巖樁，排架間距10 m，每榀排架設4根直樁、最大樁距9 m的大直徑大跨度樁基方案。由此大幅減少了基樁數量，相應減少了樁柱的阻流作用，有利于汛期行洪和結構安全，同時也有效降低了穩樁的風險、縮短了工期和節省了投資。這種大跨度結構在使用荷載較大的集裝箱碼頭中尚屬首例。

優化后實例工程碼頭平臺結構設計方案為：排架基礎采用φ1 800灌注型嵌巖樁，排架間距10 m，每榀排架設4根直樁；樁與樁之間設置雙層φ1 200的鋼橫撐；前方靠船構件與樁之間設置φ800鋼橫撐以增加平臺橫向剛度；碼頭前沿設置拋石護樁棱體以減少平臺前排基樁自由長度；平臺上部結構由橫梁、前邊梁、軌道梁、縱梁、迭合面板、鋼系纜平臺和鋼靠船構件組成；平臺面及下層系纜平臺前方設有550 kN系船柱；每榀排架上設置DA-A500H低反力型橡膠護舷，同時在排架間設置了DA-A300H型橡膠護舷進行防護。碼頭平臺結構斷面見圖3。

圖3 碼頭平臺結構斷面圖Fig.3 Section diagram of pier platform structure

2.4 穩樁方案

實例工程碼頭區地質基巖埋深較淺（0～5 m），水深流急，鋼護筒懸臂段長度遠大于入土（巖）長度，在水流力、偏心力等不利作用下，其自身穩定存在困難及風險，一旦失穩則直接造成工程質量安全事故，故施工期間穩樁問題是本工程的難點和工程成敗的關鍵。

常見穩樁施工有搭設水上輔助鋼平臺、施打工程樁鋼護筒作為鉆孔鋼平臺支撐樁、進行拋填袋裝砂穩樁等方式。經分析研究，搭設水上輔助鋼平臺穩樁方案雖然安全可靠，但平臺的搭設需考慮長江汛期高水位的不利影響，當水位上漲至距碼頭樁頂高程一定距離，不滿足搭設平臺凈空高度要求時，平臺搭設將受限，且現場搭設工作量大、施工工序多、施工周期長、措施費用高；鋼護筒干打穩樁方案雖可明顯降低工程造價，但對施工區地質條件有一定要求，護筒需進入覆蓋土層或基巖一定深度，方可保證其自身穩定，且該方案存在樁頂偏位易過大、護筒底易卷邊，后續處理困難、質量不易保證的缺點，本工程基巖埋深淺且巖面陡，水深流急，基樁懸臂長，不具備干打條件，鋼護筒干打穩樁方案對本工程不適用；拋填袋裝砂穩樁方案相對造價低，宜在水下自然坡面平緩、水流流速小、防洪要求低區域實施，本工程水下地形陡、水深流急、防洪要求高，所需袋裝砂棱體體積大、棱體不易成形，且出于長江行洪安全的考慮，水利部門也不允許在長江河道拋填沙袋進行穩樁，故拋填袋裝砂穩樁方案亦不適用本工程。如何吸收各穩樁方案的優點、克服其缺點成為設計施工研究的重點，經深入研究、探討，本工程最終采用了“栽樁”穩樁方案[5]，較好地融合了各穩樁方案的優點。

栽樁施工又名“植入法”，是通過植樁錨固體系的設計及單樁穩定性分析確定穩樁相關參數，采用GPS定位，水上船載鉆機沖孔作業，進行樁位巖面引孔并通過混凝土錨固植入的鋼護筒，利用錨固鋼護筒作為支撐，搭設水上施工平臺進行嵌巖樁施工的方案。

根據計算，結合設計與施工經驗，本工程“栽樁”方案引孔直徑2.2 m，引孔深度≥2 m（中風化巖面以下），最小錨固混凝土方量10.9 m3。栽樁工藝流程：船載鉆機就位—理坡、平坡、引孔、清孔施工—鋼護筒安放—植樁混凝土澆筑。引孔、植樁混凝土施工示意見圖4；鋼護筒植樁混凝土錨固見圖5。

圖4 引孔、植樁混凝土施工示意圖Fig.4 Sketch of drilling holes and pile planting concrete construction

圖5 鋼護筒植樁混凝土錨固圖Fig.5 Anchor sketch of steel casing pile planting concrete

施工船一次可定位4根樁，分2次完成4根鋼護筒錨固，當植樁混凝土同條件試塊強度達到10 MPa以上時，采用28號槽鋼在鋼護筒頂部連接后，施工船可重新移位施工。鋼護筒與基巖的錨固效果好壞取決于鋼護筒外側的混凝土翻漿高度。護筒外側翻漿高度越高，鋼護筒被“蘑菇狀”的混凝土包裹就越密實，其與基巖剛性連接就越長，錨固質量越好；反之，錨固質量越差。鋼護筒底部開孔高度、開孔斷面大小、錨固混凝土的配合比等因素對混凝土外翻高度影響較大，可根據工程地質條件，通過調整單樁翻漿孔口的開孔高度和開孔大小、調節混凝土配合比等技術措施提高鋼護筒外側的翻漿效果，保證單樁穩定性。本工程地質條件下，采取鋼護筒開孔高度150 mm、孔口總寬為周長的40%、錨固混凝土水灰比為0.5并摻入5%緩凝劑和3%減水劑的措施，鋼護筒翻漿效果最好；當翻漿高度達到2 m時，鋼護筒便能與基巖形成剛性節點，保證鋼護筒在最不利工況下的單樁穩定性，從而保證植樁平臺的穩定性[6]。

栽樁施工工藝能夠適應水位差大、水流急、基巖埋深淺且巖面陡等復雜的工程條件，保證在復雜條件下安放鋼護筒的施工質量及其在嵌巖樁成孔過程中的穩定性。通過控制孔內沉渣厚度、混凝土質量及翻漿效果，有效地保證了鋼護筒植入基巖的錨固質量；植樁平臺較輔助鋼管樁平臺減少了輔助鋼管樁和輔助鋼橫撐的投入，單位面積上能夠節約50%的鋼材用量；在機械投入上以駁船裝載鉆機代替大型水上打樁船機設備，減少了機械臺班費用；船載鉆機可同時沖孔作業，植樁速度快，植樁錨固后直接在鋼護筒上搭設嵌巖施工平臺和后期下橫梁的承重體系，既減少了拆除輔助鋼管樁和橫撐流程，又不影響后續碼頭鋼靠船構件、鋼橫撐、系纜平臺安裝和水下拋石等施工，有效減少了施工工序、加快了施工進度、節省了工程費用。“栽樁”方案也有效克服了輔助鋼管樁支撐施工平臺方案中鋼護筒鉆孔跟進過程中出現的漏漿、鋼護筒沉降等問題；也避免了鋼護筒干打導致的護筒底卷口及沉樁偏位過大等問題。

本工程“栽樁”穩樁方案在長江中游碼頭嵌巖樁施工中屬首次成功采用，有效克服了工程穩樁施工難點，達到了預期效果。

3 基樁自平衡檢測

實例工程為起步階段工程，為驗證樁基承載力、樁端土極限端阻力標準值、樁周土極限側摩阻力標準值，實例工程樁基采用自平衡法進行了靜載試驗[7]。

樁基靜載試驗自平衡測試技術是將一種特制的加載裝置（荷載箱）埋入樁內，并將荷載箱的高壓油管和位移棒引到地面，由高壓油泵向荷載箱充油，荷載箱將力傳遞到樁身，其上部樁身的摩阻力及自重與下部樁身的摩阻力及端阻力相平衡，根據向上、向下Q-S曲線判斷樁承載力、樁基沉降、樁彈性壓縮和巖土塑性變形。

測試按JT/J 738—2009《基樁靜載試驗自平衡法》對工程樁做檢驗性試驗。加載、卸載分級進行，加載采用快速維持荷載法。本工程自平衡靜載試驗最大加載值為11 500 kN，由于試樁噸位較大，每級加載值為預估極限承載力的1/10；每級卸載量為2個加載級的荷載值。

以編號8D的試樁為代表，根據靜載試驗數據，試樁在加載到最大試驗荷載時，樁身位移未出現陡變。根據自平衡測試結果換算成等效樁頂荷載、位移的計算流程，經計算得出8D樁等效樁頂荷載為18 348.70 kN，等效樁頂位移為10.92 mm。試驗結果表明單樁豎向抗壓極限承載力滿足設計要求，達到了靜載試驗驗證目的。8D試樁分析結果見表1。

表1 8D試樁分析結果Table 1 The analysis results of the test pile named 8D

4 結語

本文結合武漢新港陽邏港區三作業區一期工程起步工程實例，從結構選型、樁基布置優化、穩樁處理、基樁靜載試驗等方面進行了詳細研究，得到結論如下：

1）基巖埋深淺且巖面陡、水深流急、水位差大區域的高樁碼頭采用大直徑大跨度全直樁嵌巖方案水平變位可控，并可有效減小穩樁及嵌巖施工難度、縮短施工周期、降低工程造價，且有利于汛期行洪和結構安全。

2）“栽樁”穩樁方案能夠適應基巖埋深淺且巖面陡、水深流急、水位差大等復雜的工程條件，保證在坡度較大的巖面上安放鋼護筒的施工質量及其在嵌巖樁成孔過程中的穩定性；復雜工程條件下，相較輔助鋼平臺穩樁方案具有節約施工成本、加快施工進度的特點。

3）同傳統的靜載試驗方法（堆載法和錨樁法）相比，自平衡法具有技術先進、測試自動化、省時、省力、經濟、安全、不受場地條件限制、可同時測試多根樁等優點，實例工程自平衡靜載試驗結果與結構設計契合良好，表明工程設計經濟安全合理。