吉布提牲畜碼頭結(jié)構(gòu)設計方案比選分析

潘曉博

（招商局港口集團股份有限公司，廣東深圳 518000）

1 工程概況

工程位于非洲東北部亞丁灣西岸吉布提共和國的大馬角地區(qū)，距吉布提與索馬里的邊境約5 km，距吉布提市中心約20 km。建設內(nèi)容包括：陸上匯集區(qū)、2.2 km引堤及碼頭工程，碼頭工程為25 000 DWT的碼頭岸線863 m，主要用于牲畜上下船。

2 自然條件

2.1 設計水位和波浪

吉布提位于亞丁灣和紅海交接地帶，屬于熱帶沙漠干旱氣候，常年海水溫度較高，且潮差較小，適合珊瑚的生長發(fā)育。碼頭設計高水位2.94 m，設計低水位0.82 m，極端高水位3.70 m，極端低水位0.00 m。5年一遇波高H1%=1.85 m，平均周期8.35 s；100年一遇波高H1%=2.14 m，平均周期8.35 s。工程區(qū)域波浪較小，潮流較弱。

2.2 地質(zhì)條件

據(jù)相關(guān)勘測，碼頭區(qū)天然水深在-10～-11.0 m之間，土層分部較為均勻。表層為7～8 m厚的沉積淤泥、砂、黏性土等土體的混合，強度較低；表層下方的-18～-35 m高程之間為④-1珊瑚礁灰?guī)r（弱膠結(jié)），多呈半成巖狀，孔隙較多，膠結(jié)能力差；-35 m以下為④-2珊瑚礁灰?guī)r，土體較密實，孔隙較少，膠結(jié)較好，強度較高，是良好的地基持力層。

3 水工結(jié)構(gòu)設計方案

碼頭工程區(qū)域的風、浪、流均較小，勘察鉆孔揭示的土層分布較為單一，這給碼頭結(jié)構(gòu)選型帶來了更多的可能性。本文結(jié)合工程設計和實施情況，重點對鋼管板樁方案、重力式沉箱方案、鋼管樁方案、大直徑鋼圓筒方案等進行比較分析。

3.1 鋼管板樁方案

鋼管板樁結(jié)構(gòu)由前墻+錨定體系組成，前墻結(jié)構(gòu)采用鋼管板樁組合體系，該體系由φ1 200鋼管樁（兩側(cè)帶板樁鎖扣）、U型鋼板樁、上部導梁胸墻組成；鋼管樁縱向間距3.5 m（碼頭寬度48 m）、2.75 m（碼頭寬度22.1 m），壁厚22 mm，樁頂高程為2.85 m，樁底高程-26 m。鋼板樁位于鋼管樁間，壁厚15 mm，采用U型板樁，樁頂高程2.85 m，樁底高程-17.5 m。錨定體系為鋼拉桿，拉桿間距3.05 m，直徑75 mm，由拉桿、鉸及張緊器組成。鋼管樁后方回填開山石，碼頭面層采用高強連鎖塊結(jié)構(gòu)。施工順序為：

1）清理表面的淤泥層；

2）安裝管樁和板樁；

3）回填至-12 m；

4）核心區(qū)域回填至2.5 m；

5）通過強夯法壓實核心區(qū)域；

6）安裝橫拉桿；

7）側(cè)邊區(qū)域回填至2.5 m；

8）建設頂部橫梁然后繼續(xù)回填至4.55 m（預留0.4 m沉降）；

9）碼頭面施工；

10）安裝系船柱、護舷、樓梯及其他碼頭設備；

11）安裝燈桿、鋪設路面。

此方案施工工期約1年。

雙層鋼管板樁組合墻方案典型斷面如圖1。

圖1 雙層鋼管板樁方案典型斷面示意

3.2 重力式沉箱方案

采用方沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱尺寸為長×寬（不含趾）×高=11.0 m×10.0 m×14.65 m，重量約為850 t，碼頭前沿底高程-12.0 m，持力層-19.0 m。在863 m岸線上，較寬的碼頭兩側(cè)采用沉箱，而在端部較窄處采用高2 m、長10 m的預制素混凝土塊體進行安裝封堵。施工采用1 000 t起吊能力的起重船進行移動安裝。施工包括基槽開挖，基床拋填打夯，沉箱的安放及回填，輔助設施安裝等，共67個沉箱，工期約2年。重力式沉箱方案典型斷面如圖2所示。

圖2 重力式沉箱典型斷面示意

3.3 大直徑鋼圓筒方案

大直徑鋼圓筒結(jié)構(gòu)方案源于大直徑圓筒和格形鋼板樁結(jié)構(gòu)，利用厚度為20 mm的鋼板卷材制作薄壁結(jié)構(gòu)的圓筒及半圓筒，采用震動式液壓錘將鋼圓筒結(jié)構(gòu)單元打入沙土中，內(nèi)部回填塊石形成墻體。碼頭結(jié)構(gòu)主體格體由圓筒和半圓筒組成。圓筒直徑15.0 m，半圓筒為圓弧形，半徑2.305 m，兩圓筒中間距為16.8 m，每個圓筒重量為163 t，在端部碼頭處最大為235 t。每個半圓筒重量為25 t，端部碼頭處最大為40 t。圓筒和半圓筒之間采用預制鎖口進行連接。施工方面，本方案用500 t吊船吊運鋼圓筒單元（起吊以輔助支架），用大型液壓振動錘打設圓筒。工期約1年。大直徑鋼圓筒方案典型斷面如圖3所示。

圖3 大直徑鋼圓筒方案典型斷面示意

3.4 鋼管樁方案

鋼管樁承臺方案樁基結(jié)構(gòu)采用Φ1 000鋼管樁（壁厚δ=18 mm），每榀排架8根樁，包括一對斜樁，斜率為4.5:1。排架間距為8.0 m，持力層選擇在珊瑚礁灰?guī)r層，樁尖選擇在約-28.0 m高程處。碼頭上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。結(jié)合結(jié)構(gòu)耐久性設計，梁格面板均采用C45高性能鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并在現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)底部迎水面全部涂覆硅烷進行防腐。現(xiàn)澆的橫梁及縱向聯(lián)系梁的斷面分別為2.0 m×1.6 m、2.0 m×1.2 m。面板為鋼筋混凝土疊合板，板厚0.55 m。系泊設施采用800 kN系船柱，碼頭前沿安裝H1450一鼓一板標準型橡膠護舷，平均間距均為16.0 m。施工方面，本方案必須用到的大型設備有D100以上柴油錘打樁船用于水上沉樁，工期約1年半到2年。鋼管樁樁基承臺方案典型斷面如圖4所示。

圖4 鋼管樁樁基承臺方案典型斷面示意

3.5 結(jié)構(gòu)方案綜合比較

結(jié)構(gòu)的造價采用了當?shù)氐慕ú男畔⒁约爱數(shù)氐娜斯r格，造價所計為碼頭范圍內(nèi)的工程量。除鋼管樁和鋼圓筒在國內(nèi)采購并運至現(xiàn)場外，其他鋼筋水泥砂石料等均采用當?shù)亟ú摹＝Y(jié)構(gòu)方案綜合比較情況見表1。鋼管板樁方案由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，施工速度快，性價比高被選為最終實施方案。

表1 結(jié)構(gòu)方案綜合比較

4 鋼管板樁結(jié)構(gòu)方案計算分析

根據(jù)使用要求和自然條件，對鋼管板樁結(jié)構(gòu)方案建立模型進行結(jié)構(gòu)受力計算。計算軟件方面，結(jié)構(gòu)在施工期和使用期的位移、構(gòu)件的內(nèi)力計算均采用巖土PLAXIS軟件，在踢腳穩(wěn)定計算中采用了“易工板樁碼頭設計程序”進行計算。作用效應組合方面，采用中國規(guī)范組合，包括：持久工況、地震工況、短暫工況；荷載組合的分項系數(shù)，對于構(gòu)件計算采用綜合系數(shù)法，對于整體計算采用了分項系數(shù)法。

4.1 碼頭主要構(gòu)件受力計算及踢腳穩(wěn)定性分析

主要考慮使用期的工況，鋼管樁最大彎矩、剪力，以及鋼拉桿最大軸向拉力、應力由Plaxis分析結(jié)果獲得。計算結(jié)果表明鋼管樁和拉桿產(chǎn)生的最大應力均小于鋼結(jié)構(gòu)的允許應力值，構(gòu)件安全，前鋼管樁滿足樁力，結(jié)構(gòu)的踢腳穩(wěn)定滿足要求。

表2 使用期碼頭結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

圖5 使用期每延米板樁軸力分布情況

圖6 使用期每延米板樁彎矩分布情況

4.2 結(jié)構(gòu)位移分析

考慮到施工過程中可能存在的靜水壓差，在施工和使用階段都考慮了雙層鋼管板樁組合墻的結(jié)構(gòu)位移。施工期時，分別考慮了開挖打樁后位移、回填塊石至底層時位移、回填塊石至-9 m位移、回填塊石至-6 m位移、回填塊石至-3 m位移、回填塊石至碼頭面時位移；使用期時，歸零處理施工完畢后板樁墻的位移，考慮后期結(jié)構(gòu)在受到系纜力、均載及波浪力等非施工期的荷載作用下產(chǎn)生的位移。經(jīng)計算得，施工期前板樁最大位移53 mm，在使用期前板樁最大位移23 mm。

圖7 施工期開挖打樁后位移

圖8 施工期回填塊石至-3 m位移

圖9 施工期回填塊石至碼頭面位移

圖10 使用期水平位移

4.3 岸坡整體穩(wěn)定核算

使用計算機程序Slope/W檢查結(jié)構(gòu)和保留土的一般剪切滑動，采用圓弧滑動法分析岸坡整體穩(wěn)定性，對每個泊位的設計斷面進行計算，岸坡整體穩(wěn)定性在使用期、地震期均滿足相關(guān)規(guī)范要求，且安全系數(shù)較大，工程岸坡整體穩(wěn)定。

5 結(jié)語

通過對碼頭結(jié)構(gòu)方案的分析，比較各種結(jié)構(gòu)方案后可知，鋼管板樁利用了鋼管樁較強的土層穿透能力和板樁結(jié)構(gòu)的擋土作用，節(jié)省了鋼材的用量，保證了主體結(jié)構(gòu)安全可靠，避免了重力式碼頭大開挖大回填的工序，充分利用了各種構(gòu)件的優(yōu)點，縮短工期，節(jié)省造價，綜合各方面因素更具有優(yōu)勢。隨著我國近年來在海外項目的不斷拓展和高強度鋼材的普及使用，在類似工程中可考慮鋼管板樁結(jié)構(gòu)。