老舊碼頭修復(fù)加固設(shè)計(jì)方案研究

◎ 徐昕 廣東正方圓工程咨詢有限公司

1.工程概況

某碼頭建成于1969年，位于廣東省沿海某地區(qū)，碼頭結(jié)構(gòu)為高樁梁板式碼頭。碼頭作業(yè)平臺(tái)長(zhǎng)128.0m，寬13.7m，共設(shè)26榀排架。碼頭作業(yè)平臺(tái)通過三座引橋與陸域銜接，引橋平面尺度均為15.5m×9.5m。碼頭及引橋樁基均為500mm×500mm的混凝土方樁，后方接岸及護(hù)岸均為漿砌石擋土墻結(jié)構(gòu)。碼頭自投入使用已有53年之久，由于長(zhǎng)期受海水侵蝕及外力作用，部分構(gòu)件受損嚴(yán)重，主梁及面板出現(xiàn)較多裂縫、鋼筋銹蝕、脫落等現(xiàn)象，存在較大的安全隱患。

為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，避免現(xiàn)有岸線資源浪費(fèi)，排除安全隱患，需對(duì)該老舊碼頭進(jìn)行修復(fù)加固方案研究[1]。

2.碼頭檢測(cè)、測(cè)量、勘察

原碼頭建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，資料匱乏。碼頭的地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)資料與竣工資料均遺失，僅有一次碼頭大修的草圖，且碼頭未進(jìn)行過結(jié)構(gòu)檢測(cè)。因此，開展修復(fù)加固工作存在諸多限制條件，僅憑大修草圖難以得出合理的修復(fù)加固方案。

由于碼頭所處區(qū)域自然條件惡劣，受外力作用的隨機(jī)性大，且老舊碼頭受力狀態(tài)復(fù)雜。為尋求科學(xué)合理的修復(fù)加固方案，有針對(duì)性的對(duì)碼頭進(jìn)行修復(fù)加固，本次首先對(duì)原碼頭進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，針對(duì)碼頭的不同受損情況，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對(duì)其性能做出綜合評(píng)價(jià)；其次，對(duì)碼頭區(qū)域的水深地形及結(jié)構(gòu)高程等展開測(cè)量工作；再次依據(jù)規(guī)范要求，對(duì)碼頭開展地質(zhì)勘察工作，獲取巖土計(jì)算參數(shù)，為碼頭的修復(fù)加固方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

根據(jù)碼頭的檢測(cè)情況，碼頭面層存在多處缺陷，缺陷形態(tài)主要表現(xiàn)為開裂，最大開裂寬度為3.0mm；面板存在開裂現(xiàn)象，最大開裂寬度為1.0mm，有多處面板出現(xiàn)混凝土破損現(xiàn)象，屬耐久性劣化；縱橫梁、樁帽均存在不同程度的混凝土開裂及混凝土破損露筋現(xiàn)象，屬耐久性劣化；1根基樁存在破損露筋缺陷，4根基樁存在斷開缺失缺陷，12根基樁存在縱向裂縫缺陷；基樁與海床結(jié)合部基樁表面情況正常，未發(fā)現(xiàn)開裂、淘空、移位等缺陷。

3.碼頭處理方案

該碼頭重要部位及構(gòu)件有部分中度損壞，次要部位及構(gòu)件大部分重度損壞，其中引橋結(jié)構(gòu)存在沉降、位移或變形，影響碼頭結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定等情況。因此，本碼頭港口主要設(shè)施技術(shù)類別評(píng)為四類，技術(shù)狀態(tài)評(píng)為差。碼頭的安全性評(píng)價(jià)為C級(jí)，適用性評(píng)價(jià)為D級(jí)，耐久性評(píng)價(jià)為D級(jí)。

本碼頭結(jié)構(gòu)修復(fù)加固方案設(shè)計(jì)在檢測(cè)結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合碼頭的測(cè)量、地質(zhì)勘察資料等，提出兩個(gè)方案進(jìn)行比選。其中方案一為對(duì)碼頭進(jìn)行整體修復(fù)加固：保留現(xiàn)有的樁作為儲(chǔ)備樁，同時(shí)對(duì)受損樁采取補(bǔ)強(qiáng)措施，對(duì)未損壞的樁進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)。對(duì)上部結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重的梁板等構(gòu)件拆除重建；方案二為對(duì)碼頭進(jìn)行局部修復(fù)加固，即保留碼頭現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，僅對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷構(gòu)件進(jìn)行小范圍修復(fù)加固，同時(shí)在斷樁周圍增設(shè)基樁，對(duì)碼頭提出限制性使用措施。

方案比選：由于碼頭建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)的限制，碼頭使用至今存在較多的安全隱患。隨著近些年來水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，航道條件不斷改善，船舶大型化迅速發(fā)展，老舊碼頭漸漸無法適應(yīng)港口的發(fā)展需求。因此，對(duì)該碼頭進(jìn)行修復(fù)加固設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在修復(fù)破損結(jié)構(gòu)的同時(shí)，遠(yuǎn)近結(jié)合，考慮碼頭的使用和發(fā)展需求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠加固。修復(fù)加固方案應(yīng)從安全性、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，并結(jié)合現(xiàn)狀碼頭存在的問題、修復(fù)加固施工可操作性、碼頭實(shí)際使用需求等方面，選取合理的處理方案。由于該碼頭現(xiàn)狀技術(shù)狀態(tài)差，且碼頭?？看洼^原設(shè)計(jì)大，如果僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部修復(fù)加固，將使碼頭在日后使用中存在較多的限制條件，也有可能造成新的安全隱患，無法從根本上徹底解決問題，增加日常維護(hù)的頻率。而對(duì)碼頭進(jìn)行整體修復(fù)加固，不僅可有針對(duì)性的對(duì)結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)可根據(jù)碼頭來船噸位大小、使用荷載等，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固，滿足使用需求。

綜上，從工程實(shí)施難易度、建設(shè)成本、安全性、船舶適應(yīng)性等多方面進(jìn)行比較，推薦方案為方案一，即對(duì)碼頭進(jìn)行整體修復(fù)加固。

3.1 基礎(chǔ)（樁）處理方案

根據(jù)檢測(cè)分析，該碼頭樁身存在多處缺陷，其中有4根樁存在局部斷開缺失的現(xiàn)象，對(duì)碼頭承載力以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均造成嚴(yán)重影響。碼頭原基樁為500mm×500mm的混凝土方樁，其抗彎性能稍弱，且使用已超過50年，樁的力學(xué)性能隨著結(jié)構(gòu)的老化進(jìn)一步削弱。本次修復(fù)加固方案考慮到水下舊樁拔除施工難度大、工期長(zhǎng)，處理不當(dāng)則容易對(duì)周邊土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)，且可能將樁拔斷，施工難度較大。因此設(shè)計(jì)中將舊樁保留作為儲(chǔ)備樁，針對(duì)斷樁、局部存在缺陷樁、未受損的樁分別采取相應(yīng)的處理方式，并根據(jù)碼頭使用需求及受力情況，對(duì)樁基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)[2]。具體處理措施如下：

圖1 斷樁修復(fù)加固示意圖

（1）斷樁的處理方式。工程中較為常見的對(duì)斷樁修復(fù)措施為：采用設(shè)置封底鋼套筒灌注水下混凝土的方式進(jìn)行修復(fù)。該碼頭斷樁位置分水上和水下兩種，方案中針對(duì)兩種工況選取有效的措施對(duì)其進(jìn)行修復(fù)加固。

本次修復(fù)加固方案中拆除上部結(jié)構(gòu)后，對(duì)缺陷位于水上的斷樁，首先將斷裂口鑿毛、沖洗，然后植入8根直徑25mm的鋼筋，用于斷樁的修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)及與上部結(jié)構(gòu)的連接；植筋完成后在樁外套550mm×550mm、壁厚15mm的鋼護(hù)筒；灌注混凝土。完成斷樁的修復(fù)加固。

對(duì)缺陷位于水下的斷樁，先采取措施創(chuàng)造可施工的條件，然后進(jìn)行修復(fù)加固。本次采用550mm×550mm、壁厚15mm的鋼護(hù)筒（長(zhǎng)度可結(jié)合施工水位及工藝合理分段），內(nèi)側(cè)采用止水軟墊，從樁頭上部套入斷樁頂部1m左右（卡入殘樁頂部1m以上），以此來隔斷樁與外部的水，便于施工。抽干筒內(nèi)水后對(duì)樁頭進(jìn)行清洗、鑿毛，植入直徑25mm的鋼筋或自旋式螺桿8根，然后澆筑混凝土。

施工后鋼護(hù)筒保留并在表面涂刷防腐涂層。斷樁修復(fù)后需等強(qiáng)度滿足規(guī)范要求后，方可澆筑上部結(jié)構(gòu)。

（2）局部存在缺陷樁的處理。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，樁基完整性檢測(cè)為Ⅱ類的樁，其水下部分的缺陷可不進(jìn)行修復(fù)，水上部分的缺陷則按照以下方式進(jìn)行修復(fù)加固：

對(duì)存在破損且有露筋缺陷的基樁，首先采用環(huán)氧砂漿對(duì)破損處進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)后在結(jié)構(gòu)的表面粘貼厚度為6mm的Q235鋼板，并在鋼板外側(cè)采用U型卡環(huán)與樁箍在一起。通過鋼板與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作，達(dá)到對(duì)受損樁修復(fù)加固的目的。為提高結(jié)構(gòu)的耐久性，鋼板粘貼固定后，在其表面涂刷防腐涂層。

對(duì)存在縱向裂縫缺陷的基樁，根據(jù)裂縫的寬度采取不同的修補(bǔ)方式。對(duì)于裂縫寬度在0.3mm以內(nèi)的基樁，采用注射法的方式，以低黏度、高強(qiáng)度的裂縫修補(bǔ)膠液進(jìn)行修補(bǔ)，并在裂縫處用四層高強(qiáng)度Ⅱ級(jí)碳纖維布進(jìn)行包覆處理；對(duì)于裂縫寬度在0.3mm以上的基樁，可采用注射法或壓力注漿法的方式，用裂縫修補(bǔ)膠液或改性聚合物水泥注漿料進(jìn)行修補(bǔ)，同時(shí)在樁身范圍內(nèi)粘貼厚度為6mm的Q235鋼板進(jìn)行加固。

（3）未受損樁的處理。由于碼頭長(zhǎng)期處于海水環(huán)境中，存在氯離子滲透、海生物附著等現(xiàn)象，均對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響。對(duì)未受損的樁，采取一定措施進(jìn)行常規(guī)保養(yǎng)也是非常必要的。主要采取措施為：清理樁體，并對(duì)設(shè)計(jì)低水位以上的樁體涂刷防腐涂層，以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

（4）碼頭整體樁基補(bǔ)強(qiáng)措施。由于利用現(xiàn)有的檢測(cè)手段，尚無法準(zhǔn)確的判斷基樁的實(shí)際力學(xué)性能，對(duì)判斷基樁是否適合繼續(xù)使用造成了一定的困難。因此，方案對(duì)于受外力影響而導(dǎo)致受損或者斷裂的樁，采取增設(shè)樁以“二”代“一”的方式對(duì)樁基進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。增設(shè)的樁強(qiáng)度、受力等均應(yīng)滿足要求，且不應(yīng)發(fā)生碰樁現(xiàn)象。

本方案在1根受損樁附近的合理位置設(shè)置2根樁代替，另外，在每榀排架增設(shè)3根樁，提高碼頭的整體受力。碼頭原有的基樁均作為儲(chǔ)備樁，不納入結(jié)構(gòu)力學(xué)驗(yàn)算。采用此種樁基補(bǔ)強(qiáng)措施，不僅可避免直接利用舊樁可能存在實(shí)際受力不滿足的情況，又能利用舊樁的剩余力學(xué)性能，提高碼頭的整體穩(wěn)定性和使用安全性。

該碼頭原第一排樁為靠船樁，橡膠護(hù)舷直接與樁固定，樁與樁之間無水平撐連接，當(dāng)使用中操作不當(dāng)或水平力較大時(shí)，可能造成靠船樁出現(xiàn)斷樁、移位等現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不利影響。結(jié)合該碼頭的使用特點(diǎn)及樁受損的區(qū)域特性，方案中在第一排樁外側(cè)增設(shè)一排樁，并設(shè)置靠船構(gòu)件、水平撐等以避免應(yīng)力過于集中到前排樁上，提高碼頭的整體水平抗力。

另外，由于新樁與舊樁受力狀態(tài)不同，舊樁經(jīng)長(zhǎng)期使用基本沉降穩(wěn)定，新樁在一定時(shí)間內(nèi)受上部結(jié)構(gòu)及其他力綜合作用還會(huì)發(fā)生沉降，樁長(zhǎng)選取的不合理，可能造成結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，對(duì)結(jié)構(gòu)造成危害。因此，在確定新設(shè)樁的樁長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)得出的舊樁實(shí)際樁長(zhǎng)，以及最新地質(zhì)勘察資料、持力層的力學(xué)參數(shù)等，計(jì)算結(jié)構(gòu)沉降量，確定合理的樁長(zhǎng)。

（5）基樁類別的選取。碼頭基樁按成樁工藝分為打入樁、灌注樁和嵌巖樁三類。一般水上工程宜優(yōu)先采用打入樁，由于該碼頭修復(fù)加固保留原碼頭的樁，增設(shè)樁以“二”代“一”的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，若選用打入樁，打樁船無法進(jìn)入，不具備施工可行性。根據(jù)碼頭的地質(zhì)勘察資料以及施工可操作性，該碼頭增設(shè)的樁選用直徑1000mm的灌注樁，施工時(shí)可利用碼頭舊樁設(shè)置施工作業(yè)平臺(tái)，采用旋挖樁進(jìn)行施工。

3.2 上部結(jié)構(gòu)處理方案

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，碼頭的綜合定級(jí)為D級(jí)：耐久性不滿足設(shè)計(jì)使用年限要求，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞。鑒于該碼頭面板、縱橫梁、樁帽等上部結(jié)構(gòu)受損面積較大、受損較嚴(yán)重，且使用期間已進(jìn)行過多次修補(bǔ)，即使對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)，構(gòu)件的強(qiáng)度無法滿足碼頭日后使用荷載要求，存在較大的安全隱患。因此，方案對(duì)上部結(jié)構(gòu)的處理方式為拆除重建。

上部結(jié)構(gòu)拆除時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)樁頭部分鋼筋，借助風(fēng)鎬、水刀、鋼釬等清除樁頭鋼筋四周包裹的混凝土；樁頭鋼筋若有生銹情況，可采用噴砂、鋼刷等，外表清洗可采用高壓水、壓縮空氣、丙酮等；樁頂嵌入上部結(jié)構(gòu)段的鋼筋應(yīng)滿足規(guī)范要求，當(dāng)鋼筋長(zhǎng)度不足時(shí)，可采用焊接方式適當(dāng)加長(zhǎng)。拆除上部結(jié)構(gòu)時(shí)，若不慎對(duì)樁頭鋼筋造成破壞，應(yīng)采用化學(xué)法植筋，植入深度及配筋率均應(yīng)滿足規(guī)范要求[3]。

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合碼頭施工期與使用期的不同荷載組合，考慮施工可操作性等，選取合適的截面，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，避免少筋或超筋破壞。另外，由于碼頭位于沿海地區(qū)，風(fēng)浪較大，碼頭面板澆筑時(shí)需預(yù)埋Φ50mm的PVC管以形成透氣孔。

4.結(jié)論

目前港口已建碼頭存在達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限后還需使用的現(xiàn)象較普遍，但因結(jié)構(gòu)已達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，存在較多安全隱患。且碼頭建設(shè)時(shí)受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的限制，無法適應(yīng)近些年來水運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展。

為了恢復(fù)碼頭的使用功能，適應(yīng)港口的發(fā)展需要，對(duì)老舊碼頭進(jìn)行修復(fù)加固是十分必要和迫切的。在選擇合適的修復(fù)加固方案前需收集原碼頭的設(shè)計(jì)和竣工資料、地質(zhì)勘察等基礎(chǔ)資料，詳細(xì)了解碼頭的現(xiàn)狀及存在問題，結(jié)合檢測(cè)、測(cè)量、勘察等具體情況進(jìn)行多方案比選，選取科學(xué)、合理的修復(fù)加固方案。

本文通過對(duì)廣東某沿海碼頭工程的實(shí)際案例進(jìn)行剖析，在老舊碼頭的資料采集、基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)處理等方面提出較為科學(xué)、合理的處理方式，以期為廣大港航同仁在進(jìn)行老舊碼頭修復(fù)加固設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。