高樁碼頭修復(fù)加固工程關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐

俞梅欣，張燕，洪德序，張圩，王懌之

（1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200093；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200093）

高樁碼頭是國(guó)內(nèi)外沿海、沿江碼頭的主要結(jié)構(gòu)型式之一，被廣泛應(yīng)用，在所有碼頭工程建設(shè)數(shù)量中占有較大比重。該結(jié)構(gòu)型式具有施工便捷、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但也有耐久性不如重力式碼頭等缺點(diǎn)。隨著已建高樁碼頭的頻繁使用，以及自然氣候、海洋環(huán)境等外部因素的不斷變化，建成多年的現(xiàn)狀碼頭經(jīng)過長(zhǎng)期服役，將會(huì)出現(xiàn)一定的耐久性、適用性、安全性方面的隱患。尤其是那些缺乏日常維護(hù)和檢測(cè)的功能性碼頭，相應(yīng)的修復(fù)和加固亟需提升日程。

本文以浙江省中東部某沿海港區(qū)高樁碼頭為例，開展修復(fù)與加固工程關(guān)鍵技術(shù)的研究，并將相應(yīng)的分析結(jié)果應(yīng)用于實(shí)踐，既達(dá)到了恢復(fù)碼頭使用功能、提高安全性能的目的，也能為今后類似工程的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目碼頭工程全長(zhǎng)400 m，寬24 m，前沿設(shè)計(jì)泥面標(biāo)高-12 m，面標(biāo)高5.0 m（當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面為起算面）。碼頭共設(shè)6 個(gè)結(jié)構(gòu)分段，排架間距7m。碼頭與陸域之間設(shè)兩座長(zhǎng)約120 m、寬11 m 的引橋。碼頭及采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)排架下設(shè)7 根600 mm×600 mm 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心方樁（5 根直樁和1 根叉樁，圖1），每個(gè)結(jié)構(gòu)段端排架處設(shè)8 根樁基（4根直樁直和2 根叉樁）。

圖1 碼頭標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

碼頭建成于2000年，設(shè)計(jì)使用年限為50年，至今已投入使用近20 余年，期間進(jìn)行過間歇性維護(hù)，但未開展過結(jié)構(gòu)大修，碼頭前沿有維護(hù)性疏浚但后方未曾清淤。

2 自然條件

2.1 水文

本工程設(shè)計(jì)高水位為3.45 m，設(shè)計(jì)低水位0.15 m，極端高水位為4.53 m，極端低水位為-0.82 m。

港區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮港，漲、落潮歷時(shí)不等。潮流運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為往復(fù)流，碼頭前沿處漲潮時(shí)潮流指向西南西，落潮時(shí)潮流指向東北東，流速值在2 kn 以下。

碼頭位于天然港區(qū)內(nèi)，四面環(huán)島，波浪較小，最大波高0.7 m，年平均波高0.1 m，故本次設(shè)計(jì)中不考慮波浪作用。

2.2 工程地質(zhì)

場(chǎng)地地貌單元屬浙東丘陵濱海島嶼區(qū)，土層自上而下為第四系全新統(tǒng)濱海、淺海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土、殘坡積的粉質(zhì)粘土夾砂礫等；下伏基巖為流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r和角礫凝灰?guī)r，微風(fēng)化巖石致密、堅(jiān)硬。

2.3 泥沙

碼頭前沿淤積強(qiáng)度在0.20～0.35 m/a。測(cè)區(qū)底質(zhì)中粉砂的含量均在70%左右，其次是粘土，砂含量較小。

2.4 地震

擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

3 檢測(cè)評(píng)估主要結(jié)論

本工程開工前進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)與評(píng)估，結(jié)果顯示碼頭結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)不同程度的破損，主要表現(xiàn)為：①碼頭后方及底部淤積嚴(yán)重；②碼頭第一分段出現(xiàn)水平錯(cuò)位和豎向錯(cuò)臺(tái)；③鋼筋混凝土方樁樁頂出現(xiàn)環(huán)形裂縫，尤其第一分段較為普遍；④橫梁、縱梁、面板等結(jié)構(gòu)破損；⑤附屬構(gòu)件損壞及缺失。

圖2 典型病害現(xiàn)場(chǎng)照片

整體評(píng)估結(jié)論如表1所示。

表1 碼頭評(píng)估結(jié)論

針對(duì)以上問題，項(xiàng)目上需根據(jù)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的設(shè)計(jì)原則，對(duì)碼頭進(jìn)行修復(fù)和加固設(shè)計(jì)。

4 修復(fù)加固方案

本工程修復(fù)水工建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為Ⅱ級(jí)。根據(jù)委托方要求，耐久性應(yīng)滿足修復(fù)后剩余使用年限要求，修復(fù)后評(píng)估等級(jí)要求達(dá)到B 級(jí)，碼頭的使用荷載不作改變。

4.1 碼頭清淤

本次碼頭清淤主要針對(duì)碼頭后方多年淤積的泥面進(jìn)行。考慮施工便捷性與經(jīng)濟(jì)性，本次清淤不完全按照竣工圖所示1:10 坡度進(jìn)行，而是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)十字板試驗(yàn)得到的土層力學(xué)參數(shù)重新進(jìn)行邊坡穩(wěn)定驗(yàn)算，以確保碼頭安全為主，以1:5 坡度進(jìn)行，中部設(shè)置寬5 m 的平臺(tái)。

4.2 整體加固措施

竣工圖顯示原碼頭同一分段的斜樁均采用同一平面扭角，這不滿足現(xiàn)行水運(yùn)抗震規(guī)范要求，故本次修復(fù)工程立足碼頭設(shè)計(jì)年限范圍內(nèi)使用安全、原則上盡量減少大拆大建，確保碼頭修復(fù)效益經(jīng)濟(jì)合理的原則，對(duì)此進(jìn)行有限加強(qiáng)。

本方案擬將碼頭端部1 號(hào)軸線處的上部結(jié)構(gòu)全部拆除，對(duì)其樁基進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，要求全部為Ⅰ、Ⅱ類樁；當(dāng)出現(xiàn)Ⅳ類樁，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)樁處理；當(dāng)出現(xiàn)Ⅲ類樁時(shí)，若缺陷在泥面以上，需外加鋼套筒加固，若在泥面下則截樁至泥面并補(bǔ)樁。經(jīng)通過三維有限元結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，需在此軸線橫向中部補(bǔ)打4 根叉樁，以增加碼頭縱向抵抗水平荷載的能力。補(bǔ)樁樁型采用Φ800PHC 樁，平均樁長(zhǎng)約45 m，維持原持力層（礫碎石混粘性土）。重新現(xiàn)澆橫梁，安裝縱向梁系、預(yù)制面板，現(xiàn)澆面板，并恢復(fù)原上部附屬設(shè)施。

由于老樁基與橫梁連接處出現(xiàn)裂縫、混凝土碎裂等情況，上部結(jié)構(gòu)拆除后需進(jìn)行樁頭處理，暫將下橫梁底標(biāo)高降低500 mm，增設(shè)縱梁擱墩，縱梁、疊合板尺寸同原設(shè)計(jì)。

4.3 樁基修復(fù)加固方案

鑒于碼頭第一分段破損最為嚴(yán)重，每個(gè)排架樁基水上部分普遍存在樁頂環(huán)向裂縫，叉樁樁頂上方扒開一定距離（嚴(yán)重者脫開）；各排架下橫梁頂部沿橫梁長(zhǎng)度方向普遍銹脹開裂，上橫梁局部銹脹露筋；叉樁上部橫梁存在斜向（豎向）裂縫：1～4#排架叉樁上方橫梁劈裂嚴(yán)重。碼頭縱梁底部銹跡或者沿縱梁長(zhǎng)度方向開裂；縱梁普遍存在3～6 條豎向貫通裂縫。11 和12 軸間的分縫最大處達(dá)到21 cm 寬，碼頭變形已大大超出規(guī)范允許的范圍。

但根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，該分段樁基低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)共完成27 根，占總樁數(shù)的33.3%，其中Ⅰ類樁24 根，Ⅱ類樁2 根，Ⅲ類樁1 根，由此反映樁身質(zhì)量尚可，但這與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的碼頭橫梁與樁基連接節(jié)點(diǎn)多處破損、斷裂不是太匹配。初判原因可能為水上進(jìn)行的低應(yīng)變檢測(cè)其樁基檢測(cè)點(diǎn)位于樁頂下約0.4 m 處，而破損節(jié)點(diǎn)在測(cè)點(diǎn)上方所致。

對(duì)此經(jīng)多次研究與分析，擬對(duì)出現(xiàn)的Ⅲ類樁，增設(shè)鋼套筒（圖3）。鋼套筒長(zhǎng)度2 m，其與樁之間空隙配筋并澆注C40 水下細(xì)石砼，有效隔絕腐蝕環(huán)境，恢復(fù)樁結(jié)構(gòu)完整性。

圖3 增設(shè)鋼套筒進(jìn)行樁基修復(fù)加固示意圖

4.4 樁頂節(jié)點(diǎn)修復(fù)加固方案

樁與橫梁節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)砼開裂、脫落，且環(huán)向裂紋寬1mm 以上且條數(shù)多于4 根處，擬將橫梁局部落低、加大以包覆破損樁頂（圖4）。落地結(jié)構(gòu)平面尺寸在直樁頂為1.6 m×1.2 m、在叉樁頂為1.6 m×2.9 m。結(jié)構(gòu)可能在施工水位以下，為確保質(zhì)量，修補(bǔ)采用C40 水下不分散砼。環(huán)向裂紋寬0.5 mm 以上且多于4 條的，采用環(huán)氧樹脂灌縫，修補(bǔ)裂縫后增設(shè)玻纖套筒。其余裂縫采用環(huán)氧樹脂灌縫修補(bǔ)。

圖4 破損樁頭橫梁局部落低修復(fù)方案

4.5 縱梁與面板修復(fù)方案

本工程縱梁底沿梁長(zhǎng)方向開裂較嚴(yán)重，且普遍存在3～6 條貫穿裂縫，采取方案：①裂縫開展寬度小于0.3 mm 處，采用環(huán)氧樹脂封閉裂縫；②開展寬度大于0.3 mm 處及貫穿裂縫，采用灌漿法進(jìn)行修補(bǔ)后再貼兩層碳纖維布加強(qiáng)。

面板多表現(xiàn)為較多網(wǎng)狀裂紋，當(dāng)寬度不大于0.3 mm 時(shí)，采用封閉、灌漿等方法修復(fù)；出現(xiàn)露筋處，鑿除松動(dòng)砼，鋼筋除銹，再噴射C40 海工砼后外貼兩層碳纖維布。

4.6 耐久性修復(fù)措施

碼頭水上部分長(zhǎng)期暴露于風(fēng)浪之中，表面侵蝕較嚴(yán)重，有大量銹蝕及大小裂紋，這種外觀問題目前雖不影響結(jié)構(gòu)安全，但任其長(zhǎng)期發(fā)展，如裂縫加深、銹蝕擴(kuò)展，必然成為安全隱患。本次要求修復(fù)后耐久性等級(jí)至少達(dá)到B 級(jí)。

擬采用的方案為，除碼頭上表面通道外，在整個(gè)碼頭水上外露面均清理干凈后涂刷一層環(huán)氧樹脂防腐涂料，以增加混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目完工后已達(dá)既定目標(biāo)，修復(fù)加固過程雖遇施工窗口期限制、破損點(diǎn)位分布零散等困難，但由于前期充分考慮了各種因素，深入研判，提供針對(duì)性方案，整體仍是成功的。

（1）高樁碼頭修復(fù)加固關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)踐應(yīng)在可靠的檢測(cè)與評(píng)估的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地制定措施，采用因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、施工便捷的方案，方可達(dá)到預(yù)期目的。

（2）對(duì)于高樁碼頭，后方過度淤積及前方超設(shè)計(jì)要求的水平荷載均有可能導(dǎo)致碼頭位移過大，進(jìn)而樁頭破損，在檢測(cè)和加固時(shí)應(yīng)加以重視，可采用局部橫梁落低法進(jìn)行處理。

（3）裂縫是高樁碼頭工程多年服役后的通病。日常維護(hù)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)碼頭各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫的觀察、檢測(cè)及原因分析，及時(shí)采取切實(shí)有效的針對(duì)性方案進(jìn)行修復(fù)。