東非某重力式碼頭升級(jí)改造設(shè)計(jì)與施工

陸治周，許應(yīng)杰

(中交四航局第一工程有限公司，廣東 廣州 510310)

自交通運(yùn)輸部2009年10月發(fā)布《關(guān)于沿海港口碼頭結(jié)構(gòu)加固改造有關(guān)事宜的通告》后，我國已有序地開展老港升級(jí)改造，對(duì)節(jié)約和優(yōu)化岸線資源、升級(jí)港口功能等具有重要意義[1]。顧海寬等[2]、董曉華等[3]調(diào)研大量國內(nèi)外工程案例，形成了碼頭加固改造成套的技術(shù)、方法體系；胡家順等[4]針對(duì)海港重力式和高樁碼頭前沿線不變、前沿線前移兩種情況介紹不同改造技術(shù)的應(yīng)用案例。本文結(jié)合墻前墩臺(tái)法在非洲東海岸某港重力式碼頭泊位升級(jí)改造工程中的應(yīng)用，從碼頭現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)升級(jí)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、施工工藝和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等方面，對(duì)老碼頭升級(jí)改造的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行介紹和總結(jié)，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

非洲東海岸某港共11個(gè)泊位，修建于20世紀(jì)30—50年代，碼頭結(jié)構(gòu)老化，功能已不能滿足其貨物吞吐量需求。業(yè)主通過世界銀行融資，對(duì)1#～7#泊位主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造，并新建1個(gè)320 m長的滾裝泊位，其中1#～3#泊位為實(shí)心方塊重力式結(jié)構(gòu)，見圖1。這3個(gè)泊位升級(jí)改造擴(kuò)建部分采用高樁墩臺(tái)式結(jié)構(gòu)；方塊為階梯式，其基礎(chǔ)采用暗基床[5]，原基床和護(hù)底厚約3.3 m，珊瑚礁石材質(zhì)，塊徑為40～60 cm。基槽土層由上而下以密實(shí)砂、硬黏土為主，標(biāo)貫擊數(shù)N為25～75擊。

圖1 某實(shí)心方塊舊碼頭典型斷面(高程：m)

碼頭主體結(jié)構(gòu)改造前在役，總體穩(wěn)定，后方鋪面局部沉降10～25 mm，方塊胸墻局部崩裂、掉塊，方塊前沿立面垂直度保持良好，系船柱、鋼爬梯及護(hù)舷板銹蝕、損壞嚴(yán)重，港池淤積約1 m。后方倉庫為雙層鋼磚混合結(jié)構(gòu)，獨(dú)立圈梁，結(jié)構(gòu)安全、在役。

倉庫及操作辦公樓距碼頭前沿約25 m，要求施工期能正常使用。港口作業(yè)通道狹小，限制重載平板車等大型移動(dòng)設(shè)備通過。1臺(tái)老舊的5 t旋轉(zhuǎn)扒桿式散貨吊機(jī)已無動(dòng)力、不能行駛，焊接固定在鋼軌上定點(diǎn)裝卸水泥、稻谷、咖啡豆等袋裝散貨。碼頭作業(yè)繁忙，業(yè)主分階段移交單個(gè)泊位供升級(jí)改造并設(shè)置竣工節(jié)點(diǎn)，工期緊、進(jìn)度壓力大。

2 升級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基槽及岸坡調(diào)整

原方塊基床及港池護(hù)底層厚1.2～3.3 m，珊瑚礁石拋填結(jié)構(gòu)，港池須浚深約5.9 m進(jìn)行升級(jí)改造，擴(kuò)建部分基槽及護(hù)坡拋填花崗巖進(jìn)行防護(hù)。

初步設(shè)計(jì)擬對(duì)原基槽進(jìn)行水下注漿再浚深[6]，以防岸坡及結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，后經(jīng)現(xiàn)場加密補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)，基槽土層標(biāo)貫擊數(shù)普遍較高且以密實(shí)砂和硬黏土為主，通過增加擴(kuò)建部分與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)間距、降低岸坡浚深坡比(由1:1變?yōu)?:1.15)、增加樁基排架間距等，詳細(xì)設(shè)計(jì)階段取消水下注漿，見圖2。

圖2 某舊碼頭升級(jí)改造典型斷面(尺寸：mm；高程：m)

2.2 樁型及樁位布置優(yōu)化

擴(kuò)建部分采用墻前高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，樁基排架間距6 250 mm，每個(gè)排架3根樁、錯(cuò)位布置，由岸向海依次為直樁、仰樁、俯樁，斜樁橫向間距1 600 mm。詳細(xì)設(shè)計(jì)將斜樁扭角由25°調(diào)為12°、仰樁斜率由1:4調(diào)為1:6、俯樁斜率1:8保持不變，見圖3，為打樁船沉樁擺位提供便利、間接提高沉樁質(zhì)量，同時(shí)也降低了打樁震動(dòng)對(duì)舊碼頭結(jié)構(gòu)及岸坡穩(wěn)定的影響[7]。經(jīng)分析比選，采用φ1 000 mm B型PHC管樁，承載力能滿足結(jié)構(gòu)荷載要求，且經(jīng)濟(jì)性比鋼管樁和灌注樁突出。

圖3 擴(kuò)建部分樁位布置(單位：mm)

2.3 上部結(jié)構(gòu)形式比選

上部結(jié)構(gòu)形式往往對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性、施工難度等影響較大。初步設(shè)計(jì)擬采用梁板結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是可充分利用現(xiàn)有預(yù)制場提前預(yù)制部分構(gòu)件、提高工效，缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性不高且須現(xiàn)澆樁帽等多重工序。經(jīng)比選最終采用現(xiàn)澆墩臺(tái)結(jié)構(gòu)(圖2)，不再設(shè)置樁帽，單個(gè)結(jié)構(gòu)段降低鋼筋用量68%(約202 t)、混凝土用量39%(約545 m3)，結(jié)構(gòu)整體性更好，減少工序；擴(kuò)建部分碼頭面僅寬9.64 m，墩臺(tái)支撐系統(tǒng)施工難度較低。

2.4 后軌道采用可調(diào)基座

擴(kuò)建部分寬度較狹小，門機(jī)海側(cè)軌道布置在擴(kuò)建部分、陸側(cè)軌道布置在改造部分。考慮到整個(gè)設(shè)計(jì)壽命周期新舊結(jié)構(gòu)差異沉降，陸側(cè)軌道采用高程可調(diào)系統(tǒng)，見圖4、5。采用該系統(tǒng)，針對(duì)差異沉降，后期陸側(cè)軌道高程可調(diào)1～100 mm、水平可調(diào)1～20 mm，結(jié)構(gòu)適應(yīng)性強(qiáng)。

圖4 海側(cè)鋼軌系統(tǒng)

圖5 陸側(cè)可調(diào)鋼軌系統(tǒng)

3 改造施工技術(shù)

3.1 基本施工流程

改造施工分水上擴(kuò)建、陸上改造兩部分進(jìn)行。水上擴(kuò)建施工流程：原護(hù)坡、護(hù)底塊石層挖除→新基槽及岸坡開挖→PHC管樁施打、夾樁→護(hù)底、護(hù)坡層拋填→上部結(jié)構(gòu)施工。陸上改造施工流程：拆除舊護(hù)舷板、系船柱等靠泊設(shè)施→過渡板搭臺(tái)施工→后軌道梁施工→過渡板安裝→鋪面修整。水上、陸上結(jié)構(gòu)主體施工完成后，安裝鋼軌、車擋等附屬設(shè)施，最后進(jìn)行分部工程完工驗(yàn)收、移交。

3.2 施工工藝控制措施

3.2.1高標(biāo)貫擊數(shù)土層開挖

基槽浚深土層實(shí)勘為標(biāo)貫擊數(shù)為25～42擊的密實(shí)砂、密實(shí)砂礫及硬黏土，開挖厚度從-16.10～-10.20 m，約5.9 m。作業(yè)深度和土質(zhì)都超出了海貍HC50型小型絞吸船的正常工作性能范圍。經(jīng)比選，采用6 m3抓斗船可以滿足作業(yè)深度，但抓斗質(zhì)量僅有15 t，疏浚硬黏土?xí)r工效低、不能滿足進(jìn)度要求且斗齒易折斷、斗槽前端常撕裂。解決方案1為在國內(nèi)重新采購重型疏浚抓斗，成本高、調(diào)遣周期長，制約現(xiàn)場進(jìn)度；解決方案2為現(xiàn)場加工、增加抓斗質(zhì)量，成本較低，對(duì)進(jìn)度影響較小，須提出改造申請(qǐng)并報(bào)批專項(xiàng)方案。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，最終選擇并實(shí)施方案2。

從港池外沿到方塊立面前沿采用大段面、薄分層開挖工藝。硬黏土開挖工效由2駁d(約1 000 m3)提高到5駁d(約2 500 m3)，同時(shí)也基本避免了斗齒、斗槽頻繁損壞。

3.2.2岸坡及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定控制

岸坡及碼頭現(xiàn)有主體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是升級(jí)改造關(guān)注和控制重點(diǎn)，尤其是基槽疏浚及沉樁過程。經(jīng)深層土體位移觀測等分析，采用大段面、薄分層開挖工藝，基本消除了疏浚對(duì)岸坡穩(wěn)定的影響。打樁振動(dòng)對(duì)岸坡及前沿方塊的穩(wěn)定影響深遠(yuǎn)，若控制不好可造成結(jié)構(gòu)破壞。

舊碼頭方塊前沿沉樁施工采用6種控制措施：1)PHC樁鋼樁靴內(nèi)焊十字板，加強(qiáng)樁靴剛度、提高其對(duì)硬土層穿透性能，同時(shí)增加樁端承載力；2)樁位處護(hù)底、護(hù)坡塊石清除干凈；3)先施打直樁再施打仰樁、俯樁，間隔排架沉樁，且錘擊過程盡可能連續(xù)，降低總錘擊數(shù)、減少振動(dòng)的影響；4)驗(yàn)算打樁船系纜力，設(shè)置岸上系纜樁，未經(jīng)驗(yàn)算嚴(yán)禁系船柱、護(hù)舷板等現(xiàn)有設(shè)施帶纜[8]；5)完成區(qū)段沉樁后，及時(shí)夾樁并拋填護(hù)坡、護(hù)底塊石，增加基槽及方塊基床壓載穩(wěn)定；6)碼頭前沿及陸域設(shè)置表面沉降位移及深層土體位移監(jiān)測點(diǎn)，以期及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)現(xiàn)場踏勘及對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，打樁振動(dòng)對(duì)岸坡及碼頭前沿穩(wěn)定影響有限，方塊前沿立面垂直度幾乎沒有變化，方塊后方珊瑚礁石棱體和回填砂因沉樁振動(dòng)而產(chǎn)生一定程度的二次密實(shí)，鋪面局部沉降最大30 mm，回填區(qū)與方塊區(qū)出現(xiàn)最大負(fù)向(向海側(cè))裂縫22 mm，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)位移、沉降總體可控；后軌道梁施工時(shí)局部挖除此方塊區(qū)域后方并進(jìn)行地基靜力觸探試驗(yàn)，承載力特征值滿足要求，不予處理；軌道梁施工完成后分層回填中粗砂，采用小型平板機(jī)夯實(shí)。

3.2.3實(shí)心墩臺(tái)現(xiàn)澆施工

分層澆筑實(shí)心墩臺(tái)應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)特點(diǎn)劃分層數(shù)及各自厚度。通常過渡板搭接平臺(tái)頂部劃為第1層，并據(jù)此計(jì)算結(jié)構(gòu)自重、設(shè)計(jì)底模支撐系統(tǒng)；排水溝或電纜溝底部為第2層；軌道槽底部為第3層；至碼頭面頂部為第4層。每層澆筑厚度為16～65 cm，每次澆筑工程量94～425 m3，岸上使用汽車泵澆筑，布料均勻、工效高。

利用擴(kuò)建部分跨度小(僅9.64 m)等特點(diǎn)，底模系統(tǒng)支撐采用鋼抱箍法，避免了傳統(tǒng)的樁頂反吊法對(duì)施工空間的占用。面層澆筑以軌道槽底部為界，厚度16.2 cm，降低了軌道槽模板支設(shè)難度，也減少了批次澆筑工程量，給抹面和收面等后續(xù)工序留足時(shí)間，確保表觀質(zhì)量。

3.2.4過渡板半預(yù)制半現(xiàn)澆施工

擴(kuò)建墩臺(tái)與現(xiàn)有方塊碼頭前沿通過過渡板銜接，形成新的接岸結(jié)構(gòu)。為了保證銜接面的平順和美觀，過渡板一般采用全現(xiàn)澆或半預(yù)制半現(xiàn)澆方式進(jìn)行施工。該工程采用后者，即在預(yù)制場提前批量預(yù)制過渡板下半部分，通常為板厚的23；墩臺(tái)澆筑及舊碼頭前沿翻新后，定位、吊裝過渡板，支設(shè)安裝縫泡沫板或密封條，澆筑過渡板頂層，抹面、收光、養(yǎng)護(hù)，最后清理施工縫，接岸結(jié)構(gòu)橫直、縱順、頂平。

3.3 施工注意事項(xiàng)

1)碼頭升級(jí)改造工程宜采用EPC(工程總承包)模式，施工方可提前介入升級(jí)改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就施工可操作性、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)等提出建設(shè)性意見和方案，本質(zhì)上保障工程質(zhì)量、安全。

2)疏浚和沉樁等關(guān)鍵分項(xiàng)工程專項(xiàng)施工方案的編審、報(bào)批，必要時(shí)召開專題研討會(huì)、組織專家論證；實(shí)施過程中不得隨意調(diào)整工序或變更方案。

3)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物、建筑物進(jìn)行表面沉降、位移及深層土體位移觀測等必要的監(jiān)測工作，并及時(shí)分析、反饋，確保結(jié)構(gòu)和施工安全。

4)與梁板結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)澆墩臺(tái)分層是否合理將直接影響施工安全系數(shù)和工效，應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、資源配置等因素。

4 結(jié)語

1)施工標(biāo)貫擊數(shù)N為25～75擊的硬黏土?xí)r，可適當(dāng)降低岸坡疏浚坡比，不需要注漿加固既有岸坡和基槽。

2)樁基采用PHC管樁，經(jīng)濟(jì)性突出；叉樁扭角和仰樁斜率減小有效降低了沉樁難度和振動(dòng)。

3)碼頭面擴(kuò)建部分寬度較小(< 10.0 m)時(shí)，采用墻前高樁墩臺(tái)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化顯著，采用抱箍法施工墩臺(tái)效率高。

4)后軌道采用可調(diào)基座系統(tǒng)，解決了墻前墩臺(tái)法新舊結(jié)構(gòu)沉降變形差異的矛盾，值得推廣。

5)墻前局部分層開挖、間隔排架錘擊沉樁等工藝優(yōu)化是控制既有岸坡穩(wěn)定的有效措施，深層土體測斜則是墻后沉降、位移觀測的必要手段，觀測結(jié)果可靠。

6)新舊結(jié)構(gòu)過渡板采用底部預(yù)制、頂部現(xiàn)澆的施工方法，可以保證新舊結(jié)構(gòu)的平順連接，線形順直、表觀質(zhì)量好。

7)該碼頭已按期竣工移交、投入運(yùn)營，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，是墻前高樁墩臺(tái)法應(yīng)用于重力式結(jié)構(gòu)老碼頭升級(jí)改造的成功案例。