高樁碼頭加固技術(shù)研究綜述

丁 杰, 劉玉姣

(湖南省港務(wù)集團(tuán)有限公司， 湖南 岳陽 414009)

0 引言

伴隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國內(nèi)和進(jìn)出口貿(mào)易的數(shù)量日漸增加，規(guī)模逐漸壯大，大宗貨物運(yùn)輸?shù)闹匾匀諠u增強(qiáng)。相較于公路、鐵路和航空等運(yùn)輸方式，水路運(yùn)輸具有貨運(yùn)量大、費(fèi)用低的優(yōu)勢，故成為大宗貿(mào)易運(yùn)輸?shù)氖走x。與此相矛盾的是，港口建設(shè)項(xiàng)目投資大、功能單一、建設(shè)和回報周期長，且審查手續(xù)和過程尤為繁瑣，尤其是涉及到生態(tài)問題的環(huán)保審查更為嚴(yán)格，導(dǎo)致港口的數(shù)量與貨運(yùn)需求不成正比。同時，現(xiàn)有港口碼頭的接待能力并沒有隨著貨物量的增加而增強(qiáng)，反而隨著使用年限的增加而逐漸下降[1]。因此，通過一定的技術(shù)手段對港口進(jìn)行改造，提升舊港口的貨運(yùn)能力，使港口的利用率最大化，成為了目前港口建設(shè)研究的一大熱點(diǎn)。

舊港口的提質(zhì)改造既存在與新建港口類似的元素，同時又特點(diǎn)鮮明[2]。相較而言，舊港口的提質(zhì)改造比新建港口在勘察、設(shè)計(jì)和施工方面更加復(fù)雜，這是因?yàn)榕f港口的提質(zhì)改造涉及的問題更多，考慮的因素更加復(fù)雜。尤其是在港口碼頭的加固方面，目前還存在諸多的難點(diǎn)。本文回顧了高樁碼頭在我國碼頭改造中的成功范例，綜合論述了“分離式”和 “局部式”兩種常用高樁碼頭的加固方式，總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，為后續(xù)的高樁碼頭加固維修提供借鑒。

1 港口碼頭運(yùn)營現(xiàn)狀

截至2018年，中國港口吞吐量已從建國初的1000萬t增加到了143億t。目前，我國的生產(chǎn)用碼頭約有24000個，萬t級以上深水碼頭從零增加到了2400個左右，僅2018年全年的大型集裝箱吞吐量就高達(dá)2.5億TEU[3]。與中國港口追逐式發(fā)展、飛躍式發(fā)展相對應(yīng)的是船舶的大型化，船舶的大型化不僅給航運(yùn)帶來可觀經(jīng)濟(jì)收入，同時也給我國的港口總體通過能力帶來了重大挑戰(zhàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前僅沿海港口在運(yùn)輸能力方面缺口就超過5億t[4]。

港口碼頭在使用過程中，運(yùn)營功能有所下降，這是因?yàn)楦劭诖a頭在運(yùn)營過程中出現(xiàn)了不同程度的老化，包括材料的老化、結(jié)構(gòu)的老化、設(shè)備的破損和航道的淤積等方面[5]。而碼頭加固改造一方面可恢復(fù)原碼頭的營運(yùn)能力，另一方面可提高碼頭的靠泊能力。為此，我國于2011年頒布了《港口水工建筑物修補(bǔ)加固技術(shù)規(guī)范》，此規(guī)范的頒布為碼頭結(jié)構(gòu)加固改造提供了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，填補(bǔ)了碼頭結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)上的行業(yè)空白，但此規(guī)范僅在碼頭混凝土構(gòu)件的修補(bǔ)加固方面作出明確規(guī)定，并沒有涉及碼頭的結(jié)構(gòu)改造。

2 加固方法與理論

通常情況下，高樁碼頭的加固與修復(fù)主要采用局部式和分離式兩種方法[6]。

2.1 局部式改造法

在碼頭構(gòu)件已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜，部分構(gòu)件功能劣化嚴(yán)重，整體承載能力不足的情況下，此時的碼頭已經(jīng)無法適應(yīng)使用荷載。通過擴(kuò)大樁基礎(chǔ)或增加結(jié)構(gòu)梁尺寸等方法，增強(qiáng)原有碼頭的整體性，提高碼頭的承載能力，該方法稱為局部改造法，可歸納為以下幾種。

2.1.1封閉法

封閉法分為表面封閉法和壓力注漿法。在高樁碼頭加固過程中，對寬度在0.2 mm以下并已停止發(fā)展的淺層裂縫，可采用環(huán)氧樹脂砂漿、乳化瀝青砂漿等對表面裂縫進(jìn)行封閉，該方法簡單易行。對于裂縫寬度大于0.2 mm的構(gòu)件，經(jīng)專家技術(shù)論證后，可采用高壓灌漿法進(jìn)行封堵，該方法能夠很好地恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性，但在施工過程中受作業(yè)面的限制。

2.1.2局部損傷修復(fù)法

當(dāng)碼頭面層、橫梁、立柱、靠船構(gòu)件存在砼脫落、嚴(yán)重銹蝕、露筋等情況時，可采用重新澆筑砼、加焊或更換構(gòu)件等方式，使碼頭結(jié)構(gòu)功能恢復(fù)至原狀。該方法易于執(zhí)行，操作方便。

2.1.3外部材料增強(qiáng)法

針對碼頭結(jié)構(gòu)中存在損傷的梁、板、柱等構(gòu)件，采用同種材料增大原構(gòu)件的橫截面面積、外包型鋼、粘貼鋼板或外粘纖維復(fù)合材料等方式，使之與原構(gòu)筑物形成整體，共同承擔(dān)荷載，提高原構(gòu)件的物理力學(xué)性能，從而恢復(fù)碼頭的作業(yè)能力。該方法的原理和操作相對簡單，對于原構(gòu)件的加固作用比較直觀。但由于通常是在高空或者懸空作業(yè)，且作業(yè)面在水上，因此需要特別注意施工安全。

2.1.4預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法屬于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性加固方法，即通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉桿、撐桿或支點(diǎn)，增強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高碼頭的承載能力和局部構(gòu)件的抗裂能力，該方法適用于大跨徑和大型高樁碼頭的加固整治。與此同時，設(shè)置拉桿或撐桿，改變了碼頭原有的受力情況，因此在設(shè)計(jì)時需要特別注意拉桿或撐桿的參數(shù)，確保碼頭仍然處在一個穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。

2.2 分離式改造法

分離式改造法是指在靠泊等級不能滿足要求的情況下，通過在原碼頭前方新建結(jié)構(gòu)物，該結(jié)構(gòu)物與原結(jié)構(gòu)物獨(dú)立承受船舶荷載的改造方法。該方法通常能保證碼頭結(jié)構(gòu)基本完好且承載力較好，但抗傾覆性不足，常在靠泊等級不能滿足現(xiàn)有船舶荷載要求的情況下選用。

3 高樁碼頭改造案例

3.1 加固方法

3.1.1局部式改造法

楊榮君、尹紀(jì)龍等[7-8]通過對寧波港5萬t碼頭的勘察、設(shè)計(jì)和檢測評估文件進(jìn)行分析，提出以采用鉸接傳力桿連接碼頭前后平臺的改造方式，提高碼頭的抗傾覆性，并應(yīng)用Easydoing和Robot等計(jì)算軟件建立計(jì)算模型，對傳力桿和改造前后的碼頭進(jìn)行受力分析，證明改造后的碼頭具備10萬t級集裝箱船舶的靠泊能力，該改造方式具有工期短、造價低、不影響生產(chǎn)的特點(diǎn)。高義慧[9]分析了表層封閉、壓力灌漿、局部損傷修補(bǔ)等6種局部改造方法在南京某高樁碼頭裂縫修補(bǔ)和結(jié)構(gòu)修復(fù)中的加固效果，總結(jié)了一套高樁碼頭修復(fù)方案。龔偉杰等[10]以江蘇某碼頭改造工程為原型，采用ANSYS建立二維和三維計(jì)算模型，對比分析了兩者在不同維度下橫梁內(nèi)力的差別，推薦采用二維模型確定工程方案，用三維模型進(jìn)行內(nèi)力分析與配筋。天津港在對1#～3#碼頭進(jìn)行砼構(gòu)件強(qiáng)度、使用性和耐久性檢測評估的基礎(chǔ)上，探討了鋼板樁銹蝕問題的解決方案，通過技術(shù)比選，最終確定采用埋地陽極鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)技術(shù)，結(jié)合政策要求并以預(yù)測吐吞量為目標(biāo)，通過反算的方法確定碼頭加固等級，最后對加固構(gòu)件的內(nèi)力和變形進(jìn)行分析計(jì)算，首創(chuàng)了以前板樁結(jié)構(gòu)改造高樁碼頭的新型結(jié)構(gòu)方式[11]。

3.1.2分離式改造法

佛山中外運(yùn)倉碼頭運(yùn)用了PHC樁-重力式擋墻復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處治，并采用有限元方法計(jì)算了加固后碼頭的內(nèi)力和變形，驗(yàn)證了復(fù)合結(jié)構(gòu)在高樁碼頭加固方面的可行性[12]。張智山等[13-14]針對天津港老碼頭在改造過程中存在的重難點(diǎn)問題、技術(shù)路線及改造基本原則，結(jié)合現(xiàn)場勘察數(shù)據(jù)、施工控制環(huán)節(jié)等，開發(fā)出了“新建靠船構(gòu)件技術(shù)、新建獨(dú)立及非獨(dú)立靠船墩技術(shù)”等七大碼頭結(jié)構(gòu)等級提升技術(shù)，并將成果應(yīng)用于碼頭實(shí)體工程的加固改造。王元戰(zhàn)等[15]以天津港25～26段碼頭為實(shí)例，運(yùn)用ABAQUS建立高樁碼頭坡岸-CDM-加固結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，分析了在不同CDM加固深度時坡岸土體的位移和基樁的受力情況，證明了CDM法加固高樁碼頭是有效的，并確定了最佳的CDM加固深度。郝偉力[16]對比分析了CBM格構(gòu)式擋土墻、MCDB擋土墻和樁孔灌注樁3種加固方案在高樁碼頭坡岸的加固效果，及上述加固方案的基樁水平位移、土體豎向沉降及水平位移，結(jié)果顯示MCDM的加固效果最好。

3.2 方法評述

對比分析上述加固案例可知，在進(jìn)行高樁碼頭加固方式的選擇時，需要綜合考慮碼頭的加固需求、技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)性和適用性，下面將從這4個方面對“分離式”和“局部式”兩種常用高樁碼頭加固方式進(jìn)行比選。

3.2.1加固需求

通常情況下，加固需求分為兩種。一種是碼頭作業(yè)功能的恢復(fù)，這相當(dāng)于碼頭的正常維修養(yǎng)護(hù)，其加固目標(biāo)是在確保碼頭安全的前提下，具備高效的作業(yè)能力，但此種恢復(fù)并不能提升碼頭的靠泊能力；另一種是作業(yè)能力的全面提升，相當(dāng)于一次全面的提質(zhì)改造，該種改造在確保碼頭作業(yè)安全的前提下，能夠全面提升碼頭的靠泊能力。由前文可知，局部加固方法主要是對高樁碼頭的某個構(gòu)件或某類構(gòu)件進(jìn)行加固，如橫梁、樁、立柱等，該加固可明顯提升碼頭的穩(wěn)定性、安全性和適用性，延長碼頭的使用壽命，但在不改變碼頭原有受力情況的條件下，對碼頭靠泊能力提升意義不大；分離式加固方法是通過新建構(gòu)筑物，與碼頭原有構(gòu)筑物聯(lián)合作業(yè)，從而恢復(fù)或提升該碼頭的作業(yè)能力，該方式對于碼頭靠泊能力的提升大有裨益。

3.2.2技術(shù)難度

就技術(shù)難度而言，局部式加固明顯更注重細(xì)節(jié)，技術(shù)難度往往集中在結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算、安全性評估和加固方案設(shè)計(jì)方面，在加固材料和工藝選擇方面需要慎重考慮，否則無法達(dá)到預(yù)定的加固目標(biāo)；分離式加固技術(shù)更加注重整體，即新老構(gòu)筑物的協(xié)同作用，該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)在于如何將新老構(gòu)筑物有機(jī)結(jié)合，形成整體，該項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)和安全評估難度大于施工，在實(shí)施前需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)比選，同時在施工的過程中需要對原有碼頭進(jìn)行安全監(jiān)測，交工后需要進(jìn)行嚴(yán)格的檢測和安全評估。

3.2.3經(jīng)濟(jì)性

從經(jīng)濟(jì)方面考慮，局部式加固僅涉及碼頭原有構(gòu)件的加固維修或者更換，所需的加固費(fèi)用較低，且施工和人員的組織相對簡單，所需的流程也更少，因此工期更短，對碼頭的運(yùn)營影響更小，由碼頭加固施工造成的運(yùn)營損失更小。但采用局部式改造方法，港口的吞吐能力沒有得到切實(shí)提高，因此碼頭加固后的運(yùn)營回報并沒有增加?；诖?，從長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，分離式碼頭加固能帶來更加明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.4適用性

從適用性角度而言，對于以煤、礦石、建材等散貨為主的高樁碼頭，其吞吐量相對穩(wěn)定，因此提升碼頭靠岸等級的意義并不大，在這種情況下，采用局部式改造方法更加妥當(dāng)；而對于外貿(mào)碼頭或者集裝箱碼頭，隨著國際貿(mào)易的不斷增長，提升靠岸等級迫在眉睫，采用分離式加固方法更加恰當(dāng)。

對比分析兩種加固方法應(yīng)用情況可知，局部加固法造價更低，對原碼頭的利用率更高，工期更短，施工對碼頭正常生產(chǎn)的影響更小，其加固的技術(shù)要求更高，對材料及設(shè)備的依耐性更強(qiáng)，且大多數(shù)情況下是對碼頭出現(xiàn)諸如樁基承載力不足、結(jié)構(gòu)裂縫等缺陷的修復(fù)，而對于碼頭靠岸能力的提升作用不如分離式加固法明顯；分離式加固法可明顯提高碼頭的靠岸等級，提升港口的營運(yùn)能力，且施工和加固技術(shù)相對簡單，容易實(shí)行。然而，分離式加固方法受場地、岸線、浚深和配套設(shè)施的限制，同時還容易出現(xiàn)新老結(jié)構(gòu)物協(xié)同作業(yè)不佳的問題。

綜合以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在進(jìn)行加固方法選擇時，首先應(yīng)考慮加固的目的。若是為恢復(fù)碼頭的作業(yè)能力，則推薦采用局部加固法；若是為了提高碼頭的靠岸等級，則應(yīng)先對碼頭進(jìn)行檢測評估，如碼頭的承載能力和構(gòu)件完好程度良好，僅抗傾覆性能存在問題，則推薦采用分離式加固法，否則應(yīng)該采用局部式和分離式相結(jié)合的方法。

3.3 實(shí)施方案

在常熟華潤石油化工碼頭的加固改造過程中，工程技術(shù)人員在檢測與評估的基礎(chǔ)上，對比分析了不同改造方案的結(jié)構(gòu)安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，最終優(yōu)選出了最佳的改造方案[17]。在近年來上海的高樁碼頭加固設(shè)計(jì)過程中，工程技術(shù)人員總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，碼頭改造方案需結(jié)合碼頭的結(jié)構(gòu)形式、靠岸等級提升目標(biāo)、碼頭現(xiàn)狀共同確定[18]。白如冰等[19]在分析總結(jié)江蘇省內(nèi)河高樁碼頭改造技術(shù)的基礎(chǔ)上，枚舉案例對“局部改造法”和“分離式改造法”兩種方法的靠泊點(diǎn)平面布置和碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行了分析，得出了局部改造方法和分離式改造方法在平面設(shè)計(jì)中的基本設(shè)置原則。蔣凱等[20]以江蘇省內(nèi)河碼頭改造項(xiàng)目為依托，系統(tǒng)全面地分析了目前內(nèi)河碼頭加固改造存在的重難點(diǎn)，總結(jié)出適用內(nèi)河高樁碼頭加固改造的設(shè)計(jì)方法和施工方案，為內(nèi)河高樁碼頭的加固設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。孟曉寧等[21]認(rèn)為高樁碼頭的改造必須在安全性和適應(yīng)性的原則下進(jìn)行，同時還應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展，并依據(jù)以上原則對天津北方港航石化碼頭的改造方案進(jìn)行了比選，確定了安全合理的加固方案。

總結(jié)上述文獻(xiàn)綜述可以得出，在改造方法確定后，高樁碼頭的具體實(shí)施方案應(yīng)該具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、兼顧生產(chǎn)的特點(diǎn)。同時，上述案例極少涉及環(huán)保問題，而環(huán)保是目前關(guān)注的一個重點(diǎn)問題，因此在高樁碼頭的改造升級過程中還應(yīng)兼顧環(huán)保。

4 亟待解決的問題

綜合碼頭改造案例可知，隨著新技術(shù)、新設(shè)備和新材料的不斷問世，高樁碼頭的改造效果和效率得到了不斷提升。然而，就目前而言，高樁碼頭在加固改造方面仍存在以下亟待解決的問題：

1) 碼頭的改造形式、設(shè)計(jì)和計(jì)算方法無固定標(biāo)準(zhǔn)。

首先，每個碼頭都是獨(dú)立的個體，針對每個碼頭的改造均需要開發(fā)獨(dú)立的改造形式，可借鑒的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)少。同時，目前的設(shè)計(jì)理論與工程實(shí)際嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致規(guī)范中的碼頭設(shè)計(jì)計(jì)算方法與舊碼頭結(jié)構(gòu)加固計(jì)算方法不符，因此在舊碼頭的改造設(shè)計(jì)計(jì)算中還沒有統(tǒng)一可靠的計(jì)算模式，設(shè)計(jì)人員在加固改造設(shè)計(jì)時缺少合理的簡化計(jì)算方法。最后，對于碼頭改造后的穩(wěn)定性評估，因碼頭的結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件均發(fā)生了一定的變化，所以原有碼頭的穩(wěn)定性計(jì)算方法并不適用于改造后碼頭的穩(wěn)定性分析，目前國內(nèi)在這方面的研究還相對滯后。

2) 缺少新老銜接部位的處理手段。

類似于道路擴(kuò)寬及橋梁加固處治，只有新老結(jié)構(gòu)物的連接處理恰到好處，結(jié)構(gòu)物才能發(fā)揮其應(yīng)有的功能。碼頭的結(jié)構(gòu)加固也常涉及到新老結(jié)構(gòu)物的銜接問題，而此處的連接方式和受力狀態(tài)目前尚無具體的確定方法。此外，新老結(jié)構(gòu)在安全性和耐久性方面的差異問題還未解決。

3) 改造后碼頭前沿線的確定。

碼頭的前沿線需綜合考慮碼頭的結(jié)構(gòu)形式、配套設(shè)施、技術(shù)條件和環(huán)保要求，為了獲取足夠的水深，滿足船舶的靠泊要求，碼頭的前沿線通常需要外移，而目前仍缺少碼頭前沿線外移方面的技術(shù)依據(jù)。

5 總結(jié)

綜述了國內(nèi)高樁碼頭的改造情況，并分析了各碼頭的改造特點(diǎn)，以及確定改造方法采用的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上對比分析了兩種常用高樁碼頭加固方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并據(jù)此提出高樁碼頭在加固改造時應(yīng)采用的加固方式。此外，通過文獻(xiàn)綜述，概括了高樁碼頭加固改造時應(yīng)適應(yīng)的基本原則，為高樁碼頭加固方案的擬定提供借鑒。最后，總結(jié)分析了目前高樁碼頭加固改造中存在的不足，為高樁碼頭加固改造的研究提供方向。