钢板桩和钢管桩组合墙自掩护高桩码头结构在海外港口工程中的应用

宫云增，郑祺文

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461）

0 引言

在国外一些砂石料匮乏的地区建设港口工程，尤其是建设防波堤工程，造价显著提升，而建设大型船舶停靠的码头工程，往往需要在深水区建设防波堤，同样投资巨大。对一些防浪和泊稳要求高、砂石料缺乏的地区，在技术和经济上均不具备建造防波堤的工程，采用钢板桩和钢管桩组合墙形式，在开敞水域形成自掩护的高桩码头结构成为一种非常有竞争力的解决方案。只需在高桩码头结构上设置组合墙结构防浪设施，工程投资不会明显增加，便可同时实现码头和防波堤的功能，达到靠泊和防浪的双重目的。本文以毛里塔尼亚努瓦迪布渔业监测码头和努瓦姆加单点系泊项目工程[1-2]为例，详细论述钢板桩和钢管桩组合墙结构在港口工程中的应用。并基于国际标准，阐述了类似工程的计算理论，可供类似海外港口工程借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介及布置

努瓦迪布渔业监测码头和努瓦姆加单点系泊项目工程[1-2]建设内容有L 形码头，北向码头长170 m，东向码头长200 m；码头通过引桥与陆域连接。码头采用高桩梁板结构，为了保证码头内的泊稳条件，海侧设置组合钢板桩挡浪墙结构。

1.2 设计码头断面

码头顶高程3.8 m，设计港池底标高-7.5 m，码头断面如图1。其中组合墙钢管桩顶高程2.8 m，底高程-29.5 m，直径0.914 m，厚度0.016 m，桩间距为2.23 m。组合墙钢板桩型号AZ18，顶高程2.8 m，底高程-11.7 m。

图1 码头断面图Fig.1 Wharf profile

1.3 设计船型

主要为1 000 吨级以内的海岸警卫队工作船。

1.4 设计水位

最高天文潮位：2.3 m

最低天文潮位：0.3 m

1.5 设计波浪

设计风浪波高Hs= 1.4 m，Tp= 5 s，主浪向为东北向。

1.6 工程地质

土层地质分布和主要物理力学指标见表1。

表1 土层地质分布和主要物理力学指标Table 1 Geological distribution of soil layer and main physical and mechanical indexes

1.7 设计荷载

设计荷载考虑结构自重，15 kN/m2均载，风荷载，波浪力，水流力及船舶荷载。

2 组合墙码头结构的应用

2.1 组合墙结构方案介绍

组合墙结构在码头工程的应用已在土耳其、德国、比利时及巴基斯坦等国有应用先例[3-4]，尤其在巴基斯坦卡西姆港国际集装箱泊位二期扩建工程中，该结构直接降低工程造价上亿元，经济效果明显。

本工程组合墙钢管桩靠2 个连接的AZ18钢板桩进行接合，形成一个整体。相邻的钢板桩和钢管桩之间通过钢管桩上的接口连接，在接口部位的喇叭形坡口焊接。组合墙断面示意图见图2。

图2 钢板桩和钢管桩组合墙结构示意图Fig.2 Schematic diagram of steel sheet pile and steel pipe pile composite wall structure

2.2 组合墙挡浪墙结构码头方案的选择

在开敞水域建造码头，通常由防波堤来形成有掩护的水域，从而达到防御波浪对海域的侵袭，保证泊位具有平稳的水域，便于船舶停靠系泊，顺利进行货物装卸作业和上下旅客。建造防波堤需要大量的砂石料，在原材料缺乏的地区施工，会使工程造价明显提高，经济性较差。而采用自掩护高桩码头结构，在工程造价不明显增加的情况下，可实现码头和防波堤双重功能。

2.2.1主要结构特点

1）可同时实现靠泊和防浪双重功能。对一些防浪要求高、工程规模较小、在技术和经济上均不具备建造防波堤的工程，具有很强的适用性，同时也为单独的防波堤建设开辟了一种新形式。

2）结构简单、防浪效果好。由于该结构形式针对波能集中分布在水体表层的特性，在该部位设置挡浪设施，形成防浪结构。就消波效果来说，它要比一般的斜坡式、沉箱、方块重力式等实体防波堤所耗费的工程量少，工程投资省。

3）对多种地质条件的适用性强。对于软土地基来说，建造重力式结构要进行地基基础处理，而这种处理技术的费用与桩基结构相比，往往是事倍功半，在经济上不合理。通过加大钢管桩直径，在钢材用量增加有限的条件下，可获得较大的前沿泊位水深，满足泊位深水化的趋势[1-2]。

4）结构强度高、受力状态好。断面整体协调性能好，钢管桩强度高，对各种水平和垂直荷载的适应能力强，能很好地满足水平抗弯和竖向承载力的要求[3-4]。

2.2.2组合墙结构存在问题及解决方法

钢板桩和钢管桩组合墙结构在施工时需要先打设钢管桩后打设钢板桩，施工的精度要求较高，特别是海上施工，存在一定的难度。

为了解决施工精度的问题，在设计上，锁扣连接处保证能在一定角度内旋转，整个体系在正常的打桩偏差下，锁扣还能紧密连接且不影响板桩和管桩的沉桩。锁扣适应角度示意图见图3。

图3 锁扣适应角度示意图Fig.3 Schematic diagram of connecter adaptation angle

如遇到异常沉桩偏差情况时，可根据实际偏差通过机械调整板桩形状，实现顺利沉桩。

在施工措施上，可以采用组合钢板桩施工导向架，以达到定位精准，施工方便、速度快的目的。

3 基于国际标准组合墙计算

目前海外港口工程大部分要求采用英国，欧洲和美国规范进行设计，不同规范标准直接影响项目的工程量和造价。英国标准BS 6349-2 ∶2010《海工建筑物码头栈桥和系靠船墩设计》[5]对钢板桩和钢管桩组合墙结构有所说明和规定，本项目设计要求参考欧洲标准BS EN 1993-5 ∶2007[6]附录D。

具体钢结构构件验算方法在国外港口工程中一般参考美国API-RP-2A-WSD《海上固定平台规划、设计和建造》[7]。

1）组合墙钢管桩长度计算

根据API-RP-2A-WSD《海上固定平台规划、设计和建造》[7]中3.3.1.a 规定，压缩和弯曲组合情况下的柱状主桩在整个长度上需同时满足式（1）和式（2）。

式中：Fa为容许轴向应力；Fb为容许弯曲应力；fa为计算轴向应力；fb为计算弯曲应力；下标x、y代表方向；Fe′为欧拉临界应力；Cm为非均匀矩系数。

2）土体的稳定安全系数取值

土体稳定安全系数取值见表2。

表2 土体稳定安全系数Table 2 Safety factor of soil stability

3）钢板桩水平容许变形计算

水平容许最大位移d = h/100，式中：h为自由高度。

4 钢板桩和钢管桩组合墙结构的海上施工

本工程码头的迎浪侧均为管板组合桩结构，为保证钢板桩的顺利振沉，施工时需严格控制钢管桩的施工精度[8-9]。水上沉桩采用项目部自有的150 t 履带吊上2 000 t 方驳组成方驳吊机组，使用APE400 振动锤和D100 柴油锤吊打施工。

为满足钢管桩施工精度要求，除使用通常打桩所使用的抱桩器外，还需要增加包含7 个孔位的水上固定导向架，用来确保桩与桩之间的相对位置准确。水上固定导架四周的主框架由型钢焊接而成，采用尼龙导轮起到导向作用，导向架每个孔位的直径比钢管桩直径大10～15 mm。

利用抱桩器，先精确施打1 号和2 号位置的钢管桩，见图4，然后将水上固定导向架与1 号和2 号位置钢管桩连接固定，然后按照编号顺序依次完成导向架内其余钢管桩的振沉施工。待导架中所有钢管桩及钢板桩安装完毕后，再将导架移至最后一根桩上，进行下一组施工。此导向架还需兼顾板桩临时牛腿安装的上人平台使用，导架外围需布置防护栏杆。

图4 沉桩顺序示意图Fig.4 Schematic diagram of pile sinking sequence

钢管桩沉桩完成后，使用方驳吊机组将钢板桩打设至设计高度后人工将钢板桩与钢管桩进行焊接，形成管板组合结构。

5 结语

目前，钢板桩和钢管桩组合墙码头结构在国外被广泛使用，本工程设置了组合墙挡浪墙结构，该结构形式兼有靠泊和防浪两种功能，对一些防浪要求高、工程规模较小、在技术和经济上均不具备建造防波堤的工程，具有广泛的适用性。同时，在海外项目工程设计中，应与相关方充分沟通，了解业主需求，严格执行合同及规范要求。本文介绍了通过美国API-RP-2A-WSD《海上固定平台规划、设计和建造》对结构进行验算的方法以及论述了组合墙结构海上施工的方法，可供海外类似港口工程设计借鉴。