基于國際標(biāo)準(zhǔn)的海外板樁碼頭設(shè)計與施工應(yīng)用

孫岳，王曉鋒，安翔

（1.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

巴哈馬北阿巴科港口工程位于加勒比島國巴哈馬阿巴科島北部Coopers Town以北4 km區(qū)域，地處生態(tài)濕地和珊瑚灰?guī)r[1]之上，屬于挖入式港池，常年受到東北向風(fēng)浪的作用，港池內(nèi)百年一遇最大有效波高H1/3為1.11 m，港池內(nèi)最大水流流速為0.19 m/s。

1 工程概況

項目水域面積為5.5萬m2，陸域面積為12.8萬m2，工程內(nèi)容主要包括泊位總長度約158.5 m的集裝箱碼頭、滾裝碼頭、散貨碼頭和后方陸域，還設(shè)有道路堆場、行政辦公樓、倉庫和配套設(shè)備等，港口平面布置圖如圖1所示，碼頭前沿設(shè)計底高程為-4.00 m，碼頭頂高程為+2.38 m（以平均大潮低潮面MLWS為基準(zhǔn)面），項目設(shè)計使用年限為50 a。

圖1 巴哈馬北阿巴科港口工程平面布置圖Fig.1 Layout plan of North Abaco Port project in Bahamas

場區(qū)基巖分布以礁灰?guī)r為主，呈淺色，碎屑狀結(jié)構(gòu)，巖芯呈碎塊狀或塊狀，巖石表面可見少量溶蝕孔隙，平均標(biāo)貫擊數(shù)在33.5～70.6擊之間，飽和單軸抗壓強(qiáng)度在1.5～13.5 MPa之間，干燥單軸抗壓強(qiáng)度為2.5～22 MPa之間。工程地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 工程地質(zhì)參數(shù)表Table 1 The geological parameters

2 設(shè)計計算

從自然條件、工期要求、施工能力和經(jīng)濟(jì)技術(shù)等多方面綜合考慮，碼頭主體結(jié)構(gòu)不適宜采用國內(nèi)傳統(tǒng)的重力式或高樁梁板式結(jié)構(gòu)，而單錨鋼板樁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)形式一體化、施工便利的特點，適用于本工程[2]。

2.1 設(shè)計方法

按照項目要求，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計采用英國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，鋼板樁等材料規(guī)格采用美國標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 結(jié)構(gòu)形式

本工程的鋼板樁結(jié)構(gòu)均采用厚度為9 mm的AZ13-770型鋼板樁，共358片，在鋼板樁后方12.2 m處設(shè)置同規(guī)格錨碇板樁，鋼板樁和錨碇板樁之間采用直徑60 mm的鋼拉桿連接。其中鋼板樁采用ASTM A328/A328M-03《鋼板樁標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[3]相關(guān)要求，鋼材采用ASTM A572/A572M-04《高強(qiáng)度低合金鈮-釩結(jié)構(gòu)鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[4]相關(guān)要求，鋼板樁表面經(jīng)過噴砂除銹預(yù)處理，再進(jìn)行防腐涂層的涂裝。碼頭鋼板樁結(jié)構(gòu)斷面見圖2所示。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.2 Cross section of wharf structure

2.3 作用和作用效應(yīng)組合

根據(jù)英國規(guī)范BS 6349-2:2010[5]，板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮的作用應(yīng)根據(jù)BS EN 1997-1：2004[6]第2.4.2條和BS 6349-1:2000[7]規(guī)定執(zhí)行，地震作用依據(jù)BS EN 1998-1:2004[8]確定。本工程設(shè)計荷載分為永久作用以及可變作用，其中永久作用包括土體本身產(chǎn)生的主動、被動土壓力和墻后剩余水壓力，可變作用包括碼頭面上各種可變荷載產(chǎn)生的主動土壓力、船舶荷載、施工荷載和波浪力等。設(shè)計方法根據(jù)BS 6349-2:2010[5]第4.2節(jié)采用分項系數(shù)計算，作用分項系數(shù)取值根據(jù)BS 6349-1-2[7]確定，巖土參數(shù)及其分項系數(shù)根據(jù)BS EN 1997-1:2004[9]確定。設(shè)計過程中荷載組合系數(shù)見表2。

表2 荷載組合系數(shù)表Table 2 Load combination factor

其中附加荷載主要包括碼頭面均布荷載和起重機(jī)荷載，極端情況主要考慮了暴雨和意外?？康群奢d。

2.4 土體和地震參數(shù)

根據(jù)工程地質(zhì)條件，計算采用的土體參數(shù)如表3所示。

表3 工程地質(zhì)參數(shù)表Table 3 Engineering geotechnical parameters

地震參數(shù)采用50 a內(nèi)超越概率為10%的最大地面加速度為0.05g。

2.5 模型分析和計算結(jié)果

隨著計算機(jī)的發(fā)展，土體-結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值分析研究在20世紀(jì)60年代后逐步得到應(yīng)用，由于其能夠較容易處理分析域的復(fù)雜形狀及邊界條件、材料的物理非線性和幾何非線性，所以數(shù)值分析法的應(yīng)用和發(fā)展非?？?。本工程采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS 2D對碼頭鋼板樁進(jìn)行內(nèi)力和位移數(shù)值分析，根據(jù)工程地質(zhì)和水文條件、作用和效應(yīng)組合等，考慮實際施工順序和相關(guān)工況條件，開展相關(guān)模式計算和受力分析。根據(jù)工程實際，建模時采用以下3種優(yōu)化方式，保證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性：

1）合理選擇土體本構(gòu)模型。根據(jù)本工程礁灰?guī)r地質(zhì)的實際情況，采用對土體非線性特征模擬較為真實的土體硬化模型（HS）開展分析，自動生成15節(jié)點三角形單元的非結(jié)構(gòu)化有限元網(wǎng)格模擬，其剛度與應(yīng)力水平呈正相關(guān)，并在土體開挖與回填中可以考慮卸載模量，保證了數(shù)值模擬對土體-結(jié)構(gòu)受力的真實反映；

2）合理模擬土體-鋼板樁結(jié)構(gòu)接觸單元。數(shù)值模擬土體-鋼板樁結(jié)構(gòu)時應(yīng)當(dāng)考慮相互接觸問題，傳統(tǒng)的共用節(jié)點無法反映土體與板樁結(jié)構(gòu)之間因為接觸和土體位移造成的相互作用和滑移，也無法體現(xiàn)拉應(yīng)力下土體與結(jié)構(gòu)的脫離效應(yīng)，本工程采用Embedded排樁單元，利用其接觸面節(jié)點來模擬接觸作用；

3）建模時考慮使用年限內(nèi)鋼板樁厚度的腐蝕損失，按照歐洲規(guī)范BS EN 1993-5:2007[10]中相關(guān)規(guī)定，鋼板樁損失厚度取值為3.75 mm。

數(shù)學(xué)模型斷面如圖3所示。

圖3 鋼板樁受力分析PLAXIS 2D數(shù)學(xué)模型Fig.3 PLAXIS 2D mathematical model for stress analysis of steel sheet pile

鋼板樁和錨碇板樁縱向每延米的內(nèi)力和位移計算結(jié)果如表4所示。

表4 鋼板樁、錨碇板樁縱向每延米內(nèi)力和位移計算結(jié)果Table 4 Calculation results of longitudinal internal force and displacement of steel sheet pile and anchor plate per linear meter

參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 1993-5:2007[10]中對于鋼板樁適用性的要求，主要計算結(jié)果為：

抗彎強(qiáng)度M=461.5 kN·m

最大彎矩Mmax=49.75 kN·m

安全系數(shù)K=M/Mmax=9.27＞1.5

計算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性滿足要求，AZ13-770鋼板樁的各項參數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 施工工藝

由于加勒比島國巴哈馬施工設(shè)備有限，綜合工期、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多方面因素考慮，本工程鋼板樁采用陸域沉樁方法，施工順序如圖4所示。

圖4 工程施工順序流程圖Fig.4 Flow chart of project construction sequence

3.1 鋼板樁施工基槽開挖

考慮礁灰?guī)r承載力較好，首先在碼頭前沿進(jìn)行陸上開挖作業(yè)，形成滿足港池設(shè)計底標(biāo)高的施工基槽，并在碼頭前方2 m處形成約7 m寬的施工便道，為打設(shè)定位樁、安裝導(dǎo)向架等提供兩側(cè)施工作業(yè)面，也有利于鋼板樁上部混凝土胸墻的澆筑作業(yè)。

3.2 打設(shè)定位樁安裝導(dǎo)向架

在施工基槽兩側(cè)打設(shè)鋼板樁導(dǎo)向架基礎(chǔ)的定位樁，定位樁采用6 m長的H350型鋼，同側(cè)樁間距3 m，入土深度3 m。在打設(shè)定位樁過程中需嚴(yán)格控制其位置、垂直度、入土深度等施工參數(shù)，確保在鋼板樁沉樁過程中定位樁不會出現(xiàn)變形和位移情況。

定位樁打設(shè)完成后，在其內(nèi)側(cè)安裝牛腿，牛腿通過螺栓與定位樁緊固，牛腿上方安裝H250型鋼作為橫梁，內(nèi)外橫梁通過可調(diào)節(jié)螺栓與定位樁緊固以形成導(dǎo)向架。橫梁內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)嵌螺栓，橫梁、外伸螺栓與鋼板樁接觸面設(shè)置橡膠等緩沖物，橫梁和內(nèi)嵌螺栓可起到固定鋼板樁位置、調(diào)整鋼板樁垂直度的作用。

3.3 沉樁施工圍檁安裝

鋼板樁采用55 t履帶吊和DZJ-135振動錘進(jìn)行打設(shè)，振動錘具體參數(shù)見表5。

表5 DZJ-135振動錘主要技術(shù)參數(shù)Table 5 The main technical parameters of DZJ-135 vibrating hammer

為保證鋼板樁施工進(jìn)度和質(zhì)量，本工程采用以下優(yōu)化方法：1）在已沉板樁鎖扣位置涂抹潤滑油，降低摩擦力減小后續(xù)沉樁對已沉板樁的影響；2）對已沉鋼板樁及時安裝圍檁并進(jìn)行部分焊接，以增加其整體性和穩(wěn)定性；3）利用2臺全站儀從縱橫兩個方向?qū)τ谑┕み^程中的樁位情況進(jìn)行實時觀測，如果出現(xiàn)偏移及時調(diào)整導(dǎo)向架，確保鋼板樁的垂直度、高程等滿足設(shè)計要求。通過采用上述措施，本工程沉樁工期僅3個月，沉樁實際誤差控制在10 mm之內(nèi)，取得了非常好的施工效果。鋼板樁沉樁施工圖如圖5所示。

圖5 鋼板樁沉樁施工圖Fig.5 Construction drawing of steel sheet pile driving

3.4 打設(shè)錨碇板安裝鋼拉桿

鋼拉桿是鋼板樁和錨碇板之間的傳力構(gòu)件，本工程錨碇板位于碼頭前沿后側(cè)12.2 m處，打設(shè)過程中采用2臺全站儀全程監(jiān)控，確保錨碇板的平面位置、垂直度、高程滿足設(shè)計要求。鋼拉桿在安裝前需經(jīng)過噴砂除銹預(yù)處理和防腐涂層的涂裝處理，在安裝過程中避免損害鋼拉桿的絲扣等部件。

3.5 鋼板樁樁后回填

在澆筑胸墻前進(jìn)行回填施工，可以為混凝土胸墻提供陸側(cè)作業(yè)面，也避免了由于回填施工造成鋼板樁位移、變形而導(dǎo)致胸墻出現(xiàn)裂痕的問題。本工程選用10～50 kg塊石作為回填料，回填要避免損害鋼板樁、錨碇板和鋼拉桿等構(gòu)件。

3.6 混凝土胸墻施工

考慮到水位變動區(qū)鋼板樁腐蝕比較嚴(yán)重，一般以降低胸墻底標(biāo)高起到保護(hù)鋼板樁的作用，但這會給胸墻的施工帶來很大的困難[11]。本工程混凝土胸墻設(shè)計底標(biāo)高為-0.15 m（平均大潮低潮面），得益于碼頭前方施工便道和碼頭后方陸域形成了封閉區(qū)域，混凝土胸墻位置的海水水位完全受控于港池海水滲流作用，施工過程中采用6臺功率180 kW高壓水泵抽水的方法成功降低胸墻施工區(qū)海水水位，為混凝土胸墻水上施工創(chuàng)造了有利條件。

3.7 拆除施工便道開挖前方港池

板樁墻施工完畢后，拆除碼頭前方施工便道并開挖至設(shè)計港池底標(biāo)高，同時安裝靠船構(gòu)件等配套設(shè)施。由于施工便道距離碼頭前沿僅2 m，拆除施工便道時謹(jǐn)慎操作，避免施工器械和開挖料碰撞鋼板樁和混凝土胸墻。

4 結(jié)語

巴哈馬北阿巴科港口工程已于2017年10月完工，經(jīng)過多年使用證明了工程良好的設(shè)計和施工成效。從本項目實踐可以得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)工程地質(zhì)水文和施工條件選取的鋼板樁碼頭結(jié)構(gòu)是合理的。對于加勒比地區(qū)礁灰?guī)r地質(zhì)條件的碼頭工程提供了成功的設(shè)計和施工案例參考。

2）根據(jù)歐標(biāo)、英標(biāo)和美標(biāo)的相關(guān)要求，采用有限元軟件模型分析方法要注意合理選擇土體本構(gòu)模型和土體-鋼板樁結(jié)構(gòu)接觸單元，通過多工況和施工工序模擬，可以較為準(zhǔn)確地開展板樁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，也為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

3）采用陸域沉樁工藝，通過定位樁、導(dǎo)向架等施工措施嚴(yán)格控制鋼板樁施工精度，也為上部現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了有利的施工條件，取得了非常好的效果，也為海外類似工程的設(shè)計施工提供非常有益的參考。