預制高強混凝土薄壁鋼管樁在滿堂式碼頭中的應用

◎ 章康 中交第三航務工程勘察設計院有限公司

許仁超 福建省福州港口發展中心水運工程質量安全技術站

1.滿堂式樁基碼頭

滿堂式高樁碼頭，通常采用樁基平臺與接岸結構相結合的結構型式。這種結構型式在鹽田、連云港等地區有許多成功應用案例。由于護岸施工完成后樁基施工難度較大，樁基先行施工，待樁基施工完成后進行樁間拋石形成接岸結構。為避免后實施的護岸結構對樁基的影響，樁基宜采用全直樁結構。

樁基結構樁型的合理選擇是高樁式水工結構設計的關鍵。根據成樁的工藝，可以分為打入樁、灌注樁（嵌巖樁）。灌注樁（嵌巖樁）主要用于軟土層厚度較小，下臥層以巖基為主的地基，具有截面慣性矩大、承載力高、對地基條件適應性好等特點，但樁基費用高，施工速度慢，需投入較多的成樁設備才能保證施工進度。當軟土層較厚時，可優先采用打入樁，與灌注樁相比，其具有有施工工藝簡單、施工速度快等優勢。預應力方樁、預應力高強度混凝土管樁（PHC樁）、后張法預應力混凝土大管樁、鋼管樁為最為常用的打入樁樁基形式。

2.TSC樁簡介

預制高強混凝土薄壁鋼管樁（TSC樁）是一種新型樁型，目前已在舟山等地區有較多的成功應用案例，技術成熟。其外壁為薄壁鋼管樁，內壁為經離心工藝成型的混凝土強度不低于C80的素混凝土、預應力混凝土，內壁和外壁共同構成復合管樁。

3.工程案例應用

3.1 工程簡介

福建某泊位工程，建設1個5萬噸級多用途泊位，水工結構按照10萬噸級集裝箱船設計。相鄰北側已建碼頭采用沉箱重力式結構，南側擬建碼頭采用高樁梁板結構。碼頭長325m（含38.18m北側碼頭預留段），寬51.5m，頂高程10.0 m，碼頭前沿設計泥面-15.60m。碼頭平臺上，前沿至岸橋后軌設計均載30kN/m2，后軌至碼頭平臺后沿設計均載為40kN/m2。集裝箱岸橋軌距30m，基距15.5m，輪距1.1m，8輪/腿，兩臺岸橋最小間距3m。工作狀態最大輪壓850kN/輪（海側）、680 kN/輪（陸側），非工作狀態最大輪壓1010 kN/輪（海側）、1190 kN/輪（陸側）。

根據地勘報告，距碼頭前沿70～180m后方已通過人工填石形成大面積陸域場地，部分場地已做堆場使用。海域區為海積層（稍密～密實的砂性土、流塑狀淤泥、可塑狀粉質粘土等），厚度40～48m，其下為強-中風化巖，下臥層中無明顯有軟弱土層分布。根據勘探揭露地層的地質時代、成因類型、埋藏深度、物理力學性質指標及其工程地質特征，自上而下依次為：拋填石①、細砂②、淤泥②-1、粉質粘土③、中砂③-1、黏土④、粉質粘土⑤、粗砂⑤-1、全風化花崗巖⑥、砂土狀強風化花崗巖⑦、中風化花崗巖⑧。

考慮重力式結構持力層埋深較深，水工結構如采用重力式結構，基槽開挖回填量大，一方面將影響現場堆場的使用，另一方面會影響海洋環生態境。采用高樁結構不但可以減少上述影響，相比重力式結構還可以減少工程造價。

除了灌注樁外，由于本工程軟土層較厚，樁基還可考慮打入樁。綜合考慮設計船型及全直樁平臺受力特性，在水平力作用下樁頂需承受較大彎矩，故本工程打入樁考慮鋼管樁及TSC樁方案。在進行比較后，該碼頭滿堂式全直樁方案采用的結構形式如下：碼頭平臺采用高樁梁板式結構，樁基一般采用Φ1200mmTSC樁（每榀排架海側4 根樁采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），鋼管壁厚10mm，岸側6 根樁采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），鋼管壁厚14mm，樁壁厚均為150mm）、排架間距10m，每榀排架布置10根樁。根據現狀，碼頭北側已建碼頭預留沉箱，拋石層較厚，不具備打入樁條件，采用Φ1300mm沖孔灌注樁作為碼頭樁基結構基礎。

3.2 設計樁力的比較

比選樁基結構分別選用Φ1300mm的灌注樁、Φ1200mm鋼管樁（計算壁厚20mm），樁基布置數量及形式和TSC樁結構方案相同。在外部荷載相同的情況下，各結構均無拉樁，設計最大樁力、最大應力及設計最大樁彎矩如表1所示。因結構均采用全直樁，樁數及布置相同，Φ1300mm灌注樁、Φ1200mm鋼管樁樁基結構的設計最大樁彎矩基本一致，Φ1200mm結構同一排架內采用兩種不同壁厚的樁基，設計最大樁彎矩略大。另外，Φ1300mm灌注樁為實心混凝土結構，樁基自重大，Φ1200mm鋼管樁、Φ1200mmTSC樁結構為空心，樁基自重小，所以在三種樁基結構中，設計最大樁力值最大，Φ120 0mm鋼管樁最小，Φ1200mmTSC在兩者之間。

經計算Φ1300mm灌注樁受力鋼筋的配筋率近3.8%，Φ1200mm鋼管樁的最大應力已接近鋼材的強度設計值，樁基受力已近極限。但鋼管壁厚10mm的Φ1200mmTSCP-II（C型），純彎時抗彎強度設計值7298kN·m，鋼管壁厚14mm的Φ1200mmTSC-P-II（C型），純彎時抗彎強度設計值達8848kN·m。

3.3 水平荷載作用下位移的比較

實心的灌注樁的因截面慣性矩大，剛度大，TSC樁外壁為薄壁鋼管，內壁為混凝土，截面慣性矩次之，且鋼材彈性模量大于混凝土的彈性模量，剛度較大，鋼管樁壁厚遠小于TSC樁的總壁厚，截面慣性矩最小，剛度也最小。在本工程中，對比采用相同樁數、樁基布置下Φ1300mm的灌注樁、Φ1200mm鋼管樁和TSC樁結構，在船舶靠岸撞擊力作用下的位移對比可知（表2），應用Φ1200mmTSC樁結構產生的水平位移顯著小于Φ1200mm鋼管樁結構的水平位移，略大于Φ1300mm灌注樁結構的位移。

表1 采用不同樁基結構的設計樁內力

表2 船舶靠岸撞擊力作用下采用不同樁基結構的水平位移

3.4 造價的比較

本工程三種樁基結構的持力層均選為強風化～中風化花崗巖，各樁基結構的樁長相近，樁基制作及施工的費用，直接決定了三種方案的實際造價。因樁基數量一致，本文只需比較單根樁的不含稅市場價(元)。

灌注樁雖然在材料費用上的成本低于鋼管樁和TSC樁，鋼護筒只需簡易防腐，成本低，但其需要進行施工平臺施工，鉆孔并設置鋼護筒，總的單樁成本高于其他樁型。TSC樁的成品外購費用低于鋼管樁，且無需施工平臺、鉆孔、鋼護筒，單樁成本低于其他樁型，本工程共使用260根TSC樁，相較其他樁型經濟優勢明顯。

3.5 施工方面的比較

碼頭平臺樁基采用灌注樁，其施工工藝繁雜，需要搭設施工平臺、設置鋼護筒、鉆孔、清孔、吊放鋼筋籠骨架、灌注水下混凝土等，各工序均在水上進行，施工周期比較長。質量方面，要控制混凝土澆筑前孔底沉渣厚度，保證單根灌注樁的混凝土連續澆筑，樁身無斷層或夾層。

4.結論

對于樁基采用全直樁的滿堂式高樁碼頭，需要保證樁基具有抗彎能力強，當選用打入樁時還需要確保其具備耐錘擊性能好的特點。除了傳統的灌注樁、鋼管樁作為樁基外，TSC樁因其兼具鋼管樁及混凝土管樁的優點，不但具備上述特點，價格又低于鋼管樁。