间隔嵌岩板桩结构在越南永安港码头中的应用

2020-06-18盛佳珺

水运工程 2020年5期

盛佳珺，崔磊

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

1 工程概况

越南永安港是在越南中部偏北的一个新兴港口，其位置优越，地理坐标为18°6′N,106°16′E。本工程5#、6#泊位距离永安港大概15 km。

永安港码头由西向东依次布置2座5万吨级多用途泊位，泊位总长度为450 m，设计宽度43 m。根据本工程码头设计靠泊船型，结合装卸工艺设备配置和近远期货运量安排，码头上近期布置2轨，远期预留1轨，结合装卸设备安全操作要求高、便于电缆槽和系缆等辅助设施布置的要求，前轨至码头前沿距离取3 m。前轨至后轨12 m为多用途门机轨距，远期预留1根与前轨轨距为24 m的轨道，作为远期集装箱装卸桥的轨道，预留集装箱装卸桥后轨至码头后沿16 m为集装箱船仓盖板堆放区和前方作业堆场。码头面高程4.50 m，前沿设计泥面高程为-14.0 m，码头平面布置见图1。

图1 码头平面布置(单位：m)

2 设计难点

2.1 泥面高、水深浅

码头施工区域为沿海水平地形，地形较缓，各条等高线相互平行且临近，与海岸线平行。码头面建于等高线平均高程约-2.00 m区域。工程区域设计高水位为2.23 m，设计低水位为0.40 m，水深在2.40～4.23 m。

2.2 波流条件差

根据对Vungang 湾观测点的观测资料显示，水流最强流速测得为0.41 ms，发生于高潮时期表层水流，潮流主流向为东向、东北向。工程区域北侧与东海相连，东侧及南侧与物流园区相连，西侧按照规划与7#码头相连。根据规划，该位置位于港池口门对面，该区域在未修建防波堤的现状下，受海浪的直接影响最大，经测得工程区域波要素见表1。

表1 50 a一遇波要素

2.3 持力层埋藏较深

码头区的地层主要为：①中密度砂、③软质黏土、⑤松散碎石、⑦a全风化岩(含砂黏性土)、⑦b全风化岩(含黏性土砂)、⑦c强风化岩。其中⑦c强风化岩层顶高程在-20.6～-18.8 m，地基承载力较高，土层主要设计参数见表2，码头前沿地勘剖面见图2。

表2 各土层主要设计参数

图2 码头前沿地质剖面

3 码头结构适应性分析

高桩梁板结构在淤泥质软土、黏性土、砂性土等土层中适应能力强，其质量轻、结构简单，利用长桩可以顺利穿透上部软弱覆盖层达到较深的硬土持力层，结构沉降变形小、透空性好、对码头前沿波浪小、泊稳条件较好，并且其上部结构大部分可采用预制装配式结构，与其他结构形式相比具有施工方便、施工速度快、工程造价低等优点。高桩结构对软弱地基及大水位差情况下的结构设计更具优势，码头前沿设计泥面为-14.0 m，按坡度1:5～1:3开挖，每延米开挖量达到225 m3，开挖量很大。

重力式码头结构坚固、耐久性好，对较大的集中荷载以及码头地面作业和装卸工艺变化适应性强，施工后期维护费用少，但其对地基承载力要求较高，使用期结构变形小。本工程区域表面约6 m范围为中密度砂，而采用重力式结构，持力层为⑦c强风化岩层下卧于-20.6～-18.8 m，距现泥面有一定深度，基槽等结构开挖量大，且沉箱工程造价难以保证。

板桩结构主要由板桩、锚碇、拉杆、上部结构(帽梁、导梁或胸墙)等组成，板桩、锚碇系统施工完毕后，可进行板桩墙后回填，也最大限度地降低了对周边环境的影响。板桩结构形式主要有钢管桩板桩组合墙结构、钢板桩结构、地连墙板桩码头结构等，板桩码头结构简单，钢管板桩沉桩后，遮挡施工期波浪，改善后方施工条件，墙后主要施工工序可实现陆上施工[1-2]。板桩结构对荷载使用下的结构变形较为敏感，但板桩结构可避免大面积开挖，本工程码头和陆域呈连片式布置，土地资源利用相对更充分，使用相对方便。综合考虑以上因素，本工程选用板桩结构。

4 结构设计

4.1 结构形式

本工程前沿设计水深较大，码头上部荷载大，墙后产生的侧向土压力也大，一般的钢板桩断面难以适应板桩墙的弯矩和位移要求，因此，采用钢管板桩结构作为板桩墙结构以满足水平荷载和竖向荷载。

由于钢管桩具有强度高、耐锤击性好、在强风化岩中穿透能力强等显著优点，码头采用钢管板桩结构形式，前排钢管板桩采用直径1300 mm钢管桩，桩间采用定型锁扣连接，锁扣内灌素混凝土至泥面以下。钢管桩中心间距1.379 m，底高程约-26.0 m，以⑦c强风化岩层作为桩基持力层，根据地勘资料，-26～-22 m持力层采用间隔嵌岩桩结构。上部为现浇钢筋混凝土导梁，胸墙后设级配碎石和土工布作为倒滤结构。码头断面见图3。

图3 码头断面及钢管板桩间隔嵌岩(高程：m；尺寸：mm)

锚碇体系由锚碇桩、锚碇墙组成，锚碇桩同样采用直径1 300 mm钢管桩，桩中心纵向间距3 m，基桩上部现浇锚碇墙，墙前设抛石棱体，前板桩与后锚碇桩中心距离35 m，中间设置钢拉杆，拉杆直径90 mm，间距1.379 m。码头前沿胸墙与导梁整体浇筑，上方设置轨道梁，轨道梁间距12 m，海侧轨道梁下采用直径1 300 mm间隔嵌岩钢管板桩+直径700 mm钢管桩；岸侧轨道梁一般段采用单排直径700 mm钢管桩，防风锚碇分段采用双排直径700 mm钢管桩。为避免陆侧轨道梁两侧回填后，场地使用期产生明显的高差，在岸侧轨道梁两侧增设钢筋混凝土拖板以增加车辆通行的平稳性。场地内回填及地基处理后采用碎石垫层及混凝土路面作为面层结构。码头东西侧各设置转角封头段，结构形式与码头结构基本相同。

本工程采用干地施工工艺，先期工程区域周围实施临时钢板桩围堰，由双排U形钢板桩和中间钢拉索组成。板桩型号为CRP-U-1247，顶高程3.0 m，底高程-9.0 m。双排板桩中间采用直径30 mm、型号为6×7+IWS的钢拉索，高程为1.5 m，间隔1 m布置。前后排钢板桩之间和陆侧以及施工场地范围内回填土至高程3.0 m。

4.2 沉桩可行性分析

为了判断桩基施工的可行性，对周边邻近工程进行调查，距本项目约6 km处已实施的某突堤码头护岸工程，采用直径900 mm钢管桩(密排，中心间距1 080 mm)，桩长26 m，桩尖设计高程-23 m。桩基施工已完成，采用D608型打桩机，KB80型桩锤，锤质量8 t。

根据工程区地质沉桩资料，施工区域上到下大致分为砂层、中细粉砂至粗砂层、坚硬黏土层、黏土质砂夹礁石层、粉质砂夹礁石层、粉砂岩夹板岩层(高度至全风化)，其中-18.0 m以下土层的标贯击数大于50击。该工程3根桩的打桩记录见表3。

表3 临近工程典型沉桩记录

可见采用KB80型桩锤，能正常沉桩，桩基进入大于50击的土层厚度约为5 m。为保证前墙稳定性，要求确保直径1300 mm前钢管板桩桩尖高程-25.0 m，进入大于50击的土层厚度约为7 m，直径700 mm钢管桩和直径800 mmPHC管桩桩尖约-20.5 m，见图4，保证达到承载力即可。采用陆上沉桩工艺，先期工程区域周围实施板桩围堰，内部回填至高程1.0 m。陆上沉桩可采用履带式打桩架，配置锤型可选择的有柴油锤、振动锤或者液压锤。

振动锤克服土体侧摩阻力后沉桩入土，激振力设计值Fv按下式计算：

Fv>FR(=fUL)

(1)

式中：FR为振动锤的激振力计算值(kN)；f为土层单位面积的动摩擦力(kNm2),取砂性土取20 kNm2，黏土取40 kNm2；U为桩的周长(m)；L为桩的入土深度(m)，取20 m。

对激振力设计值按以下公式复验：

FV=0.04n2M

(2)

M=Aω

(3)

式中：n为振动锤转速(rs)，取20 rs；M为振动锤偏心距(N·m)；A为振幅(m)，取0.011 m；ω为桩和锤总重力(kN)，取15.5 kN。

经计算，振动锤的激振力设计值Fv> 2 430 kN，要求较高，只有较少的大型振动锤才能达到。结合成功的工程实例，认为选用柴油锤或液压锤沉桩基本可行，因本工程的桩径更大，进入硬土层更深，因此锤型应在KB80以上，具体可通过试打桩典型施工来确定[3]。

图4 沉桩施工(高程：m；尺寸：mm)

4.3 结构计算分析

4.3.1内力计算

钢管板桩组合墙结构为拉锚板桩结构，采用通用空间软件Plaxis分析计算，选取标准结构分段进行结构受力分析[4]。Plaxis软件计算采用有限单元法，土体材料采用摩尔-库仑模型。施工期和使用期计算模型见图5。

按照JTS 167—2018《码头结构设计规范》，采用竖向弹性地基梁法计算，桩基采用杆系有限元，水平地基反力系数按m法确定[5]。作用在码头结构上的荷载有结构自重、自重土压力、均载土压力、剩余水压力、系缆力、撞击力、岸桥荷载、波浪力等荷载，根据结构上可能出现的作用，按照承载能力极限状态和正常使用极限状态，结合相应设计状况进行作用效应组合，按规范规定选取作用的分项系数和组合系数[6]，计算结果见表4。