重力式碼頭前沿作業地帶堆載預壓技術應用與成效

劉 洋，李春陽，喬 梁

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

重力式碼頭應用廣泛，建設技術成熟，但其前沿作業地帶通常存在兩個質量通病，一是岸橋兩軌之間區域“凹陷”現象；二是岸橋陸側軌“突出”現象。重力式碼頭常采用拋石棱體[1]作為過渡結構拋填于結構后方，既可大幅度減少墻背土壓力而利于碼頭結構整體穩定[2]，也便于倒濾層結構與港區大規?；靥畈牧系氖┕?。然而，拋石棱體難以通過施工密實，塊石以散體形式不斷蠕變產生沉降，造成岸橋兩軌之間區域出現“凹陷”現象，破壞了原有排水坡度和排水方式產生積水及路面結構層開裂等，特別是岸橋兩軌間的積水反射光將干擾自動化水平運輸設備的感光元件，影響智能系統的判斷，導致定位不精準、生產作業效率降低等問題。岸橋陸側的剛性軌道基礎與軌道兩側路面基礎的不協調、港區運營初期路側基礎的沉降會導致岸橋陸側軌“突出”現象，對路面進行維修會影響正常的作業效率、造成水平運輸設備在岸橋陸側軌跳車、降低自動感應元件壽命、增加運營成本。

據初步統計，重力式碼頭建成后5 a內，碼頭后方沉降值達5～20 cm，個別達20 cm以上，產生這些沉降的主因是碼頭后方的兩軌之間通?；靥顗K石棱體的密實壓縮和地基土的固結沉降，目前對地基土固結沉降研究成果較多且應用成熟，但國內外針對塊石棱體沉降的研究與試驗較少。隨著加快建設交通強國、推動交通高質量發展的步伐，越來越多的項目開始注重工程品質，建設期常采用適當的工程措施解決長期以來存在的質量通病，如針對重力式碼頭前沿作業地帶不均勻沉降問題，采用堆載預壓措施達到運營期降本增效的目的。本文通過對重力式碼頭結構后方拋石棱體沉降理論分析，結合堆載預壓實施監測結果，得出拋石棱體沉降在附加應力下的壓縮系數取值建議，并提出堆載預壓的技術要求，實施階段嚴格執行觀測、監測、預警等安全措施。

1 工程概況

欽州港大欖坪港區某已建沉箱重力式碼頭可靠泊20萬噸級集裝箱船，采用國際通用有限元軟件PLAXIS 3D對重力式碼頭進行整體性三維空間建模分析，選擇合適的本構模型模擬土的力學特性以及土與結構之間的相互作用，預估碼頭前沿作業地帶在港區工后正常荷載使用下的最終沉降。

碼頭基槽開挖后拋填1～3 m厚10～100 kg塊石形成基床，其上安放C40鋼筋混凝土沉箱，沉箱主尺度23.92 m×15.80 m×21.00 m(長×寬×高)，寬度包括前趾寬度1 m。單件沉箱質量3 460 t。沉箱前排艙格內部分回填塊石1～100 kg(含泥量<10%)，中間艙格和后排艙格全部回填同等塊石至頂部，沉箱在前排艙格上方設置C40現澆混凝土胸墻，胸墻寬度為5.0 m，高度3.6 m。墻后設置10～100 kg拋石棱體(含泥量<5%)，棱體后依次鋪設2片石墊層、混合倒濾層及土工布2層，塊石棱體頂高程2.0 m，在塊石棱體頂面至道路底面之間區域同樣設置10～100 kg塊石棱體(含泥量<5%)，陸域其余區域回填中粗砂(φ≥30°)并振沖密實(N≥15擊)。軌道梁支撐在PHC雙樁上，樁徑0.8 m，縱向樁距2.7～4.6 m。碼頭典型斷面見圖1。

圖1 碼頭典型斷面(單位：m)

2 模型建立

建立由地基組、拋石基床、沉箱結構、混凝土胸墻、拋石棱體、軌道梁與基礎、回填砂組成的三維有限元模型，模擬碼頭墻體在施工和使用狀態下的沉降，其中拋石棱體的彈性模量為15 MPa。采用實體單元對組成部分的材料進行模擬。排水的邊界為四周、上方及底部。

由于欽州大欖坪港區地質較為均勻，只需考慮岸橋兩軌間及岸橋陸側軌兩側沉降，綜合考慮最不利荷載工況組合為“地基整體壓縮變形最大的地質+平均基床厚度1 m+使用荷載考慮堆載30 kPa”。

PLAXIS軟件的特點是按照工程建設的實施步驟分析本構的應力、位移、沉降情況，準確建立步驟模擬是分析結果精準的前提。統一實施步驟的模擬首先考慮在泥面線高程上進行初始應力平衡，其后步驟分別為基槽與碼頭前沿的疏浚、拋石基床、沉箱與胸墻結構放置、后方中粗砂回填，荷載施加環節為碼頭前沿線陸側5.0 m后施加堆載。按照以上統一實施步驟，最不利情況下的工后最終沉降值為55.33 mm。碼頭整體沉降位移云圖見圖2。

圖2 碼頭工后最終整體沉降位移云圖

碼頭結構與前沿作業地帶的地基土主要為強風化巖與中風化巖，地基的工后沉降不明顯，從圖2云圖來看，碼頭結構沉降微小，且在拋石棱體下方的地基土引起的沉降微小，僅為4～8 mm。

由此可見，兩軌間拋石棱體的沉降主要是由散體引起的壓縮沉降，對于PLAXIS有限元軟件，計算拋石棱體沉降的原理采用公式(1)[3]：

ΔH1=(Δs·H)/Es

(1)

式中：ΔH1為附加應力引起的壓縮沉降量(m)；Δs為附加應力(kPa)；H為壓縮層厚度(m)；Es為壓縮層彈性模量(kPa)。式中附加應力與壓縮層厚度取值分別為30 kPa、24.6 m。國內外文獻中極少提及拋石棱體彈性模量取值，結合文獻[4]與工程經驗，彈性模量取15 MPa，其取值的合理性將通過后續的堆載預壓的實測數據進行論證。由此可得出ΔH=49.2 mm，與PLAXIS計算結果較為吻合。綜上，欽州碼頭的地質較好，巖石層沉降極小，可忽略。PLAXIS計算的沉降結果主要是拋石棱體在附加應力下的壓縮沉降，而此沉降并非碼頭運營期的最終沉降值。

在碼頭使用過程中，拋石棱體受自重的影響自密實沉降，才是碼頭使用過程中的最大沉降值。結合國外文獻公式[5]計算拋石棱體由于散體蠕變產生自密實沉降，見式(2)：

ΔH2=αHlg(t3/t1)-αHlg(t2/t1)

(2)

式中：ΔH2為蠕變自密實沉降(m)；α為蠕變系數，為0.20%；t1為拋石棱體從開始施工至施工完畢時間，為2個月；t2為拋石棱體施工完畢至交工驗收期間，為8個月；t3為拋石棱體施工完畢至工程使用壽命，為608個月。此蠕變沉降結果與附加應力無關，只與蠕變系數與時間相關。由此可得出碼頭運營期的最終沉降值ΔH2=81.3 mm。

綜上可知，碼頭在使用期間岸橋兩軌之間最大沉降將達到81.3 mm，造成了岸橋兩軌“凹陷”明顯，岸橋陸側軌“突出”值較大。

3 堆載技術要求

3.1 堆載范圍與監測點布置要求

為解決岸橋兩軌“凹陷”與岸橋陸側軌“突出”的問題，考慮距離碼頭前沿線5.0 m起坡，總寬度為45.0 m，具體布置見圖3。

圖3 堆載預壓橫向范圍布置(單位：m)

在350 m長碼頭縱向上布置5個表層沉降觀測點，為S01～S05；布置2個表層水平位移監測點，分別為S-BZ01、S-BZ02；布置3個深層水平位移監測點，分別為S-CX01、S-CX02、S-CX03。具體布置見圖4。

圖4 測點布置

3.2 堆載時間與荷載要求

由公式(1)可知，可通過對拋石棱體加大密實程度提高附加應力值。若堆載預壓荷載為30 kPa，堆載足夠的時間，可以提前消除沉降約55 mm，即工后沉降為26 mm；若堆載預壓荷載為50 kPa，堆載足夠的時間，可以提前消除沉降約82 mm，即工后沉降理論上為0?？紤]現場實際情況，堆載時間受到工期的制約，擬定為堆載1個月，因此考慮預壓堆載頂面高程為10.0 m，堆載距離碼頭前沿線5.0 m處起坡，坡度不陡于1:2，可提供堆載預壓附加應力荷載55 kPa。

3.3 監測頻率及預警值

為確保堆載預壓過程中碼頭結構穩定安全，需加密監測頻率并且提出合理的預警值。監測頻率見表1。

表1 測點監測頻率

1)地表沉降預警。沉降速率5 mm/d；加固區邊界處的表層沉降不超過10 mm/d。2)水平位移(邊樁)預警。位移速率預警值3 mm/d，報警值5 mm/d，最大累計位移不超過200 mm。

4 堆載預壓實施與監測

4.1 表層沉降后期監測結果

堆載預壓表層沉降監測結果見表2。堆載預壓監測結果顯示，碼頭前沿作業地帶在堆載預壓1個月內總平均沉降量為91.12 mm，最小值34.23 mm，最大值150.29 mm。后10 d平均變化速率為0.84 mm/d。監測點沉降速率曲線見圖5，累計沉降曲線見圖6。

圖5 監測點沉降速率曲線

圖6 監測點累計沉降量曲線

表2 表層沉降監測結果

4.2 表層水平與深層水平位移監測結果

監測區域共布置2個表層水平位移監測點，S-BZ01號軸向水平位移速率為0.25～1.89 mm/d，軸向累計位移為74.32 mm；S-BZ02號軸向水平位移速率為0.32～2.24 mm/d，軸向累計位移為127.24 mm。在堆載預壓過程中，未達到報警值。

監測區域共布置3個深層水平位移監測點，S-CX01號位移深層水平位移最大深度13.5 m，累計最大位移為6.79 mm；S-CX02號深層水平位移最大深度11.0 m，累計最大位移為12.06 mm；S-CX03號深層水平位移最大深度10.5 m，累計最大位移為17.85 mm。在堆載預壓過程中，未達到報警值。

4.3 堆載預壓成果分析

由監測數據表明，堆載早期各監測點沉降顯著，到第20～25 d時，沉降速率大為減緩，由14.2 mm/d下降至0.8 mm/d，沉降曲線逐漸趨于平緩。

若采用公式(1)，附加應力為堆載預壓荷載55 kPa時，拋石棱體壓縮沉降值為90.2mm。實踐證明，堆載預壓一個月后各觀測點的總平均沉降量為91.12 mm，與計算值高度吻合，由此可知，針對某附加應力下拋石棱體壓縮沉降值可由公式(1)評估，且拋石棱體的彈性模量取值為15 MPa較為合理。

堆載預壓后總平均沉降量為91.12 mm，已提前消除了拋石棱體由于自重導致的沉降81.3 mm，后期碼頭沉降將非常小，解決了碼頭前沿作業地帶的質量通病問題。

5 結語

1)通過實際工程案例，重力式碼頭后方拋石棱體在附加應力下的壓縮沉降量可按照公式進行初步評估，且拋石棱體的彈性模量值可取15 MPa。

2)55 kPa的預壓荷載對拋石棱體的初期沉降影響較大，約1個月后沉降速率大幅減緩，下降至平穩值，由此可見：堆載預壓效果最好的時間段在堆載的初期；其后沉降速率大幅減緩，后續項目有條件時可考慮堆載預壓周期適當增加至1～3個月。

3)可采用拋石棱體蠕變自密實公式初步預估棱體蠕變自密實沉降值，通過壓縮沉降量公式計算附加應力值，堆載預壓荷載值可稍大于此值。

4)堆載預壓監測結果顯示，沉降值在一定范圍內的浮動，堆載預壓可消除碼頭前沿線的不均勻沉降。

5)堆載預壓可提前消除拋石棱體自密實沉降，碼頭工后沉降將非常小，解決了岸橋兩軌“凹陷”與岸橋陸側軌“突出”的質量問題。