吉布提牲畜码头结构设计方案比选分析

潘晓博

（招商局港口集团股份有限公司，广东深圳 518000）

1 工程概况

工程位于非洲东北部亚丁湾西岸吉布提共和国的大马角地区，距吉布提与索马里的边境约5 km，距吉布提市中心约20 km。建设内容包括：陆上汇集区、2.2 km引堤及码头工程，码头工程为25 000 DWT的码头岸线863 m，主要用于牲畜上下船。

2 自然条件

2.1 设计水位和波浪

吉布提位于亚丁湾和红海交接地带，属于热带沙漠干旱气候，常年海水温度较高，且潮差较小，适合珊瑚的生长发育。码头设计高水位2.94 m，设计低水位0.82 m，极端高水位3.70 m，极端低水位0.00 m。5年一遇波高H1%=1.85 m，平均周期8.35 s；100年一遇波高H1%=2.14 m，平均周期8.35 s。工程区域波浪较小，潮流较弱。

2.2 地质条件

据相关勘测，码头区天然水深在-10～-11.0 m之间，土层分部较为均匀。表层为7～8 m厚的沉积淤泥、砂、黏性土等土体的混合，强度较低；表层下方的-18～-35 m高程之间为④-1珊瑚礁灰岩（弱胶结），多呈半成岩状，孔隙较多，胶结能力差；-35 m以下为④-2珊瑚礁灰岩，土体较密实，孔隙较少，胶结较好，强度较高，是良好的地基持力层。

3 水工结构设计方案

码头工程区域的风、浪、流均较小，勘察钻孔揭示的土层分布较为单一，这给码头结构选型带来了更多的可能性。本文结合工程设计和实施情况，重点对钢管板桩方案、重力式沉箱方案、钢管桩方案、大直径钢圆筒方案等进行比较分析。

3.1 钢管板桩方案

钢管板桩结构由前墙+锚定体系组成，前墙结构采用钢管板桩组合体系，该体系由φ1 200钢管桩（两侧带板桩锁扣）、U型钢板桩、上部导梁胸墙组成；钢管桩纵向间距3.5 m（码头宽度48 m）、2.75 m（码头宽度22.1 m），壁厚22 mm，桩顶高程为2.85 m，桩底高程-26 m。钢板桩位于钢管桩间，壁厚15 mm，采用U型板桩，桩顶高程2.85 m，桩底高程-17.5 m。锚定体系为钢拉杆，拉杆间距3.05 m，直径75 mm，由拉杆、铰及张紧器组成。钢管桩后方回填开山石，码头面层采用高强连锁块结构。施工顺序为：

1）清理表面的淤泥层；

2）安装管桩和板桩；

3）回填至-12 m；

4）核心区域回填至2.5 m；

5）通过强夯法压实核心区域；

6）安装横拉杆；

7）侧边区域回填至2.5 m；

8）建设顶部横梁然后继续回填至4.55 m（预留0.4 m沉降）；

9）码头面施工；

10）安装系船柱、护舷、楼梯及其他码头设备；

11）安装灯杆、铺设路面。

此方案施工工期约1年。

双层钢管板桩组合墙方案典型断面如图1。

图1 双层钢管板桩方案典型断面示意

3.2 重力式沉箱方案

采用方沉箱结构，沉箱尺寸为长×宽（不含趾）×高=11.0 m×10.0 m×14.65 m，重量约为850 t，码头前沿底高程-12.0 m，持力层-19.0 m。在863 m岸线上，较宽的码头两侧采用沉箱，而在端部较窄处采用高2 m、长10 m的预制素混凝土块体进行安装封堵。施工采用1 000 t起吊能力的起重船进行移动安装。施工包括基槽开挖，基床抛填打夯，沉箱的安放及回填，辅助设施安装等，共67个沉箱，工期约2年。重力式沉箱方案典型断面如图2所示。

图2 重力式沉箱典型断面示意

3.3 大直径钢圆筒方案

大直径钢圆筒结构方案源于大直径圆筒和格形钢板桩结构，利用厚度为20 mm的钢板卷材制作薄壁结构的圆筒及半圆筒，采用震动式液压锤将钢圆筒结构单元打入沙土中，内部回填块石形成墙体。码头结构主体格体由圆筒和半圆筒组成。圆筒直径15.0 m，半圆筒为圆弧形，半径2.305 m，两圆筒中间距为16.8 m，每个圆筒重量为163 t，在端部码头处最大为235 t。每个半圆筒重量为25 t，端部码头处最大为40 t。圆筒和半圆筒之间采用预制锁口进行连接。施工方面，本方案用500 t吊船吊运钢圆筒单元（起吊以辅助支架），用大型液压振动锤打设圆筒。工期约1年。大直径钢圆筒方案典型断面如图3所示。

图3 大直径钢圆筒方案典型断面示意

3.4 钢管桩方案

钢管桩承台方案桩基结构采用Φ1 000钢管桩（壁厚δ=18 mm），每榀排架8根桩，包括一对斜桩，斜率为4.5:1。排架间距为8.0 m，持力层选择在珊瑚礁灰岩层，桩尖选择在约-28.0 m高程处。码头上部结构采用现浇结构。结合结构耐久性设计，梁格面板均采用C45高性能钢筋混凝土结构，并在现浇结构底部迎水面全部涂覆硅烷进行防腐。现浇的横梁及纵向联系梁的断面分别为2.0 m×1.6 m、2.0 m×1.2 m。面板为钢筋混凝土叠合板，板厚0.55 m。系泊设施采用800 kN系船柱，码头前沿安装H1450一鼓一板标准型橡胶护舷，平均间距均为16.0 m。施工方面，本方案必须用到的大型设备有D100以上柴油锤打桩船用于水上沉桩，工期约1年半到2年。钢管桩桩基承台方案典型断面如图4所示。

图4 钢管桩桩基承台方案典型断面示意

3.5 结构方案综合比较

结构的造价采用了当地的建材信息以及当地的人工价格，造价所计为码头范围内的工程量。除钢管桩和钢圆筒在国内采购并运至现场外，其他钢筋水泥砂石料等均采用当地建材。结构方案综合比较情况见表1。钢管板桩方案由于结构稳定，施工速度快，性价比高被选为最终实施方案。

表1 结构方案综合比较

4 钢管板桩结构方案计算分析

根据使用要求和自然条件，对钢管板桩结构方案建立模型进行结构受力计算。计算软件方面，结构在施工期和使用期的位移、构件的内力计算均采用岩土PLAXIS软件，在踢脚稳定计算中采用了“易工板桩码头设计程序”进行计算。作用效应组合方面，采用中国规范组合，包括：持久工况、地震工况、短暂工况；荷载组合的分项系数，对于构件计算采用综合系数法，对于整体计算采用了分项系数法。

4.1 码头主要构件受力计算及踢脚稳定性分析

主要考虑使用期的工况，钢管桩最大弯矩、剪力，以及钢拉杆最大轴向拉力、应力由Plaxis分析结果获得。计算结果表明钢管桩和拉杆产生的最大应力均小于钢结构的允许应力值，构件安全，前钢管桩满足桩力，结构的踢脚稳定满足要求。

表2 使用期码头结构计算结果

图5 使用期每延米板桩轴力分布情况

图6 使用期每延米板桩弯矩分布情况

4.2 结构位移分析

考虑到施工过程中可能存在的静水压差，在施工和使用阶段都考虑了双层钢管板桩组合墙的结构位移。施工期时，分别考虑了开挖打桩后位移、回填块石至底层时位移、回填块石至-9 m位移、回填块石至-6 m位移、回填块石至-3 m位移、回填块石至码头面时位移；使用期时，归零处理施工完毕后板桩墙的位移，考虑后期结构在受到系缆力、均载及波浪力等非施工期的荷载作用下产生的位移。经计算得，施工期前板桩最大位移53 mm，在使用期前板桩最大位移23 mm。

图7 施工期开挖打桩后位移

图8 施工期回填块石至-3 m位移

图9 施工期回填块石至码头面位移

图10 使用期水平位移

4.3 岸坡整体稳定核算

使用计算机程序Slope/W检查结构和保留土的一般剪切滑动，采用圆弧滑动法分析岸坡整体稳定性，对每个泊位的设计断面进行计算，岸坡整体稳定性在使用期、地震期均满足相关规范要求，且安全系数较大，工程岸坡整体稳定。

5 结语

通过对码头结构方案的分析，比较各种结构方案后可知，钢管板桩利用了钢管桩较强的土层穿透能力和板桩结构的挡土作用，节省了钢材的用量，保证了主体结构安全可靠，避免了重力式码头大开挖大回填的工序，充分利用了各种构件的优点，缩短工期，节省造价，综合各方面因素更具有优势。随着我国近年来在海外项目的不断拓展和高强度钢材的普及使用，在类似工程中可考虑钢管板桩结构。