板桩码头向深水化发展的方案构思和实践_遮帘式板桩码头新结构的开发

板桩码头向深水化发展的方案构思和实践_遮帘式板桩码头新结构的开发

12 港　工　技　术　　　　　　　　　　2005年12月　增刊

板桩码头向深水化发展的方案构思和实践

——遮帘式板桩码头新结构的开发

刘永绣

(中交第一航务工程勘察设计院,天津　300222)

摘要:针对板桩结构型式仅适用于中小码头建设这一长期困扰水运工程界的课题,研究开发了半遮帘式和全遮帘式板桩码头结构型式。在京唐港区2万t级板桩码头改造为5万t级泊位工程中,利用半遮帘桩减小作用于原前板桩下半部分的土压力,而且不设锚碇拉杆,取得了成功;采用全遮帘式板桩结构,又成功建设了10万t。经南京水利科学研究所进行离心模型试验,验证了设计是正确的。关键词:大型深水泊位;板桩码头结构;遮帘式;研究开发

中图分类号:U656.112;U656.101　　　文献标识码:A(2005)S020012204

DPracticeofBuildingSheetPileWharfsinDters-DevelopmentofANewStructureofCovered

typeofSheetPileWharf

LIUYong2xiu

(CommunicationsFirstDesignInstituteofNavigationEngineering,Tianjin300222,China)

Abstract:Inviewoftheproblemthatsheetpilestructuresareonlysuitableformediumandsmall

wharfs,Whichhaslongbeenbesettingthefieldofmarineconstruction,semi-coveredandwholecoveredsheeppilewharfstructureshavebeenresearchedanddeveloped.Whenthesheetpilewharffor20000dwtshipswasbeingreconstructedintoaberthfor50000dwtshipsinJingtangPort,thesemi-coveredsheetpileswereusedtoreducetheearthpressureactingonthelowerpartoftheoriginalfrontpilesandnoan2chorageandstayswereusedandthesuccesshadbeengained.Withthewholecoveredsheetpilestructure,adeep-waterberthwassuccessfullybuiltforaccommodatingshipsofmorethan100000dwt.ThedesignprovedcorrectwiththecentrifgalmodeltestsmadeinNanjingHydraulicResearchInstitute.Constructionofcoveredsheetpilewharfsindeepwaters.

Keywords:largedeepwaterberth;sheeppilewharfstructure;covered;researchanddevelopment

成部分,所以划归高桩承台式码头结构较为合适。1　概述

我国建国50多年来,据不完全统计,建设板桩板桩码头是码头三大结构型式之一,其岸壁型

码头近300个泊位,但85%以上是中小型码头,可式可分为无锚、单锚、多锚板桩和斜拉板桩式。有的技术文献把格型钢板桩码头也划归板桩码头结构型

式范畴,从其整体受力机理和设计方法上看,与上述的4种型式是有很大区别的。同样,带前板桩的高桩承台式码头中的前板桩也只是高桩承台式码头的组

收稿日期:2005209227

作者简介:刘永绣(1939-),男,教授级高级工程师,一航院顾问总工程

师,天津市授衔港口工程结构专家,原中交一航院副院长。

见板桩结构型式基本上是用于中小型码头的建设。1989年在京唐港开始建设3.5万t级的地下连续墙式板桩码头,成为当时全国最大的板桩码头。

随着码头建设向大型化、深水化方向发展,作为码头三大结构型式之一的板桩码头结构却遇到了极大的困难。主要是板桩断面难以满足深水码头急剧增大的弯矩的要求,眼看着重力式和高桩承台式码

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头已经向10万t级、20万t级、25万t级以上的深水泊位发展,板桩码头却一筹莫展。

2000年京唐港决心把二港池14、15号2个2万t级泊位加深改造为5万t级泊位,中交第一航务工程勘察设计院开始了把板桩码头推向深水泊位的开发工作,先后做了十几个方案的技术经济比较,终于开发出了崭新的结构方案——半遮帘式板桩码头结构。14号、15号泊位的成功建成,使京唐港获得了极大的、史无前例的经济效益,扭转了“京唐港在挖入式港池不可能建设深水码头”的观点。经中交一航院进一步的开发,京唐港下定决心建设10万t级的深水、大吨级泊位,开发的结构型式是全遮帘式板桩码头结构方案。2003年开始设计了31号泊位,为7万t级,32号泊位为10万t级;2004年开始施工,主体工程已基本完工。称为遮帘式板桩码头结构,,(正在设计中),。

偏贵。同时新浇的地下连续墙比上部胸墙的前沿突出了80cm,不利于船舶靠泊。2.3　减小作用于前板桩的土压力

1)采用高压喷射注浆法(旋喷法)加固原板桩墙后一定范围的土体,从而减小作用于前板桩的土压力,使得在码头加深后,结构的强度和稳定及限裂仍能满足规范要求;该方案根据土质情况分析并与有经验的施工单位研究,认为采用高压喷射注浆方案有一定难度,尤其是对需要加固的第4层土,因夹层多,各层土之间强度指标相差甚远,很难施工,加固质量难以保证,费用也较高;

2)。利用。遮帘桩的入土深度应,遮帘桩水上部分设锚,原锚碇结构根据实际,其方法是紧贴原锚碇墙前浇注地下连续墙。该遮帘桩方案可在陆上施工遮帘桩,施工方便,质量较易保证,施工期码头岸壁仍可靠船。但因要设置锚杆,须将码头面层、火车轨、轨道梁等已建设施拆除,带来数以百万计的经济损失,为港方所不愿接受的;

3)采用在原前板桩后做半遮帘桩的方案。利用半遮帘桩减小作用于原前板桩下半部分的土压力,在半遮帘桩的上部不必设锚碇拉杆,但遮帘桩的入土深度须能获得深层土体对遮帘桩的嵌固作用。该方案具有方案2)优点,但不必拆除码头顶面设施。该方案造价便宜,施工方便,对生产干扰少,被认为是最合理的方案,即为本文推出的新结构方案(图1)

。

2　半遮帘式板桩码头结构方案的推出

京唐港区上述2座2万t级板桩式码头需改造为5万t级泊位,码头前沿底高程由原来的211.0m加深到213.5m。可以考虑以下三种解决途径:2.1　在原码头岸壁前建造新的岸壁结构

1)在原码头岸线前建造高桩梁板结构,作为前方承台;该方案造价较贵,且因其将原码头岸线向前推移了20m,占用了港池水域,港方不愿接受;

2)在原码头岸线前建造新的板桩墙岸壁;该方案造价昂贵,且须增设拉杆,为此必须拆除已建成的码头面层、轨道梁及钢筋混凝土胸墙等设施,带来很大的经济损失,同时,码头岸线也需前移,带来岸吊的吊臂损失。

2.2　将原码头前板桩加厚、加深

目的是解决前板桩的强度、限裂和稳定问题;换填部分上部填料,以减小拉杆力,解决拉杆和锚碇的强度和稳定问题。其形式包括:

1)紧贴原前板桩墙浇注新的地下连续墙,新浇地连续墙入土深度满足码头加深后的踢脚稳定要求;该方案具有上述方案的缺点,且施工难度很大;

2)紧贴原前板桩下部一定高度浇注地下连续墙,并加深至满足踢脚稳定要求的深度,将其作为原前板桩的支承,以减小原前板桩的跨中弯矩和拉杆拉力;该方案要求新浇地下连续墙与原前板桩紧密贴合,施工上难度很大,且必须水上施工,使得造价

图1　半遮帘式板桩码头

2.4　工程实施效果

为了验证设计的可靠性,在南京水利科学研究院进行了离心模型试验,采用400gt的大型离心

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当然,应该说这种结构型式是适应上述这种情况的最佳方案。当码头再向深水化发展时或加深幅度更大时,全遮帘式板桩结构的优势便显现出来。

机,进行了多组试验,验证了设计是正确的。

该工程由天津深基工程有限公司施工,为了开拓新结构,他们做到了精心施工,一丝不苟,仅仅用了3个月的时间就完成了2个深水码头主体工程。

该工程于2002年建成,投产后当年就为京唐港区创造了史无前例的经济效益。其意义不仅于此,更重要的是创造了老板桩码头加深改造的最经济合理、工期最短的新方案,为已建码头的加深改造开辟了成功途径。采用这种结构型式,14、15号泊位每延米造价仅5万元,便获得了2个5万t级泊位。

该结构型式经科技信息研究中心检索为国际首创。

3　全遮帘式板桩码头结构型式的推出

2003年我们又开始了全遮帘式码头结构的开

发。

首先在京唐港区盐驳码头改造工程中设计了全遮帘式码头结构。该码头改造前的水深是24.5m,改造后加深到28.0m,几乎比原水深加深了1倍,加深幅度非常之大。因此我们设计了全遮帘式板桩码头,具体设计见图2

。

图2　京唐港区盐驳码头改造工程码头断面图

该码头于2004年10月建成。这座码头的建成,是我们设计全遮帘式板桩码头的初步尝试,因为这座码头是个中小型码头,它的设计和建设的成功为我们设计大吨级码头坚定了信心、积累了经验。

我国的板桩码头,以前一般只用于中小型码头,如第1章所述。京唐港区几十年来之所以不能大踏步地向前发展,正是由于没有大吨级泊位。由于京唐港区是在挖入式港池建码头,最适合的型式便是地下连续墙式的板桩码头结构,但是当水深过大时,地下连续墙的弯矩很大,成为地下连续墙码头加大水深的障碍。采用遮帘桩来减小作用于地下连续墙的土压力,从而减小地下连续墙的弯矩便是最简单、合

理的方法。遮帘式板桩码头结构型式开辟了板桩码

头向深水化方向发展的新途径,使京唐港区多年来寻求的深水、大吨级码头终于得以实现。采用全遮帘式板桩码头结构,我们设计了10万t级的32号泊位(见图3)和7万t级的31号泊位。

为了验证设计的可靠性,在南京水利科学研究所进行了离心模型试验,采用400gt的大型离心机,进行了多组试验,验证了设计是正确的。该工程由天津深基工程有限公司施工,由于他们对新结构的珍爱,以及丰富的施工经验,同时由于陆上施工不受风浪、气象的影响,又可以多开头施工,所以,施工速度非常之快,仅仅用了短短6个月

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的时间就完成了2个国内外最大的钢筋混凝土板桩码头主体工程的建设。充分证明了遮帘式板桩码头结构建设工期短、造价省的优点。

随着10万t级泊位的成功建成,京唐港区拟建的33号和34号泊位也将是10万t级的遮帘式地下连续墙板桩码头;曹妃甸港区的遮帘式地下连续墙码头也在设计中。京唐港区多年渴求的建设高潮终于到来。京唐港区在向亿吨大港迈进

。

图3　10万t级遮帘式地下连续墙码头

4　遮帘式板桩码头新结构的广泛应用前景

4.1　有轨道装卸机械的板桩码头宜采用遮帘结构

3)遮帘式结构使轨道梁桩基产生了遮帘作用,

有轨道式装卸机械的板桩码头,必然要做轨道梁及桩基,即前墙后侧的一排桩基是必有的。过去的设计,由于这一排桩是无锚的,故而起不到遮帘作用,遮帘式板桩码头结构将这排桩与锚碇结构连接起来,解决了如下3个问题:

1)装卸机械作用于轨道梁及其基桩的水平力一般是轮压的1 10,巨大的水平力在基桩无锚的情况下,将力传给了前墙,加大了前墙荷载,增加了前墙的内力,导至增加前墙截面及费用的结果。采用遮帘式结构后,将遮帘桩与锚碇结构连接,既解决了避免装卸机械的水平力传到前墙的问题,又可利用遮帘桩作为轨道梁基桩使用,既经济又安全。

2)过去有的设计没有考虑在装卸机械水平力作用下轨道梁基桩的强度,而实际上无锚基桩很难承受巨大的装卸机械水平力,导致基桩强度不够,造成安全性问题。遮帘式结构将装卸机械水平力直接传给锚碇结构,则大大减小了基桩的受力,并切实地保证了其强度和安全性。

遮帘式结构将装卸机械水平力直接传给锚碇结构并没有加大锚碇系统的受力,而是把过去装卸机械水平力传给前墙再通过前墙把力传给锚碇系统的力转化为由遮帘桩直接传递,因此这种结构方式使受力十分合理。

大大减小了前墙的土压力和内力,又可起到轨道梁基桩的作用,可说是一举两得,故而是经济的结构;同时也为板桩码头深水化开拓了新路。

4.2　遮帘式板桩码头结构具有广泛的适用性

以上章节所述,均为地下连续墙式的遮帘式板桩结构,即码头结构的前墙为地下连续墙结构,这种结构型式适合于天然泥面高程比较高的情况。当码头岸线处天然泥面高程比较低时,前墙采用陆上施工比较困难而又不具备水上施工地下连续墙的条件时,可采用如下结构:

1)前墙采用打入桩,如钢板桩(当弯矩比较大时,采用组合式钢板桩)等,前墙施工完以后,墙后进行回填土,回填高程达到满足陆上施工遮帘桩的条件,然后浇注地下钢筋混凝土遮帘桩,再依次完成其他工序,仍然形成遮帘式板桩码头结构。

2)如果前墙的墙后回填土高程受前墙抗弯弯矩的限制(因可能尚未安装拉杆,故前墙处于无锚状态,抵抗弯矩的能力较小),回填高程不能满足陆上施工遮帘桩的条件时,则遮帘桩也可采用打入桩(如钢管桩、组合桩等),沉桩后再依次进行其他工序,最终形成遮帘式板桩码头结构。

综上所述,遮帘式板桩码头新结构不仅适用于挖入式港池、天然泥面较高的情况,而是广泛适用于其他各种情况的新结构,具有广泛的应用前景。

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