LNG码头引桥墩台桩基结构选型

王成　吴迪

【摘 要】 以广西液化天然气（LNG）码头引桥墩台桩基为研究对象，根据工程地质及岩土设计参数、工艺荷载、设计水位等主要设计条件，提出钻孔灌注桩和钢管桩两种设计方案。从桩基承载力受力、结构受力、施工工艺、工程造价、沉桩情况及检测结果等方面分析比较两种方案，得出该工程引桥墩台结构的桩基选型采用钢管桩方案设计较为合理。

【关键词】 引桥墩台；灌注桩；钢管桩；桩基选型

1 工程概况

广西液化天然气（LNG）项目码头工程拟建设1个26.6万m3 LNG船泊位（码头结构兼顾8万～26.6万m3 LNG船靠泊）及相应的配套设施。

LNG码头采用蝶形布置，主要由1座工作平台、2对系靠船墩、3对系缆墩和1座引桥组成，其中，引桥长119.0 m，宽15.0 m，包括3个横梁和3个墩台（含综合用房平台1座，平台平面尺度为33.0 m €？18.5 m）。引桥基础采用高桩墩式及高桩排架式结构，在固定管架位置处设置高桩墩台YD3（见图1），平面尺度为15.0 m €？12.0 m，其余为高桩排架结构；排架与墩台之间及排架之间采用现浇实心板进行连接，下部基础采用直径为 mm钢管桩或灌注桩；结构顶面浇筑钢筋砼面层，两侧设钢栏杆。

2 问题的提出

LNG码头与后方陆域采用引桥连接，引桥桩基的选型不仅要考虑码头整体结构的安全稳定性，其工程造价和施工工艺也直接制约着工程建设的投资和进度。

根据本工程的地质勘探报告，地基土层主要为砂层、粉质黏土及黏土层，土层工程力学性能良好，承载力、强度较高，是良好的桩基础持力层，可作为桩基基础。该LNG码头后方陆域为新建吹填形成的人工岛，引桥部分桩基础直接坐落在人工岛的抛石护岸斜坡堤上。位于堤顶的引桥接岸为横梁结构，具备岸上干地施工条件，采用灌注桩基础；位于堤身斜面处且设有固定管架的墩台YD3不具备岸上施工条件，可选用水上施工的灌注桩或打入桩，需要针对该墩台进行桩基选型分析。

由于引桥接岸处的基础为钻孔灌注桩，LNG码头结构采用钢管桩基础，为减少桩基形式的多样性，保持结构的整体协调，从LNG码头总体设计考虑，选择钢管桩和灌注桩（见图2）两种桩基型式进行综合比较分析。

图2 灌注桩方案

3 主要设计条件

3.1 工程地质及岩土设计参数

根据地质勘查结果，引桥区的地质主要为第四系土层，各单元层主要岩土设计参数推荐值见表1。

表1 地基基础设计参数推荐值kPa

3.2 工艺荷载

引桥车行道区域：流动机械荷载为可供25 t轮胎式起重机空载通过；人群荷载为3 kPa。引桥管廊区域：垂直荷载为 kg/m；固定管架水平力为30 t。

3.3 设计水位

设计高水位为5.54 m（高潮累积频率10%的潮位）；设计低水位为0.00 m（当地理论最低潮面）；极端高水位为6.99 m（重现期为50年的年极值高水位）；极端低水位为 0.67 m（重现期为50年的年极值低水位）。

4 结构设计分析

作用在墩台上面的荷载主要包括自重（永久作用）、可变作用（液体管道荷载、水流力、波浪力、墩台浮力、汽车荷载、人群荷载等），以及地震力（偶然作用）。根据墩台结构上可能同时出现的作用荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态，结合相应的设计状况进行作用效应组合，并按照规范规定选取相应的分项系数。

采用易工水运工程结构计算软件的高桩墩式码头计算模块分别对灌注桩方案和钢管桩方案两种模型（见图3）的墩台各桩主要内力值（见表2）进行计算分析。

（a）灌注桩 （b）钢管桩

图3 两种方案模型

表2 两种方案下YD3墩台各桩主要内力值比较

4.1 钻孔灌注桩方案

根据本地区地质、水文条件和工艺荷载情况，墩台拟布置8根直径为 mm钻孔灌注桩，均为直桩，桩长为55 m。

4.2 钢管桩方案

考虑靠近接岸处墩台将承受较大水平力，墩台拟采用6根斜度为5∶1、直径为 mm的开口钢管桩，桩长为50 m。

5 桩基比选

5.1 桩基承载力受力分析

根据《港口工程桩基规范》，灌注桩和钢管桩的单桩轴向抗压承载力设计值Qd分别为

=（）（1）

=（）（2）

式中： d为土的重力密度； si， p为桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数；qfi为单桩第i层土的单位面积极限侧摩阻力标准值；qR为单桩单位面积极限桩端阻力标准值； 为承载力折减系数；U为桩身截面外周长；A为桩端外周面积。

以CSZK6钻孔地质参数为代表，计算得到单桩桩基承载力（见表3）。

表3 单桩桩基承载力

5.2 结构受力分析

根据结构计算分析和桩轴力分布（见图4），墩台的钢管桩布置采用扇形布桩的形式，与灌注桩采用的直桩比较，桩的受力分布较均匀，对力的作用方向变化适应性较强，桩数相对较少。本工程所处的铁山港常受台风侵袭，多数台风夹带暴雨，形成风暴潮。同时，墩台上部的工艺设施为LNG液相装卸管线，按照LNG接收站管道的总体设计，其对结构的水平位移变形要求高。从引桥轴向位移分布（见图5）可以看出，钢管桩方案的各桩沿引桥轴线方向的位移比灌注桩方案普遍较小。从桩基耐久性分析，灌注桩存在自重大、桩基结构耐久性差等问题，使桩基结构的可靠性降低。钢管桩采用牺牲阳极的阴极保护法和涂装环氧重防腐涂层联合保护措施，可使其设计使用寿命达100年。

图4 桩轴力分布

图5 引桥轴向位移分布

5.3 施工工艺分析

钻孔灌注桩的施工具有低噪声、小震荡、无挤土，对周围邻近建筑物影响小，能够穿越各种复杂地层和形成较大承载力，适应各种地质条件等优点。钻孔灌注桩的施工大部分无法观察，成桩后也不能进行开挖验收。在本工程中，灌注桩用于接岸结构，灌注桩施工需要搭设水上作业平台，成桩施工受风浪影响较大，使施工难度增大；灌注桩相对较长，且需要穿越抛石斜坡堤，导致施工钻孔的时间较长，极易发生塌孔现象。此外，本地区粉质黏土及黏土层较厚，分布广，黏性强，且为桩基的持力层，在灌注桩充钻成孔至该层时，易出现钻锤被黏土层吸附而造成掉锤现象。钻孔灌注桩施工过程的质量控制难度大，一旦发生掉锤等质量事故，进行返修或方案变更的费用较高。同时，灌注桩施工中泥浆的排放会对周围海域的环境产生一定的影响。为此，从施工和环保角度出发，有必要考虑其他更合理的桩基结构。

钢管桩具有强度高，抗弯能力强，能承受较大水平力，制作、运输、施打方便快速，结构可靠且适合深水泊位等优点，近年来被广泛应用于开敞式码头工程。对于本工程而言，由于软土层较厚，持力层埋深较大，钢管打入桩对砂土及粉质黏土层沉桩较容易，能有效进入持力层，满足结构所需的水平承载力和竖向承载力要求，且使用期结构沉降较小。对于高桩墩式方案来说，桩基础的抗弯要求也相对较高。

灌注桩和钢管桩施工均需进行抛石护坡开挖，清理块石。钢管桩沉桩施工简便、快速，可在1～2天内完成6根钢管桩的施打，进而在最短时间内完成护坡的恢复，其施工过程对大堤结构的影响也尽可能降到最低。灌注桩施工周期长，完成本工程8根灌注桩需1～2月左右工期，其施工过程将对护坡大堤的结构安全产生极为不利的影响。

结合工程的重要性和施工工期紧迫性等特点，推荐采用易施工、强度高、抗弯能力强、加工制作工艺成熟可靠、适应性强、整体受力好的钢管桩结构方案。

5.4 工程造价分析

在本工程中，桩基工程在工程总投资中所占比重较大，从经济角度对两种桩型进行分析比较十分必要。

根据水运工程定额和编制办法，计算得出钢管桩的购置费为元/t，6根50 m钢管桩的总重量为188 t，钢管桩购置费合计为116.6万元；钢管桩阴极保护费用为元/根，合计为5.7万元；钢管桩的打桩费为元/根，合计约8.6万元。钢管桩方案的总费用约131万元。

灌注桩方案的总费用如下：直径 mm钢护筒购置单价为元/t，每根灌注桩需埋设，8根灌注桩需钢护筒62 t，购置费为38.4万元；水上施打钢护筒单价为元/根，8根合计约11.5万元；回旋钻机水上钻孔灌注桩（120 cm内，Ⅲ类土）长度在55 m以内，单价为820元/m，合计约36万元；水上浇筑混凝土的数量为353 m3，C40混凝土单价为720元/m3，合计约25.4万元；8根灌注桩的钢筋数量为78 t，综合单价（包括购置、加工、安装）为元/t，合计约46.6万元。计算得出灌注桩方案的总费用为158万元。

从以上分析可以看出，在满足同等设计要求情况下，钢管桩方案的工程费用比灌注桩方案的工程费用节约了27万元，减少了17.1%。

5.5 沉桩情况及检测结果

工程选用6根直径为 mm钢管桩作为墩台桩基，从钢管桩的成桩记录情况分析，6根钢管桩的总锤击数为～锤，桩的贯入情况良好，桩基进入土层30～33 m，桩尖打入平均标准贯入击数33（16～56）的粉质黏土及黏土层6 m左右，很好地进入持力层，与设计的桩尖标高基本吻合。

根据规范要求，对其中的1根桩进行了高应变动力检测。检测结果显示，桩端阻力为 kN，桩侧摩阻力为 kN，桩基的单桩垂直极限承载力为 kN，桩基的极限承载力满足设计要求。

6 结 语

结合工程实例，针对开敞式LNG码头引桥高桩墩式结构的桩基选型，考虑灌注桩和钢管桩方案，从设计、施工、造价等方面进行综合比较分析，得出以下结论：

（1）利用易工水运软件，计算出2种方案在最不利工况下各桩基的内力值，并根据相关规范算出8根灌注直桩方案和6根钢管斜桩方案的单桩极限垂直承载力均满足设计要求。同时，采用钢管桩方案的单桩极限垂直承载力的富余度较灌注桩方案更为合理。

（2）从结构受力分析可以得出，钢管桩呈扇形布置，具有良好的承载力性能，其受力相对更加均匀。同时，采用钢管桩能够更好地满足工艺管道对结构变形的要求，可提高结构的可靠性和耐久性。

（3）从施工工艺方面分析，灌注桩水上施工技术难度大，质量控制不易，施工周期长，对已建护岸结构的影响较大，其施工中产生的泥浆易对周围海域的环境产生不利影响。钢管桩施打简单、快速，满足工程工期紧迫的要求，同时也减小对护岸结构的影响。

（4）从工程造价方面分析，钢管桩方案的费用较灌注桩方案减少17.1%。

通过综合比较分析，设计采用6根钢管桩作为该墩台的桩基。目前，墩台打桩施工已经完成，根据沉桩情况及高应变动力检测结果，表明桩基受力良好，满足设计要求。

参考文献：

[1]中交第二航务工程勘察设计院有限公司.广西液化天然气（LNG）项目码头及陆域形成工程初步设计报告[R].武汉：中交第二航务工程勘察设计院有限公司，2012.

[2]中交第二航务工程勘察设计院有限公司.广西液化天然气（LNG）项目码头及陆域形成工程岩土工程勘察报告（施工图设计阶段勘察）[R].武汉：中交第二航务工程勘察设计院有限公司，2013.