某港池降水期間周邊老碼頭加固措施

于 健，付建寶

(中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222)

在地下水豐富地區基坑止水設計不僅要考慮坑內滲透量是否經濟，還須考慮水位下降引起的周邊建筑物的變形，主要包括地基的附加沉降和不均勻沉降[1-2]，這些變形是由于基坑降水及其引起的滲流使得土體中有效應力改變而引起的[3]。降水時伴隨著地下滲流場變化，基坑周邊土體的穩定性及變形問題較為復雜，往往采用有限元法進行分析[4-6]。

1 工程背景

大連灣海底隧道建設工程位于大連灣內，起始于大連灣北岸梭魚灣規劃20號路，向南下穿大連灣海域、甘井子西航道、大連港北防波堤，在南岸大連港的三、四號碼頭之間港池登陸。工程平面位置見圖1。

圖1 工程平面位置

為了給南岸港池暗埋段隧道施工提供干作業條件，將在大連港三、四號碼頭之間的港池外側新建臨時圍堰，并分別在四號碼頭后方70 m處、三號碼頭后方85 m處及新建的臨時圍堰上設置止水結構，將港池內的水排干形成一個大型基坑，見圖2。大連港碼頭為20世紀30年代日本人所建，目前屬于文物建筑，須予以保護，且三號碼頭后方有32庫，而本次港池排水施工使得該老碼頭結構的受力情況發生改變，對碼頭結構和三號碼頭后方的32庫可能產生不利影響，因此須分析此次排水施工過程對碼頭穩定性的影響。

圖2 港池止水結構平面布置(單位：m)

2 工程地質及水文情況

工程場地從上到下地質情況如下：

①1素填土(Q4ml)：灰褐色，由碎石及黏性土組成，碎石主要成分為石灰巖，碎石含量30%～70%，粒徑2～20 cm，稍密。

②2淤泥質粉質黏土(Q4m)：灰黑色，流塑-軟塑，略具腥臭味，有機質含量高，含少量貝殼，干強度低，韌性低，稍有光澤，無搖振反應。

③2粉質黏土(Q4m)：黃褐色，可塑-硬塑，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。

⑤2含碎石粉質黏土(Q4al+m)：灰黃-黃褐色，可塑-硬塑，含10%～30%石英巖碎石、角礫，無搖振反應，干強度中等，韌性中等。

⑥角礫(Q3al+m)：黃褐色，成分為石英巖，粒徑0.5～2 cm，含量約60%，間隙充填黏性土和細砂，中密-密實，飽和。

3 碼頭結構穩定性分析

3.1 碼頭分析計算模型

對碼頭結構的地基承載力、抗滑、抗傾覆以及整體穩定性采用 《港口工程地基計算系統》(2008版)進行分析，同時采用有限元軟件PLAXIS 3D對碼頭及周邊土體、建筑物進行變形分析。

四號碼頭主要為沉箱重力式結構、三號碼頭為方塊重力式碼頭結構，且三號碼頭后方約15.2 m處為建筑物32庫，32庫為兩層鋼筋混凝土框架結構、基礎為預制方樁。

荷載組合均按照短暫工況考慮，碼頭前沿20 m范圍內的均布荷載均為15 kPa，四號碼頭前沿20 m范圍以外的均布荷載為10 kPa，三號碼頭前沿20 m范圍以外的均布荷載均為20 kPa。

典型分析計算斷面及其土層分布見圖3。

圖3 典型斷面及土層分布(單位：m)

3.2 模型計算參數

止水結構上部為塑性混凝土防滲墻，厚度0.8 m，防滲墻進入強風化板巖4 m，底部采用帷幕灌漿，進入中風化巖6 m，帷幕灌漿雙排布置，排距0.7 m，每排孔距1.5 m。止水帷幕防滲墻厚800 mm，密度2.0 t/m3，彈性模量400 MPa，抗壓強度2 MPa，抗拉強度0.3 MPa，滲透系數≤1×10-7cms。主要地層計算參數見表1。

表1 主要土層參數

續表1

3.3 碼頭結構穩定性分析

采用港口工程地基計算系統對降水前和港池排水完成后兩個工況進行穩定性及地基承載力計算，計算結果見表2。

表2 各斷面安全系數

由上述計算結果可知：

1)港池排水施工對碼頭結構的抗傾覆、抗滑穩定性是有利的。

2)港池降水施工對碼頭結構整體穩定性和地基承載力是不利的，降水至海底面時，整體穩定安全性降低比例為8.5%～11.0%，地基承載力安全系數降低17.4%～20.2%。

3)降水前碼頭地基承載力和整體穩定性安全系數均不滿足目前國內相關規范的要求(不小于2)，但該碼頭已正常使用將近百年，對于當年日本相關建設標準不得而知。實際上國內也存在一些老碼頭的地基承載力安全系數達不到現有規范要求，可認為目前狀態碼頭結構是安全的。

3.4 有限元整體變形分析

采用有限元分析軟件Plaxis 3D對降水施工過程中碼頭結構及其周邊土體的變形進行分析，本構模型采用Mohr-Coulomb模型，在PLAXIS 3D中Mohr-Coulomb模型為彈性-理想塑性模型，理想彈塑性材料在塑性變形階段，應力不增加，但應變在不斷地增大，其應力-應變曲線見圖4。

圖4 理想彈塑性應力-應變曲線

計算模型以高水位(1.89 m)為模型初始水位，水位逐漸降低至-26 m，計算過程中考慮了水位下降土體中土體中孔隙水壓力的消散，四號碼頭典型計算斷面有限元計算結果見圖5。三號碼頭典型斷面有限元模型中為顯示樁的存在將部分土層進行了隱藏(圖6)。圖6為三號碼頭上32庫的樁基礎，最近的樁距離碼頭前沿15 m，每排樁間隔7.5 m，因而截取7.5 m的斷面建立如圖6計算模型。每排樁包括5組樁簇，每組樁簇的距離皆為7.5 m，中間3個樁簇包含4根樁，兩端樁簇包含3根樁。樁截面為邊長0.4 m的正方形，樁端承載，樁深入強風化巖0.5 m。三號碼頭典型計算斷面有限元計算結果見圖7。

圖5 四號碼頭典型斷面降水完成變形云圖

圖6 三號碼頭典型斷面有限元計算模型

圖7 三號碼頭典型斷面降水完成后變形云圖

土體變形計算結果見表3，碼頭結構變形情況見表4。

表3 典型斷面最大變形及其位置

表4 典型計算斷面碼頭結構最大變形量統計

上述計算結果表明：港池內降水施工使得碼頭周邊土體發生較大的位移。從碼頭前沿線往碼頭后方沉降變形先增大后逐漸減小，至防滲墻位置沉降量基本為0 mm，其中四號碼頭發生的最大沉降量為131 mm，位于距碼頭前沿線22.7 m處；三號碼頭發生的最大沉降量為12.2 mm，位于距碼頭前沿線10 m處；土體位移主要發生在碼頭前趾前方地基內；碼頭結構也發生明顯的變形。

4 碼頭防護設計

通過上述分析，南接岸港池降水施工使得三、四號碼頭的承載力和整體穩定安全系數都有不同程度的降低，可能會導致碼頭結構失穩破壞，碼頭地面沉降和水平位移也較大，三號碼頭后方的32庫基樁可能發生折斷，因此應采取必要的處理措施。但是該碼頭已投入使用80多年，目前碼頭結構健康狀況和碼頭下方地基情況均無法完全探明，經過綜合考慮，擬在碼頭前方新建臨時圍堰，并在其上打設止水結構，止水結構采用混凝土防滲墻結合帷幕灌漿的方式，墻厚80 cm，位于碼頭前沿6 m處，深入滲透系數不大于3×10-5cm/s的巖層(中風化巖)6 m，見圖8。采取防護措施后四號和三號碼頭有限元計算結果見圖9。

圖8 碼頭防護方案斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖9 碼頭防護后降水至海底時典型斷面位移云圖

由圖9可以看出，采取防護措施后，在臨時圍堰填筑及港池內降水施工期間，結構的位移主要發生在新填筑的臨時圍堰上，碼頭本身的變形明顯減小，見表5。

表5 碼頭防護前后沉降和水平位移

5 結論

1)港池降水施工對碼頭結構的抗傾覆、抗滑穩定性是有利的。

2)目前碼頭的整體穩定性和地基承載力均不滿足相關規范要求，考慮到目前碼頭施工狀態可認為是安全穩定的，但降水施工使得碼頭整體穩定性和地基承載力均有不同程度的下降，已遠不能滿足現有相關規范要求。

3)通過有限元分析，港池降水施工過程中碼頭結構后方及前趾下方地基均發生較大的變形，因此須采取措施予以加固。

4)采用碼頭前方新建臨時圍堰，并在臨時圍堰上設置止水結構的加固措施后，在整個施工期間碼頭結構的變形較小，可有效地保護現有碼頭。