重力式沉箱码头沉降观测及分析预测

谭彬政

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510000)

近年来，随着海外市场地不断扩展及设计施工技术地不断进步，海外工程逐渐形成大型化、精细化及品质化的趋势。对于大型港口码头工程，重力式码头因其具有能够承载较大地面超载及船舶荷载的特点而最为常见。重力式码头一般建于地基较好的场地，对于地基较差的情况，可通过合适的地基处理以达到设计使用要求，但是对于重力式码头来说，出现沉降是不可避免的，且沉降不仅出现在施工过程中，而且贯穿于整个结构的使用寿命周期。重力式码头结构的沉降是施工过程和运营期的重要监控点，使用期的沉降过大不仅会影响码头的平整及美观性，还会造成码头前沿的门机或集装箱装卸桥的前后轨道高差过大，影响正常的生产运营。

周文[1]和杨建华[2]结合实际的重力式码头施工过程对沉降数据进行了分析；郭守谦[3]重点对重力式码头沉降监测方法及技术要求进行探讨，并通过沉降数据的分析对实际的施工起到了指导性的意义；陆云鹏等[4]基于安哥拉某重力式码头的沉降数据的分析，得出应在沉箱安放完成后的两个月才能进行上部结构施工的结论；陈振道等[5]结合斯里兰卡某重力式沉箱码头的沉降位移特性，指出应在沉箱及回填砂施工完成后三个月才可进行后续上部结构的施工。田双珠等[6]结合大量的工程实践，提出了对码头沉降监测的相关措施；刘亮等[7]针对天津港区的沉降分析，得出各监测区的沉降规律，并提出了沉降控制起算点的选取建议。侯勇等[8]通过提高高程、优化地基处理和采用可调轨道系统等方法较好地控制了重力式码头后轨道基础的沉降。

但上述文献均没有结合理论计算方法对码头未来使用期的沉降进行探讨研究。本文以某新建集装箱重力式沉箱码头工程为例，在对码头各施工阶段的沉降进行分析的基础上，提出进一步减少工后沉降的措施，并通过实测数据的公式拟合方法和理论公式计算方法的对比研究，对码头未来使用期的沉降进行探讨预测。

1 工程概况

该工程为15万 t级集装箱码头，水工结构为重力式沉箱结构，如图1所示。上部结构为现浇混凝土胸墙，沉箱的基础为10～100 kg抛石棱体，沉箱内回填中粗砂。沉箱单个重量为3 200 t，箱内共16个仓格。沉箱顶标高为+1.0 m，沉箱上现浇混凝土胸墙，码头面顶高程为+3.50 m，码头前沿港池设计底高程为-18.0 m，抛石基床的顶高程为-18.5 m，抛石基床前沿回填砂，并在回填砂上抛填块石作为前沿护底，抛石护底顶标高为-18.5 m。码头前沿的设计均载为30 kPa。集装箱装卸桥的前轨道安装在混凝土胸墙上，后轨道基础为桩基结构。

图1 码头断面图(单位：m)Fig.1 Cross section of wharf

码头区域的地质主要分布如下：①淤泥，标高-14 m至-25 m；②细砂-粗砂，中等密实，标高-25 m至-44 m；③粘土，坚硬-极坚硬，软塑-可塑，标高-44 m至-51 m；④砂混粘性土，中密-密实，标高-51 m至-52 m。首先需对码头区域的表层淤泥进行开挖换填中粗砂，并对换填砂进行振冲处理，最后再在回填砂层顶部抛填块石形成沉箱的抛石基床，并对抛石基床进行夯实处理。

2 沉降监测数据概述

沉降观测点安设在沉箱的四个角点上，观测时间间隔约为一周，在沉降较大的时期将会进一步加大观测密度。

沉箱施工工序为：(1)开挖基槽；(2)在基槽抛填块石形成基床并夯实；(3)安放沉箱；(4)回填中粗砂；(5)浇筑胸墙。

在沉箱安装及回填中粗砂后的沉降如图2所示。在完成沉箱安装及回填中粗砂后，沉降明显增大，沉降速率较大。在回填中粗砂完成后约3个月的时间，沉降速率曲线趋于平缓，沉降基本稳定，3个测点的沉降变化趋势类似，最大累积沉降在117～128 mm。因此在施工进度计划中需要结合项目实际情况预留至少3个月作为沉降期[9]，在沉降达到稳定后方可进行后续的上部结构施工。当沉降超出预期较多，应及时查找原因，其中主要考虑的原因是地质出现变化，沉箱下方底层可能存在软弱夹层未被揭示。但是这时如果不具备移动沉箱并重新对其地基进行处理的条件下，可以优先考虑在沉箱顶进行堆载预压以达到减少工后沉降的目的。在抛石基床整平时，也可预留一定沉降量，再进行后续的沉箱安装[7]。

图2 沉降监测数据统计 图3 胸墙浇筑后的沉降监测数据统计

考虑到未来使用期对码头沉降的敏感性，除了需要在沉箱沉降稳定后再浇筑胸墙之外，由于胸墙在浇筑过程中也会产生一定的沉降，还可通过在胸墙高度上分段浇筑的方法来最大限度降低不均匀沉降的影响。本项目胸墙分3段浇筑，预留上部面层在沉降稳定后再最后浇筑。分段浇筑胸墙一方面可以消除部分不均匀沉降，另一方面也可以降低胸墙浇筑时的温度，以减少温度裂缝。胸墙浇筑后的沉降如图3所示，图3中的两个陡降段分别对应两段胸墙浇筑。在第二段胸墙浇筑两个月后，沉降基本稳定，胸墙产生的沉降约为10 mm。由于相对于沉箱安装及回填中粗砂所产生的沉降来说，胸墙浇筑过程中的沉降相对较小和达到稳定的时间也较短，因此在胸墙浇筑前后需要提高沉降监测的频率，以供后续的数据拟合分析。

3 理论公式计算沉降及监测数据拟合法对比

根据《海港工程设计手册(中)》[10]对港口起重机轨道安装技术条件要求，安装维修允许的轨道顶面高低误差△H为L/1 000(mm)，其中L为前后轨道的中心间距，对于L=30 m，则△H=30 mm。由于后轨道采用桩基础，其沉降一般很小可忽略[11]，可通过使浇筑的前轨道胸墙高于设计标高30 mm，则前沿轨道的交工使用期的沉降只要满足60 mm以内即可满足未来集装箱装卸桥的正常运营要求。对于该项目的码头使用期的沉降可以通过理论计算公式和实测数据拟合法进行估算。

3.1 基于理论公式计算沉降

码头使用期的沉降主要包括粘土主固结沉降、次固结沉降和砂土蠕变沉降。

(1)粘土的主固结沉降。

粘性土的主固结沉降可按如下公式计算

(1)

(2)

(3)

(2)粘土的次固结沉降。

粘性土的次固结沉降可按如下公式计算

(4)

式中：Ss为地基各分层土次固结总沉降量；Hi为第i分层土厚度；eoi第i分层土的初始孔隙比；Cai第i分层土的次固结系数；t为所求次固结沉降的时间；t1为相当于主固结度为100%的时间。

(3)砂土的蠕变沉降。

砂性土的蠕变沉降可按如下公式计算

(5)

式中：Sc为粗粒土的蠕变沉降量，cm；H为土层厚度，cm；α为蠕变系数。

基于上述理论计算公式，计算码头在50 a的使用期内的沉降，各土层参数及计算沉降值如表1所示。由表1可知，各土层的主固结沉降为0.016 m，次固结沉降及蠕变沉降为0.040 m，因此总沉降为0.056 m，可满足0.06 m的沉降要求。

3.2 基于实测数据拟合曲线预测沉降

根据长期的沉降观测数据及计算经验可知，码头面在加载后主要经历两个典型沉降期：(1)加载后的短时陡降期；(2)沉降稳定后的长期缓降期，如图4所示。

(1)短时陡降期：在码头面加载的初期，沉降的速率较大，该阶段可划分为短时陡降期。未来码头使用期的荷载主要包括堆载及装卸桥荷载，约为胸墙自重的两倍。根据胸墙浇筑前后的观测数据可知，由于胸墙的自重产生的沉降约为10 mm。因此可预估未来码头使用期的短时陡降期的固结沉降约为20 mm。

(2)长期缓降期：在码头面加载的中后期，沉降速率曲线明显趋于平缓，该阶段的沉降缓慢进行，贯穿于整个结构的寿命周期。码头使用期的沉降长期缓降期的沉降值可通过实测的胸墙浇筑前后沉降数据(长期缓降期)的曲线拟合进行预测，如图5所示。通过数据拟合可得到拟合公式y=3.700 1ln(x)-4.409 2(y为沉降值，mm；x为天数)。因此，对于未来50 a后码头缓降期的沉降值为32 mm。

表1 土层参数及沉降计算值Tab.1 Soil parameters and settlement calculation value

图4 沉降过程曲线 图5 沉降值拟合曲线

综上所述：根据实测数据预估的50 a码头的总沉降值(短时陡降期+长期缓降期)为20 mm+32 mm=52 mm，基本与理论公式的沉降计算值(56 mm)相近。由于该项目的前后轨道的允许沉降差为30 mm，且后轨采用桩基结构(使用期沉降较小)，可通过使前轨高于设计标高30 mm，从而保证在50 a的码头运营期内均可满足轨道的使用要求。在实际运营期，如果码头的沉降大于60 mm时，可采用调整轨道的柔性固定系统[8]，在轨道下方增设钢垫板，从而减小两轨之间的高差，该措施可调整的最大高度为150 mm，基本可满足码头常规的运营要求。

4 结论

本文通过某重力式沉箱码头项目的施工过程和实际沉降监测数据，并结合沉降理论计算值进行了对比分析，提出了一种基于实测数据拟合的方法对未来码头的沉降进行预测。(1)对于码头前轨沉降较大，且后轨道采用桩基础(其沉降一般很小可忽略)，可通过多种措施控制工后沉降：对地基进行处理；在沉箱安装前对基床整平预留沉降；对沉箱安装后进行堆载预压；在胸墙施工时进行分层浇筑；使浇筑的前轨道胸墙高于设计标高从而预留一定的沉降量以减小沉降对前后轨道的高差影响；采用可调高度的轨道柔性固定系统。(2)需要待下部结构的沉降趋于稳定后才可进行上部混凝土胸墙的施工，并把胸墙分为多段浇筑以最大限度减少工后沉降对码头面验收标高的影响。且需对胸墙浇筑前后的沉降值进行监测，并适当提高监测密度，以备后续的沉降数据分析提供依据。(3)沉降理论计算公式与实测数据拟合曲线法的结果相近，可通过对实测沉降数据进行拟合来预测未来码头使用期的沉降值，为码头的正常运营提供保障。