泰州港梅蘭碼頭改造設(shè)計(jì)及BIM技術(shù)的應(yīng)用

顧 茜，何英發(fā)

（中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

引 言

高樁碼頭具有結(jié)構(gòu)輕、受力明確、對(duì)軟弱地基適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于沿江港口建設(shè)中。但高樁碼頭由于對(duì)上部荷載適應(yīng)性差，在碼頭升級(jí)改造中面臨一定的困難。目前已有眾多高樁碼頭針對(duì)各自的特點(diǎn)進(jìn)行了加固改造，例如：上海港共青1#～3#泊位碼頭加固改造工程利用粘鋼技術(shù)限制裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展[1]；深圳港招商港9#泊位改造工程中采用碳纖維加固混凝土技術(shù)對(duì)受損梁進(jìn)行加固取得了良好的結(jié)果[2]。南通東海石油分公司江海油庫碼頭通過設(shè)置獨(dú)立靠船墩，由獨(dú)立靠船墩承受船舶的系纜力及靠船力，以解決泊位升級(jí)的需求[3]；廣州珠江電廠卸煤碼頭為解決水平承載力不足的問題，采用在碼頭后方新增大直徑受力樁的改造方式，由4萬t級(jí)碼頭改造升級(jí)為5萬t級(jí)[4]。

碼頭加固改造方案的選擇需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、可行性、耐久性等因素，我國碼頭加固改造研究尚處于初步階段，相關(guān)研究不多。本文總結(jié)常見碼頭改造方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，介紹梅蘭碼頭加固改造工程的設(shè)計(jì)思路，以期為以后的碼頭改造加固工作提供幫助。

1 碼頭加固改造方案設(shè)計(jì)思路

碼頭加固改造主要涉及水域浚深、靠泊船型、裝卸機(jī)械的更換等工程內(nèi)容，碼頭靠泊能力既受在惡劣自然條件下結(jié)構(gòu)損壞的影響，也受水平力、豎向力等上部荷載變化的影響。

高樁碼頭在升級(jí)改造中遇到的主要問題為：

1）由于豎向荷載增加造成的樁基豎向承載力不足；

2）由于水平荷載增加造成的樁基水平承載能力不足；

3）上部梁系、面板承載能力不足；

4）水域浚深，整體穩(wěn)定性不足；

5）構(gòu)件破損，耐久性不足。

針對(duì)上述問題，已有高樁碼頭加固改造的成功案例所采用的工程措施及其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 加固改造措施及優(yōu)缺點(diǎn)

高樁碼頭的加固改造需要根據(jù)原有結(jié)構(gòu)的狀態(tài)不同，改造內(nèi)容不同，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、耐久性等因素，選擇最優(yōu)的加固改造方案，主要設(shè)計(jì)思路如下：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測報(bào)告，識(shí)別原有結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，評(píng)估分級(jí)為B級(jí)及以上的結(jié)構(gòu)構(gòu)件不進(jìn)行處理，否則需修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)至B級(jí)；

2）根據(jù)碼頭上部荷載的變化，對(duì)原碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，判斷碼頭承受新荷載的能力是否滿足，找出承載力能力不足的薄弱構(gòu)件；

3）針對(duì)不同的承載能力不足的薄弱構(gòu)件，選擇合理的加固改造方案；

4）分析碼頭加固改造后，水電、樁基等構(gòu)件布置是否協(xié)調(diào)。

本文通過總結(jié)泰州港梅蘭港務(wù)有限公司通用泊位的設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)問題，為相似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 碼頭概況

泰州港梅蘭港務(wù)有限公司通用泊位工程（以下簡稱梅蘭碼頭）北鄰已建永安作業(yè)區(qū)三期碼頭。該工程于2009年完工，泊位等級(jí)為3.5萬t級(jí)（水工結(jié)構(gòu)按5萬t級(jí)設(shè)計(jì)）。碼頭長度為210 m，其中靠船裝卸平臺(tái)長195.15 m，轉(zhuǎn)運(yùn)站墩臺(tái)長14.85 m，寬28 m。碼頭頂高程8.9 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程-13.1 m。碼頭平臺(tái)裝卸船作業(yè)采用3臺(tái)25 t-33 m門座起重機(jī)（軌距10.5 m）。碼頭基樁采用φ800 mm PHC管樁和 φ1 000 mm PHC管樁。前沿設(shè)置1 000 kN系船柱。

圖1 梅蘭碼頭結(jié)構(gòu)斷面現(xiàn)狀示意

圖2 梅蘭碼頭改造工程位置關(guān)系

為貫徹沿江經(jīng)濟(jì)帶綠色發(fā)展、港口資源整合的重大戰(zhàn)略思想，響應(yīng)在泰州港核心港區(qū)建成公用港區(qū)的戰(zhàn)略部署，同時(shí)為適應(yīng)長江南京以下12.5 m深水航道通航后船舶大型化的靠泊需求，現(xiàn)將梅蘭碼頭進(jìn)行改造，使碼頭結(jié)構(gòu)具備?？?萬t級(jí)散貨船（水工結(jié)構(gòu)兼顧7萬t級(jí)散貨船）的能力并與永安三期碼頭形成連片泊位。

2.2 地質(zhì)條件

工程區(qū)域地層自上而下為人工填土、淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、細(xì)砂夾粘性土、粉細(xì)砂、中粗礫砂。

2.3 設(shè)計(jì)船型

碼頭泊位改造后的設(shè)計(jì)船型尺度如下：

設(shè)計(jì)船型為50 000 t級(jí)散貨船，總長223 m，型寬32.3 m，滿載吃水12.8 m；40 000 t級(jí)雜貨船，總長200 m，型寬32.2 m，滿載吃水12.3 m。

水工結(jié)構(gòu)兼顧船型為70 000 t級(jí)散貨船，總長228 m，型寬32.3 m，滿載吃水14.2 m。

2.4 碼頭結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀[9]

2016年梅蘭碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測與評(píng)估，檢測結(jié)論為：碼頭總體外觀等級(jí)為二級(jí)；碼頭耐久性評(píng)價(jià)為：①抽檢碼頭各類型構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度整體控制較好，②所抽檢構(gòu)件碼頭構(gòu)件混凝土抗碳化耐久性水平推薦意見均為“好”，③抽檢構(gòu)件中鋼筋發(fā)生銹蝕的概率均小于10 %，情況較好；抽檢該碼頭的44根基樁（共224根）均為I類樁。

3 改造方案

3.1 原碼頭結(jié)構(gòu)承載能力復(fù)核

根據(jù)梅蘭碼頭檢測評(píng)估結(jié)果，碼頭結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)狀狀態(tài)良好，無需處理。根據(jù)計(jì)算，梅蘭碼頭升級(jí)為5萬t級(jí)（水工兼顧7萬t級(jí)）后，原1 000 kN系船柱無法滿足要求需替換為1 500 kN系船柱。在系纜力等水平荷載及門機(jī)荷載等豎向荷載增加后，碼頭樁基承載力尚能滿足要求，但橫梁及軌道梁抗彎承載能力不能滿足要求。

3.2 改造內(nèi)容

1）因?yàn)槊诽m碼頭進(jìn)口的一部分散糧需進(jìn)行裝集裝箱作業(yè)，因此碼頭裝卸機(jī)械增加40.5 t岸邊集裝箱起重機(jī)；

2）現(xiàn)有門機(jī)后軌至碼頭后沿需依次布置艙蓋板存放場地（10～14 m）、集卡通道（兩車道9 m）、散改集裝卸系統(tǒng)作業(yè)區(qū)（5～8 m）等，經(jīng)計(jì)算，需將梅蘭碼頭寬度由28 m改造為45 m。

3.3 梁系構(gòu)件加固改造方案選擇

對(duì)于橫梁加固，可采用增設(shè)支點(diǎn)法、粘鋼加固法、碳纖維加固法及加大截面法。增設(shè)支點(diǎn)加固法通過在排架樁基間距內(nèi)增加樁基數(shù)量，減少梁系跨度，從而減小梁系的內(nèi)力，但該方案施工難度較大，且造價(jià)高，從操作可行性及改造成本角度出發(fā)，增設(shè)支點(diǎn)法并不適用于本工程。粘鋼加固法和碳纖維加固法，施工界面小，且工程造價(jià)低，但二者材料耐久性不易保證且施工質(zhì)量難以控制，不宜作為長久的改造方案。因此，本改造工程采用工程造價(jià)低且耐久性高的加大截面法對(duì)橫梁進(jìn)行加固改造。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)橫梁改造斷面

對(duì)于橫梁頂部，采用鑿除頂部現(xiàn)澆面層及上橫梁頂部鋼筋混凝土，重新鋪設(shè)鋼筋的方案，以滿足負(fù)彎矩受力要求。

由于裝卸工藝預(yù)留 2臺(tái)軌距分別為 16 m及22 m的岸邊集裝箱起重機(jī)，原碼頭間距10.5 m的軌道梁無法滿足改造后的工藝要求，同時(shí)原有2根軌道的抗彎承載能力不能滿足要求。為此鑿除4根軌道梁處的現(xiàn)澆面板、預(yù)制面板及一定范圍內(nèi)的上部橫梁，更換或新增軌道梁。

3.4 碼頭平臺(tái)拓寬改造方案

為滿足碼頭進(jìn)行集裝箱作業(yè)，碼頭寬度需由原28 m改造為45 m。后方平臺(tái)可采用與前平臺(tái)連接一起的整體式方案，也可采用后方平臺(tái)與前平臺(tái)相互獨(dú)立的分離式方案。采用整體式方案，后方平臺(tái)與前平臺(tái)共同受力，可提高碼頭的水平承載力及豎向承載力，但根據(jù)計(jì)算，原碼頭樁基豎向承載力及水平承載力已滿足改造后的要求，同時(shí)整體式方案涉及前、后平臺(tái)連接處新老混凝土連接問題，施工質(zhì)量較難控制。而分離式方案，結(jié)構(gòu)受力明確，為常規(guī)施工，施工難度較低，因此本工程前、后平臺(tái)采用相互獨(dú)立的分離式方案。

新建后方平臺(tái)采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，排架位置及結(jié)構(gòu)段劃分與原碼頭平臺(tái)基本一致，標(biāo)準(zhǔn)排架間距為7.1 m。排架樁基采用φ1 000 mm灌注樁。單榀排架布置4根樁，均為直樁。上部結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆橫梁及疊合面板構(gòu)成，梅蘭碼頭改造后結(jié)構(gòu)型式詳見圖4。

圖4 改造后碼頭結(jié)構(gòu)斷面

4 BIM技術(shù)的應(yīng)用

圖5 原設(shè)計(jì)碰樁調(diào)整及開孔位置調(diào)整示意

目前，BIM 技術(shù)在水運(yùn)工程領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少[10]。本工程同時(shí)涉及新建和改造工程，已建工程的構(gòu)件位置對(duì)新建工程的構(gòu)件布置影響較大，例如樁基位置、碼頭面開孔位置等。設(shè)計(jì)過程中利用BIM技術(shù)，建立三維模型，模擬改造后碼頭實(shí)況，以校核新、老構(gòu)件之間是否存在沖突。

在本工程的應(yīng)用中，通過建立BIM模型成功的校核出新建后平臺(tái)灌注樁與引橋斜樁發(fā)生碰撞、原人孔位置與新設(shè)上水栓孔位置存在沖突等問題，并利用模型成果，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省了大量設(shè)計(jì)時(shí)間。

5 結(jié) 語

高樁碼頭加固改造是一項(xiàng)需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、耐久性及可行性的工程，本工程經(jīng)過選取合理的改造方案解決了梅蘭碼頭泊位升級(jí)及集裝箱作業(yè)的需求，同時(shí)將BIM技術(shù)應(yīng)用于碼頭加固改造新老構(gòu)件的協(xié)調(diào)性核查工作中，是BIM技術(shù)在水運(yùn)工程中的一次有效應(yīng)用。