非岩石地基重力式码头结构设计关键技术

■罗松华

（福建省交通规划设计院，福州350004）

非岩石地基重力式码头结构设计关键技术

■罗松华

（福建省交通规划设计院，福州350004）

通过对一个以非岩石地基为持力层的重力式码头结构选型和结构设计关键技术的介绍和研究，分析了结构选型影响因素，针对持力层选择、地基承载力控制、基槽开挖、沉降控制等结构设计的重点与难点问题提出对策措施，为类似工程设计提供参考。

非岩石地基重力式码头结构选型持力层地基承载力控制对策措施

1 工程概况

平潭港区澳前作业区是福州港的对台客滚直航作业点。澳前客滚码头一期工程已建成10000GT高速客滚泊位和待泊泊位各1个,于2011年11月开港，开通平潭—台中、平潭—台北客滚航线，近几年对台客货吞吐量稳步增长，现已成为大陆与台湾本岛人员直接往来的主要口岸和便捷通道，是平潭综合实验区开放开发的重要形象窗口。

澳前客滚码头二期工程位于已建高速客滚码头西侧，建设10000GT高速客滚（实船）泊位1个（水工结构按20000GT客滚船设计），岸线长度233m，同步形成港区陆域和建设口岸查验等配套设施，码头前沿设计底高程-8.0m。

2 自然条件

（1）设计波浪

S向（横浪）：50年一遇H1%=4.40m，T=8.4s，L=89.0m。

（2）工程地质

码头区主要分布土层详见下表1：

表1 地基主要物理力学指标表

3 码头结构选型及推荐方案

3.1 工程特点

码头区覆盖土层较厚，强风化岩埋置深度较深（岩面标高-21.15m～-33.58m），此类地质条件码头采用高桩结构具有可行性。但根据本工程特点，码头结构选型尚需考虑以下因素：

（1）码头为客货滚装泊位，车辆接岸和旅客上下船设施设计要求合理降低码头面高程，以提高运营安全性、便捷性和舒适性。高速客滚船班轮的定期准点性特点要求结构具有良好的耐久性，避免过频繁的维修导致停运、停航，造成不利经济政治影响。

（2）二期工程与一期工程考虑一体化统筹运营，码头结构型式应有利于与已建工程的顺畅衔接，避免建设期对已建码头正常运营造成影响。

（3）陆域可开发空间与用地需求矛盾较大。岸线前方为一期工程港池水域及澳前进港航道，岸线后方为在建疏港路，陆域开发空间前后受限。本工程陆域需布置海关卡口、查验仓库、车辆查验场地、汽车待渡场、货物堆场、拆装箱库等设施，完善港区功能布局，提升澳前口岸设施条件，根据总平面布置方案，港区用地紧张，需尽量增加陆域面积。

（4）设计波浪具有波高大，波长长，周期长，破坏力大等特征，要求结构具有较强的抗浪性能，降低施工和使用期安全风险。

3.2 结构选型

设计对重力式沉箱和高桩梁板两种结构进行了结构选型比选分析，详见表2。

重力式沉箱结构采用连片式布置，主体结构采用不带卸荷板的沉箱，基础采用抛石基床，墙后回填抛石棱体。

高桩梁板式结构采用高桩离岸式布置，基础采用钢管桩，上部结构由桩帽、横梁、纵梁、叠合面板等组成。码头平台通过栈桥与陆域连接，陆域前沿设置护岸。

表2 结构选型优缺点比选表

3.3 比选分析及推荐方案

3.3.1 比选分析

（1）从表2可知，结构选型比选的8个影响要素中，重力式结构5个要素占优，高桩梁板式3个要素占优，综合分析宜采用重力式结构。

（2）重力式结构与高桩梁板式结构相比，施工期对已建码头泊位影响更大的主要原因在于：码头区覆盖土层较厚，强风化岩埋置深度较深（岩面标高-30.27m～-33.58m），若采用岩石地基作为持力层，基槽开挖深度大，开挖影响范围大。经分析论证，拟选用非岩石地基作为码头持力层，并采取技术措施控制沉降，提高地基承载力，降低基槽开挖深度，减小对已建工程影响。

（3）拟选用的非岩石地基持力层承载力不高，码头结构受地基承载力控制。为满足地基承载力要求，可采用适当增加沉箱宽度、墙后回填抛石棱体等措施减小地基应力，并通过验算确保各项指标满足规范要求。

3.3.2 推荐方案

综上分析，码头结构推荐采用不带卸荷板的重力式沉箱结构（见图1）。

4 码头结构设计关键技术

4.1 基础持力层选择

在地质条件较好的情况下，重力式码头宜优先选择岩基为持力层。但因本工程码头区岩面埋藏深，起伏大，若选择岩基为持力层，不仅造成基槽开挖过深、开挖量大幅增加，基槽抛石量随之增加，增加工程投资，且码头施工期基槽开挖施工将影响已建码头的正常运营。

码头区自上而下土层分析：淤泥质土2-2（淤泥混砂）、砂混淤泥为高压缩性土或液化土层，承载力低，工程地质性质差，不考虑作为持力层；粉砂3-1、粘土3-2、粉质粘土3-3、残积层工程地质性质相对较好（一般呈可塑～硬塑状或中密～密实状），且分布广泛，埋深适宜，可考虑作为持力层；下部基岩风化层工程性能较好—好、压缩性低—不可压缩，是较好的基础持力层。

经设计研究，决定以满足下列三项指标为前提，进行持力层选择和码头结构设计。

（1）基槽开挖深度和开挖边坡范围控制在不影响已建码头正常运营的范围内；

（2）地基承载力抗力分项系数γR≥3.0；

（3）码头断面地基平均沉降量≤15cm。

根据码头使用荷载及土层埋深情况，并通过验算确保各项指标满足规范要求，设计选用非岩石地基即粉砂层作为重力式码头结构持力层。

4.2 地基承载力控制措施

粉砂层为中密—密实状，饱和，力学强度一般，属中等缩性土，工程地质性能一般。在不采取措施控制地基应力的情况下，地基承载力很难满足规范要求。因此，设计须采取有效措施，减小地基应力，提高地基承载力，确保结构的稳定性和安全性。

码头地基应力和地基承载力主要受沉箱底宽、墙后填料及基床厚度等因素影响，设计针对以上几个方面分别采取有效措施。

（1）合理确定码头结构断面尺度，适当增加沉箱底宽。

重力式码头结构断面尺度多数由基床顶面最大应力控制。因本工程基础持力层为非岩石地基，σmax值若定得太高，将导致对地基承载力要求较高，所需基床厚度较大，基槽开挖深度将超出控制范围、影响已建码头的正常运营；若定得太低，则需加大结构断面底宽，增加工程造价。设计研究决定，码头结构断面尺度按基槽开挖深度、持久状况基床顶面最大应力σmax≤350kPa和断面地基平均沉降量H≤15cm三项指标同时控制。

经计算，码头断面沉箱底宽适当增加取为16.55m（含前、后趾长度），可有效减小地基应力、降低对地基承载力的要求。

（2）墙后设置抛石棱体，降低土压力。

工程实践经验及计算分析表明，墙后回填料内摩擦角越大，产生的主动土压力水平向分力越小，抛石基床底面合力标准值作用点的偏心距越小，码头地基应力越小，对地基承载力的要求越低。结合工程区域砂石料来源的分析，码头墙后回填料采用内摩擦角较大的抛石棱体，有效减小码头地基应力，降低对地基承载力的要求。

（3）合理确定抛石基床厚度，降低基床底面应力。

根据重力式规范，抛石基床厚度按下式（1）～（2）计算确定：

图1 重力式码头结构断面图

根据计算分析，适当增加抛石基床的厚度，通过基床应力扩散，可有效降低基床底面应力，降低对地基承载力的要求。综合考虑基槽开挖深度控制要求、地质分布规律、应力扩散、地基承载力等因素，基床抛石厚度最终取值为：西侧3.5m、东侧6m。

（4）重视基床前沿边载作用的发挥。

计算分析表明，基床前沿三角区填料在地基承载力和码头整体稳定性计算中具有重要作用。若该区不回填或回填厚度太小，将出现地基承载力或结构整体稳定性不足的情况。设计要求该区抛填乱毛石（10～500kg），并在其上回填150～200kg块石至-8.5m，通过石料较高的重度形成反压层，增加了码头结构地基承载力和码头结构整体稳定性，并起到防止冲刷的作用。

4.3基槽开挖设计

码头基槽开挖及基床抛石占重力式码头工程的费用比重较大，一般达到20%～40%。因此，优化码头基槽开挖设计对节约工程投资意义重大。

因码头持力层分布不均，土层之间相互交错，标高起伏较大，基槽开挖底边线以标高控制为主，设计多为“一字形”直线。基槽开挖采用陡边坡设计。基础上部土层主要为淤泥质土、砂混淤泥、粉砂、粘土、粉质粘土，开挖坡度采用1∶3。设计对基槽开挖边坡进行圆弧滑动稳定验算，考虑基槽开挖为施工期临时开挖，抗力分项系数γR取值适当放宽。基槽开挖设计平均超宽取为1.5m，平均超深取为0.5m，现有的施工设备和技术能力可以满足该精度要求。

4.4 沉降控制措施

（1）基槽抛石采用分层重锤夯实。基槽抛石按2m一层分层夯实，设计要求按平均夯沉量15%进行施工控制，并要求对后期沉降可能较大的地段增加锤夯次数。

（2）提出施工顺序和施工进度控制要求。基槽开挖后及时验收和抛石，防止间隔时间太久导致回淤；回淤厚度大于0.3m时必须补挖，清除回淤；胸墙混凝土浇筑（特别是最后一层胸墙浇筑时）应待沉箱后填料加载至+10.0m，且沉降位移观测稳定后再进行；施工期应加强对沉箱、胸墙施工期间的沉降位移观测，并及时进行统计、分析和判断，作为指导施工进度的依据。

4.5 主要计算结果

码头结构主要计算结果如下表3所示：

表3 码头结构主要计算项目及成果表

5 结语

（1）重力式码头耐久性好，设计施工简单，是一种使用广泛的结构型式。本文通过对一个以非岩石地基为持力层的重力式码头结构选型及结构设计关键技术的总结与分析，为类似项目的结构选型与设计提供借鉴。

（2）非岩石地基重力式码头结构设计的重点与难点在于地基承载力和沉降的控制。设计根据码头使用荷载及土层埋深情况，选择粉砂层作为码头基础持力层。通过增加码头沉箱底宽、墙后设置抛石棱体降低土压力、合理确定抛石基床厚度降低基底应力、基床前沿三角区回填块石充分发挥边载的有利作用等有效措施，减小地基应力，通过计算及细化施工措施控制码头沉降，确保地基承载力和沉降计算指标满足规范要求，保证结构的稳定性和安全性，大幅减小了工程投资。

[1]福建省交通规划设计院.福州港平潭港区澳前作业区海峡客滚码头二期工程工程可行性研究报告[R].福州：福建省交通规划设计院，2016.

[2]福建省交通规划设计院.福州港平潭港区澳前作业区海峡客滚码头二期工程施工图设计文件[R].福州：福建省交通规划设计院，2016.