感潮河段施工工艺对高桩码头设计方案合理性影响

刘祥玉，邓宏彦

（中交天津港湾工程设计院有限公司，天津 300461）

0 引言

感潮河段沿岸码头位于浅滩或防潮堤外坡处，受潮汐、水流相互作用。因水深较浅，大型船机进入，需要大面积开挖；同时离入海口较近，泥沙沉积，一般浅层地基承载力低。在感潮河段建设码头，要充分考虑各方面因素，尤其要重视施工工艺对设计方案的决定性作用。施工可行的设计方案，可以消除施工变更，降低施工难度，节省施工造价，保证施工工期。

本文结合山东寿光小清河内某码头的设计，详细分析施工条件，确定合理的指导性施工工艺，进行施工布置，据此选择合理的码头结构，确保设计方案的成功。与施工工艺紧密结合的设计理念，对于感潮河段类似码头的设计具有借鉴意义。

1 工程概况

本工程位于山东寿光小清河南岸，下游距离小清河入海口7 km。码头总长534 m，其中280 m码头前沿顶高程5．0 m，底高程-6．0 m。见图1。

图1 总平面布置图Fig.1 General layout

2 设计条件

2.1 设计水位

高程系统采用当地理论最低潮面，极端高水位 4．83 m，极端低水位-1．12 m，设计高水位 2．60 m，设计低水位 0．27 m。

2.2 波浪

本工程位于受潮汐影响的河口港，距离入海口7 km，不受外海波浪影响。东北向大风时河道内仅有0．3～0．4 m波高，东北向大风又遇风暴潮，滩地水深2 m时，最大波高可达1．0 m。

2.3 地形与地质

场区地面平坦，呈西高东低趋势，高程为1．61～2．16 m。地层自上而下为：淤泥质粉质黏土、粉土/淤泥质粉质黏土、粉砂、粉土、粉质黏土、粉土、粉砂、粉质黏土、粉土、粉质黏土，详见图2。①～④层承载力容许值为50～150 kPa；⑤～⑥层承载力容许值为180～190 kPa；第⑦层为粉砂（Q4al）饱和不液化土，中密～密实状态，地基承载力容许值为300 kPa。

3 施工条件分析及施工工艺

3.1 施工基础条件分析

1）地质条件分析

工程区域表层-8．65～-12．25 m 以上承载力容许值为50～150 kPa，以下为190 kPa以上。采用重力式码头结构[1]须选用承载力高的土层。第④层以上承载力较低；根据地质勘察资料计算，⑤至⑥层土承载力亦不满足要求；第⑦层可作为持力层，但需要深开挖，开挖方量大。而且现有的防潮堤将全部被挖掉，水利主管部门不能允许。因此不能采用重力式码头结构方案，只能采用高桩码头结构[2]方案。

图2 钻孔剖面图Fig.2 Profile of drill hole

2）施工方式分析

在感潮河段或滩涂区域，航道未形成，建设码头时，是先开挖港池、航道还是先施工码头再开挖水域成为设计首要考虑的因素，即考虑码头是水上施工还是陆上施工。高桩码头水上施工需要动用大型船机，桩基由打桩船在水上打设，纵横梁、面板由起重船在水上安装；陆上施工即干施工须在浅水区域设置围堰，回填施工场地，陆上打桩设备打设直桩和斜桩，陆上施工码头各种构件。两种施工方式形成的工程造价差异较大，其中干施工不受潮汐、波浪影响，施工便利，工程造价低。

本工程泥面标高为1．61～2．16 m，对比设计水位，工程区200 m×534 m范围低潮露滩，在接近设计高水位时全部淹没，施工船舶无法进入。将该区域全部疏浚至设计标高后，满足施工船舶进入，再施工码头构件，会增加施工工期和工程造价。考虑在现有地形，将工程区填高或者设置围堰，进行干施工，以降低造价和缩短工期，但要做好渤海湾风暴潮期间的防护工作。

3.2 指导性施工工艺的确定

根据施工基础条件分析，确定采用设置围堰的干施工方案，不采用使用施工船舶的水上施工方案。调用港池所在区域的黏土，碾压填筑围堰，并将围堰内侧的区域填高整平，形成施工场地。

码头采用桩基梁板结构。桩基采用陆上打桩设备打桩，现浇钢筋混凝土横梁，安装靠船构件。然后在桩基、横梁组成的排架之间，用长臂反铲开挖码头下方斜坡。开挖过程中注意对桩基的保护，同时确保开挖形成的反向斜坡不会影响围堰的结构安全。斜坡形成后，利用反铲抛石护面、理坡。预制安装纵梁、面板，现浇钢筋混凝土铺装层。

码头进入面层施工阶段后，挖除围堰，并进行港池水域的开挖施工。

3.3 场地布置

围堰坡底距码头前沿线的距离考虑两个因素，一是垂直于码头前沿线方向能够摆放打桩机械，并留有施工通道，二是码头下方斜坡陆地开挖时，围堰陆地侧岸坡稳定并留有施工通道。因此在码头前沿线外侧30 m处布置围堰轴线，围堰宽4 m，顶标高4．0 m，两侧边坡为1∶2。围堰为就地取土，碾压形成，详见图3。

图3 围堰与干施工开挖示意图Fig.3 Excavation of cofferdam and dry construction

围堰黏土碾压后选取渗透系数，并考虑围堰外侧水位，进行渗流稳定性[3]计算。由渗流稳定性初步确定场地上游侧的标高为1．0 m，该标高方便横梁支模现浇施工。在施工时，发现场地上游侧出现局部渗水，虽不严重，但对车辆行驶有影响。调整围堰外侧水位，并重新选取渗透系数进行渗流稳定性计算，根据计算结果将场地上游侧标高抬高至1．4 m，确保整个场地为干的陆地环境。

3.4 地勘资料数据分析

分析本工程地勘资料，有一层5～10 m厚、标贯击数达到50～70击的粉砂硬层，桩基打入困难。此硬层能否穿透，是设计的难点和关键点。桩基能否穿透，桩型选择，沉桩工艺至关重要。文献[4]采用了水冲法配合锤击的沉桩工艺，并获得成功，如果按照此工艺，对桩在预制时就需要进行特别的水力设计。

对于标准贯入试验结果，GB 50021—2001《岩土勘察规范》（2009年版）[5]提到应用N值时是否修正和如何修正，应根据建立统计关系时的具体情况确定。根据国内外研究成果及规范，对标准贯入试验结果进行了修正。

1）美国Gibbs和Holtz认为砂土自重压力（上覆压力）对标准贯入试验结果有很大影响。美国的Peck得出砂土自重压力对标准贯入试验的影响公式为：N=CN×N′；CN=0．77lg（1 960/σv）。其中：N为标贯试验校正值；N′为标贯试验实测值；CN为自重压力影响校正系数；σv为试验深度处砂土有效垂直上覆压力，kPa。

试验深度在-16～-22 m，上覆有效垂直压力按240 kPa计算，标贯试验实测值为70击，计算标贯试验校正值为49击。

2）按照DB J11-501—2009《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》[6]，当有效覆盖压力大于25kPa时，标贯试验技术按Peck公式计算，CN按表取值。该层粉砂为中密，CN取为0．69，计算标贯试验校正值为48击。

3）美国Terzaghi、Peck认为，对于有效粒径d10在 0．1～0．05 mm 范围内的饱和砂、细砂，当其密度大于某一临界密度时，贯入阻力将会偏大，贯入击数大于15击时，按照下式校正：

N=15+（N′-15）/2

按照上式与前面同等条件进行计算，N值为42．5 击。

4）根据GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[7]，当标准贯入试验贯入点深度和地下水位在试验地面以下的深度，不同于工程正常运用时，实测标准贯入锤击数进行校正。

根据以上分析，形成修正后的标准贯入击数，结果见表1。

表1 考虑各因素修正贯入击数统计表Table 1 Statistical table of modified penetration number considering various factors

本工程硬层埋深达20 m，受上覆土层和地下水影响，标贯试验实测击数修正后在40～49击。

根据相关施工规范和经验，标贯击数小于50击时，桩基打入可行，不需水冲配合沉桩。

3.5 桩型的选择

灌注桩造价明显高于预制桩，且临水侧桩基表面要光滑、完整，须保证带水浇筑混凝土的质量。方桩、PHC管桩在码头结构中都可以采用，多数时候取决于施工条件、地质条件、预制场及工厂化条件，并要特别注意安全、可靠、耐久及施工破损率等因素。

对于PHC管桩，使用范围广，生产厂家较多，可选规格多；PHC管桩分节预制，单节长度不宜过长，长桩需要接桩，接头常形成薄弱点；若接桩后垂直度不能保证，将降低桩的承载能力，甚至在打入时造成断桩；PHC管桩可采用重型柴油打桩锤沉桩，但可承受锤击数较少，尤其是穿透较厚的坚硬土层时，耐打性不强。

工程附近某码头采用PHC管桩，因当地无管桩生产厂，从南方购买，单米桩费用增加多且施工时沉桩较困难。本工程陆地施工要穿透硬粉砂层5～10 m，经综合分析[8]采用预应力钢筋混凝土方桩。方桩考虑在专业预制场预制，水上运输，在附近商港通用泊位卸船，拖车运入工地。

3.6 桩锤的选择

桩基设计按贯入度、标高、桩基承载力检测要求进行控制。选锤主要根据规范、地质资料通过试桩、检测确定锤重，也可通过附近工程以往资料，根据公式计算初步判定锤总。主要依据动测承载力公式推导，采用英标HILEY公式。公式变形后，以设计贯入度为已知条件，导出选锤的重量范围值。本工程中硬粉砂层，中密～密实，厚5～10 m，实际选用125型锤。

4 地基处理

高桩码头接岸结构受岸坡土质、整体稳定和上部荷载影响。本码头后方土层承载力低，紧邻港池，陆地与水域高差约11 m，整体稳定是设计计算中的关键点。为加强接岸结构和岸坡的稳定性，提高原地基承载力，码头平台后方的挡墙下部采用振冲碎石桩进行地基处理，碎石桩桩径800 mm，间距1 500 mm，正方形布置。

5 设计方案的确定

根据前述施工条件的分析，施工工艺确定为码头桩基陆地施工，横梁直接现浇，不再搭设满堂脚手架，纵梁和面板等构件预制安装，形成支撑面后现浇铺装层。

高桩码头排架采用5根600 mm×600 mm预应力钢筋混凝土方桩，前方设1对叉桩，桩底高程为-33．0 m。现浇倒T形钢筋混凝土横梁，底宽1．3 m，高2．55 m。预制安装钢筋混凝土T形纵梁，底宽0．5 m，高1．2 m。预制安装350 mm厚钢筋混凝土面板，并现浇150～230 mm钢筋混凝土铺装层。码头下部护坡采用100～200 kg块石护面，坡度1∶2。接岸结构基础采用碎石桩进行地基处理，上部为块石基床，现浇C30F250混凝土挡墙，挡墙后方回填块石棱体。码头结构断面见图4。

图4 码头结构断面图Fig.4 Cross section of wharf structure

6 施工对施工条件分析的验证

本工程在施工过程中，临时围堰起到了良好的挡水、止水作用，提供了干施工的环境；预应力方桩直、斜桩均穿透了5～10 m的粉砂硬层，不需水冲辅助沉桩，选锤合理，桩基检测结果符合设计要求；码头上部结构施工快速而方便。现场施工过程，验证了设计中对施工条件的分析是准确有效的。

7 结语

合理的指导性施工工艺直接决定设计方案的成立与否。本文在充分分析设计基础条件，论证并确定合理的施工指导性方案，据此进行总体设计和结构设计，切合实际，方便施工，缩短工期，节省造价，可避免施工变更、施工中预制构件浪费、施工工艺及设备重大调整、工期拖延。对于感潮河段类似条件下的码头设计可提供借鉴经验。