宮云增，鄭祺文

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461）

0 引言

在國外一些砂石料匱乏的地區(qū)建設港口工程，尤其是建設防波堤工程，造價顯著提升，而建設大型船舶停靠的碼頭工程，往往需要在深水區(qū)建設防波堤，同樣投資巨大。對一些防浪和泊穩(wěn)要求高、砂石料缺乏的地區(qū)，在技術(shù)和經(jīng)濟上均不具備建造防波堤的工程，采用鋼板樁和鋼管樁組合墻形式，在開敞水域形成自掩護的高樁碼頭結(jié)構(gòu)成為一種非常有競爭力的解決方案。只需在高樁碼頭結(jié)構(gòu)上設置組合墻結(jié)構(gòu)防浪設施，工程投資不會明顯增加，便可同時實現(xiàn)碼頭和防波堤的功能，達到靠泊和防浪的雙重目的。本文以毛里塔尼亞努瓦迪布漁業(yè)監(jiān)測碼頭和努瓦姆加單點系泊項目工程[1-2]為例，詳細論述鋼板樁和鋼管樁組合墻結(jié)構(gòu)在港口工程中的應用。并基于國際標準，闡述了類似工程的計算理論，可供類似海外港口工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介及布置

努瓦迪布漁業(yè)監(jiān)測碼頭和努瓦姆加單點系泊項目工程[1-2]建設內(nèi)容有L 形碼頭，北向碼頭長170 m，東向碼頭長200 m；碼頭通過引橋與陸域連接。碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，為了保證碼頭內(nèi)的泊穩(wěn)條件，海側(cè)設置組合鋼板樁擋浪墻結(jié)構(gòu)。

1.2 設計碼頭斷面

碼頭頂高程3.8 m，設計港池底標高-7.5 m，碼頭斷面如圖1。其中組合墻鋼管樁頂高程2.8 m，底高程-29.5 m，直徑0.914 m，厚度0.016 m，樁間距為2.23 m。組合墻鋼板樁型號AZ18，頂高程2.8 m，底高程-11.7 m。

圖1 碼頭斷面圖Fig.1 Wharf profile

1.3 設計船型

主要為1 000 噸級以內(nèi)的海岸警衛(wèi)隊工作船。

1.4 設計水位

最高天文潮位：2.3 m

最低天文潮位：0.3 m

1.5 設計波浪

設計風浪波高Hs= 1.4 m，Tp= 5 s，主浪向為東北向。

1.6 工程地質(zhì)

土層地質(zhì)分布和主要物理力學指標見表1。

表1 土層地質(zhì)分布和主要物理力學指標Table 1 Geological distribution of soil layer and main physical and mechanical indexes

1.7 設計荷載

設計荷載考慮結(jié)構(gòu)自重，15 kN/m2均載，風荷載，波浪力，水流力及船舶荷載。

2 組合墻碼頭結(jié)構(gòu)的應用

2.1 組合墻結(jié)構(gòu)方案介紹

組合墻結(jié)構(gòu)在碼頭工程的應用已在土耳其、德國、比利時及巴基斯坦等國有應用先例[3-4]，尤其在巴基斯坦卡西姆港國際集裝箱泊位二期擴建工程中，該結(jié)構(gòu)直接降低工程造價上億元，經(jīng)濟效果明顯。

本工程組合墻鋼管樁靠2 個連接的AZ18鋼板樁進行接合，形成一個整體。相鄰的鋼板樁和鋼管樁之間通過鋼管樁上的接口連接，在接口部位的喇叭形坡口焊接。組合墻斷面示意圖見圖2。

圖2 鋼板樁和鋼管樁組合墻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of steel sheet pile and steel pipe pile composite wall structure

2.2 組合墻擋浪墻結(jié)構(gòu)碼頭方案的選擇

在開敞水域建造碼頭，通常由防波堤來形成有掩護的水域，從而達到防御波浪對海域的侵襲，保證泊位具有平穩(wěn)的水域，便于船舶?？肯挡矗樌M行貨物裝卸作業(yè)和上下旅客。建造防波堤需要大量的砂石料，在原材料缺乏的地區(qū)施工，會使工程造價明顯提高，經(jīng)濟性較差。而采用自掩護高樁碼頭結(jié)構(gòu)，在工程造價不明顯增加的情況下，可實現(xiàn)碼頭和防波堤雙重功能。

2.2.1主要結(jié)構(gòu)特點

1）可同時實現(xiàn)靠泊和防浪雙重功能。對一些防浪要求高、工程規(guī)模較小、在技術(shù)和經(jīng)濟上均不具備建造防波堤的工程，具有很強的適用性，同時也為單獨的防波堤建設開辟了一種新形式。

2）結(jié)構(gòu)簡單、防浪效果好。由于該結(jié)構(gòu)形式針對波能集中分布在水體表層的特性，在該部位設置擋浪設施，形成防浪結(jié)構(gòu)。就消波效果來說，它要比一般的斜坡式、沉箱、方塊重力式等實體防波堤所耗費的工程量少，工程投資省。

3）對多種地質(zhì)條件的適用性強。對于軟土地基來說，建造重力式結(jié)構(gòu)要進行地基基礎處理，而這種處理技術(shù)的費用與樁基結(jié)構(gòu)相比，往往是事倍功半，在經(jīng)濟上不合理。通過加大鋼管樁直徑，在鋼材用量增加有限的條件下，可獲得較大的前沿泊位水深，滿足泊位深水化的趨勢[1-2]。

4）結(jié)構(gòu)強度高、受力狀態(tài)好。斷面整體協(xié)調(diào)性能好，鋼管樁強度高，對各種水平和垂直荷載的適應能力強，能很好地滿足水平抗彎和豎向承載力的要求[3-4]。

2.2.2組合墻結(jié)構(gòu)存在問題及解決方法

鋼板樁和鋼管樁組合墻結(jié)構(gòu)在施工時需要先打設鋼管樁后打設鋼板樁，施工的精度要求較高，特別是海上施工，存在一定的難度。

為了解決施工精度的問題，在設計上，鎖扣連接處保證能在一定角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，整個體系在正常的打樁偏差下，鎖扣還能緊密連接且不影響板樁和管樁的沉樁。鎖扣適應角度示意圖見圖3。

圖3 鎖扣適應角度示意圖Fig.3 Schematic diagram of connecter adaptation angle

如遇到異常沉樁偏差情況時，可根據(jù)實際偏差通過機械調(diào)整板樁形狀，實現(xiàn)順利沉樁。

在施工措施上，可以采用組合鋼板樁施工導向架，以達到定位精準，施工方便、速度快的目的。

3 基于國際標準組合墻計算

目前海外港口工程大部分要求采用英國，歐洲和美國規(guī)范進行設計，不同規(guī)范標準直接影響項目的工程量和造價。英國標準BS 6349-2 ∶2010《海工建筑物碼頭棧橋和系靠船墩設計》[5]對鋼板樁和鋼管樁組合墻結(jié)構(gòu)有所說明和規(guī)定，本項目設計要求參考歐洲標準BS EN 1993-5 ∶2007[6]附錄D。

具體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗算方法在國外港口工程中一般參考美國API-RP-2A-WSD《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造》[7]。

1）組合墻鋼管樁長度計算

根據(jù)API-RP-2A-WSD《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造》[7]中3.3.1.a 規(guī)定，壓縮和彎曲組合情況下的柱狀主樁在整個長度上需同時滿足式（1）和式（2）。

式中：Fa為容許軸向應力；Fb為容許彎曲應力；fa為計算軸向應力；fb為計算彎曲應力；下標x、y代表方向；Fe′為歐拉臨界應力；Cm為非均勻矩系數(shù)。

2）土體的穩(wěn)定安全系數(shù)取值

土體穩(wěn)定安全系數(shù)取值見表2。

表2 土體穩(wěn)定安全系數(shù)Table 2 Safety factor of soil stability

3）鋼板樁水平容許變形計算

水平容許最大位移d = h/100，式中：h為自由高度。

4 鋼板樁和鋼管樁組合墻結(jié)構(gòu)的海上施工

本工程碼頭的迎浪側(cè)均為管板組合樁結(jié)構(gòu)，為保證鋼板樁的順利振沉，施工時需嚴格控制鋼管樁的施工精度[8-9]。水上沉樁采用項目部自有的150 t 履帶吊上2 000 t 方駁組成方駁吊機組，使用APE400 振動錘和D100 柴油錘吊打施工。

為滿足鋼管樁施工精度要求，除使用通常打樁所使用的抱樁器外，還需要增加包含7 個孔位的水上固定導向架，用來確保樁與樁之間的相對位置準確。水上固定導架四周的主框架由型鋼焊接而成，采用尼龍導輪起到導向作用，導向架每個孔位的直徑比鋼管樁直徑大10～15 mm。

利用抱樁器，先精確施打1 號和2 號位置的鋼管樁，見圖4，然后將水上固定導向架與1 號和2 號位置鋼管樁連接固定，然后按照編號順序依次完成導向架內(nèi)其余鋼管樁的振沉施工。待導架中所有鋼管樁及鋼板樁安裝完畢后，再將導架移至最后一根樁上，進行下一組施工。此導向架還需兼顧板樁臨時牛腿安裝的上人平臺使用，導架外圍需布置防護欄桿。

圖4 沉樁順序示意圖Fig.4 Schematic diagram of pile sinking sequence

鋼管樁沉樁完成后，使用方駁吊機組將鋼板樁打設至設計高度后人工將鋼板樁與鋼管樁進行焊接，形成管板組合結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

目前，鋼板樁和鋼管樁組合墻碼頭結(jié)構(gòu)在國外被廣泛使用，本工程設置了組合墻擋浪墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式兼有靠泊和防浪兩種功能，對一些防浪要求高、工程規(guī)模較小、在技術(shù)和經(jīng)濟上均不具備建造防波堤的工程，具有廣泛的適用性。同時，在海外項目工程設計中，應與相關(guān)方充分溝通，了解業(yè)主需求，嚴格執(zhí)行合同及規(guī)范要求。本文介紹了通過美國API-RP-2A-WSD《海上固定平臺規(guī)劃、設計和建造》對結(jié)構(gòu)進行驗算的方法以及論述了組合墻結(jié)構(gòu)海上施工的方法，可供海外類似港口工程設計借鑒。