宁波大榭招商国际集装箱码头工程设计

宁波大榭招商国际集装箱码头工程设计徐忠琨【摘要】宁波大榭招商国际集装箱码头工程在地质条件复杂、使用要求高、施工周期短等条件下,通过合理的平面布置及选择合适的水工结构型式,尤其采用70～76 m的超长组合管桩代替钢管桩以及全直桩嵌岩桩方案等技术措施,确保了工程质量和安全,加快了施工进度,实施效果良好.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2008(000)010【总页数】7页(P113-119)【关键词】组合管桩;钢管桩;嵌岩桩;桩型选择【作者】徐忠琨【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海,200032【正文语种】中文【中图分类】TU656.1宁波大榭招商国际集装箱码头工程位于大榭岛西北部，集装箱码头长度1 500 m，布置4个集装箱泊位，其中5万吨级集装箱船泊位2个，10万吨级集装箱船泊位1个，兼顾15万吨级集装箱船 (载箱量2 500万TEU)泊位1个。

码头水工结构按接纳10万吨级集装箱船设计 (兼顾15万吨级船舶靠泊)。

港区设计年吞吐量200万TEU，远期集装箱吞吐能力达300万TEU左右。

本工程自然条件复杂，码头使用要求高，工程量大，工期紧，工程设计的关键内容是水工码头的设计。

宁波大榭招商国际码头工程是在大榭岛滩地，通过围海造陆形成集装箱港区。

工程所在水域自然条件复杂，使用要求高，施工依托条件差，工期紧，具体体现在以下几个方面：2.1 岛屿自然条件复杂1）由于潮流与岛屿作用，导致岛屿附近流态复杂，深槽发育。

码头位于大榭岛西北部，场地地貌为山前海积地貌，可分为潮间带（滩涂）和水下岸坡，总体向北倾斜，东西两侧较陡，码头外侧为急流深槽，最大水深达36 m以上。

码头区设计流速为1.40 m/s。

2）码头附近水域以风浪为主，风浪频率为85.8%，常浪向为NW-NNW向，所占频率为29.2%。

50年一遇波浪(NW向)在设计高水位（1.66 m，85国家高程，下同）时，H1%=3.56 m，L=57.09 m，T=6.21 s。

3）码头区域地形起伏大，泥面高程-7～-20.0 m。

地质条件复杂，软土深厚，基岩面起伏大。

西部区域-41～-45.0 m以上均为淤泥或淤泥质土，含水率为40%～60%。

力学特性较好的硬土层顶板高程在-65～-72 m；东部局部区段靠近山体，基岩隆起，覆盖层较薄。

码头区软基段和岩基段典型地质柱状图见图1。

4）施工海域掩护较差，风、浪、流对施工均有影响，热带气旋和寒潮每年影响本地区。

2.2 码头使用要求高1）本工程建设4个远洋大型集装箱泊位，设计靠泊船型范围跨度大，从内支线5 000吨级到15万吨级超大型集装箱船舶均需靠泊。

吞吐量为200万（300万）TEU/a，法向靠泊速度0.15 m/s。

2）码头集装箱岸边吊外伸距65 m，吊具下起重能力61t，轨距35 m，工作轮压850 kN/轮。

＃1，＃2泊位采用双40 ft集装箱岸边吊，外伸距63 m，双吊具下起重能力80 t，轨距35 m，工作轮压920 kN/轮。

3）码头结构设计使用年限为50年。

2.3 工程量巨大，工期紧迫本工程码头长度1 500 m，包括4个大型集装箱泊位和6座引桥，陆域面积163.50万m2，均是通过开山回填或吹填砂形成陆域，回填总方量688万m3。

新建大堤2 727.60 m。

工程总工期为3年。

工程量巨大，施工强度大，工期紧迫。

2.4 施工依托条件相对较差先期施工的西部泊位距离岸边1 000 m以上，新建围堤、陆域开山回填、吹砂造陆及引桥、码头施工同时交叉进行，各个分项工程互相干扰大。

水工工程施工依托条件相对较差。

根据本工程的特点，码头的总体设计应充分体现“安全可靠、技术先进、施工方便、经济实用”的设计理念。

具体如下。

1）码头前沿线布置、后驳岸线布置应减小对水域的影响，满足设计船舶的安全操纵和靠离泊要求。

2）码头的平面布置应满足设计规模以及装卸到港船舶的工艺要求。

3）码头结构选型应受力明确，满足营运要求，投产后维护工作量小，能适应大型船舶靠离泊以及装卸使用要求。

4）码头结构型式应适应现场的地质、水文、施工条件，有利于施工期结构的稳定和安全。

5）码头结构型式应与施工设备能力相适应，施工方便，技术成熟。

6）积极采用科技新成果，通过必要的试验和论证，寻求最佳方案。

7）码头结构型式应在满足上述要求的条件下经济合理。

4.1 码头平面布置形式本工程位于大榭岛的西北部，码头距已建协和码头约1 200 m，距穿山水道进出口航道边线约900 m。

结合水域的水深、航道通航等自然条件、回淤分析，确定码头前沿线位置布置在-12.5～-20 m等深线处，码头方位角为N56°～236°，与水流平均夹角不大于5°。

码头采用引桥式布置，码头后方新建正堤布置在-3 m左右等深线处（局部等深线为-5～-7 m，长度约260 m），距码头前沿160 m，正堤轴线与码头前沿线平行。

根据物理模型试验合理确定码头前沿线、驳岸线位置，工程建设后对已建码头的水域影响较小，同时满足本工程设计船舶安全靠离泊的要求。

码头长度1 500 m，宽55.5 m。

码头面高程5.20 m，码头前沿设计泥面-17.50 m。

设置6座长109.5 m的引桥，连接码头和陆域。

4.2 码头结构型式依据本工程的设计条件，码头采用的结构型式是高桩梁板结构。

高桩梁板码头结构是软土地基上采用的主要结构型式，通过桩基可将结构自重和使用荷载传递到持力层，采用透空结构对水流影响小，有利于船舶靠离泊。

通过调整桩的长度，使桩基到达同一层硬土层，保证结构受力均匀。

码头上部55.5 m宽为同一桩台结构，水平承载能力强，差异沉降小，适应大型集装箱岸边吊在码头上作业。

码头排架间距为10.5 m，采用现浇桩帽节点，可在打桩后迅速形成结构单元，有利于施工期结构的稳定，适合开畅水域风浪大的特点；采用预制预应力纵横梁系，预制现浇叠合面板的结构型式，装配程度高，减少现场水上混凝土浇筑工作量，耐久性好。

轨道梁下布置3根基桩，适应集装箱岸边吊荷载大的特点，桩力较均匀。

码头结构典型断面见图2。

在平面布置上码头与新建正堤用栈桥连接，使后方约700万m3陆域形成回填和新建正堤对码头桩基的影响大为减小。

栈桥结构采用25 m跨度后张法预应力混凝土箱型梁和高性能混凝土，现场预制，拖拉法安装就位，避免了对大型起重船的依赖，加快了施工进度，提高了耐久性。

5.1 桩端持力层的选择据地质资料，场地西部3个泊位上部土层性质差，下部8-1层砂（层厚较薄）和9-1层可塑-硬塑状粉质黏土可一并选为桩端持力层。

8-1层和9-1层埋藏深度为-65～-72 m。

场地东部离山体较近，基岩隆起，基岩面起伏大。

在基岩埋藏浅，且上覆土层均为软土，或者基岩面上虽然有坡洪积层分布，但其厚度很小的地段，选择中风化基岩面作为桩端持力层，桩端全断面嵌岩。

5.2 桩基选型5.2.1 西部3个泊位（厚软土层段）桩基选型因于持力层埋藏很深，一般桩长在70 m以上，最长达76 m。

钢管桩强度高，承载力大，重量轻，抗击打能力强，在此条件下，采用φ1 200钢管桩是较好的选择。

但钢管桩造价较高。

另外可供选择的桩型是后张法预应力混凝土大管桩。

后张法预应力混凝土大管桩（简称大管桩）是20世纪80年代中期研制成功的一种桩型。

大管桩具有强度较高、抗渗性能较好、耐捶击性能强、造价较钢管桩低的特点，从1988年开始在码头等工程上应用，至今已用于30多座码头的桩基。

但大管桩也有抗弯能力较弱、自重较大的缺点；当桩长大于60 m时，超过打桩船的起吊能力；水深较大时，桩在施工期的稳定不易满足。

为了适应打桩船的起吊能力，拟采用组合管桩，上部56 m φ1 200大管桩+下部14～20 m φ938钢管。

上部采用B1-1型大管桩（双绞），混凝土强度等级C60，配置32根φ15.2标准强度为1 860 MPa的低松弛钢绞线，抗裂弯矩1 150 kN·m。

同时,对大管桩与钢管的接头进行加强。

根据《港口工程桩基规范》4.2.1条，单桩承载能力应根据静荷载试验确定。

本工程选择＃5引桥与码头连接处进行1组共3根试桩。

其中试桩1为φ1 200半闭口桩尖钢管桩，桩长73 m；试桩2为φ1 200大管桩(52 m)+φ1 200钢管（19.5 m）(半闭口桩尖)组合管桩；试桩3为φ1 200大管桩(60 m)+φ938钢管（4.5 m）组合管桩。

通过3根试桩的静荷载试验，试桩成果见图3～5。

其单桩的极限承载力分别为：试桩1≥13 500 kN，试桩2≥12 000 kN，试桩3≥10 500 kN。

对试桩结果进行分析，试桩1和试桩2桩尖半封闭，打桩较困难。

考虑到码头区实际泥面比试桩区更深，采用组合桩试桩3的成果作为桩基设计依据，单桩极限承载力确定为10 500 kN，可满足码头桩基承载力的要求。

吊运试验结果显示，试桩3在吊立过程中弯矩比较均匀 (图6)，桩的吊点位置布置合理，满足施工打桩时的要求。

采用组合管桩代替钢管桩经济效益显著，以码头1 680根桩计算（按2007年价格计），平均桩长以72 m计，组合管桩为14万元/根（包括制作、打桩和防腐），共23 520万元；钢管桩为24万元/根，共40 320万元。

采用组合管桩可节省投资16 800万元，目前钢材大幅涨价，经济效益更为可观。

从以上试验和分析可知，采用φ1 200大管桩+φ938钢管的超长组合管桩作为软土区码头桩基技术上可行，因此，确定码头桩基采用组合管桩。

5.2.2 东部1个泊位（浅覆盖层段）桩基选型东部基岩段采用高桩码头结构型式时，桩基必须嵌岩。

针对该区域条件提出2个码头结构方案：方案1桩基采用φ1 200钢管桩，桩尖全断面嵌岩，排架间距10.5 m，上部结构同西部码头；方案2采用全直桩，桩径2.3 m，嵌岩直径2.1 m。

方案1：桩基直径小，嵌岩量较小。

施工期稳定性差，需进行斜桩嵌岩。

目前斜桩嵌岩采用的是全断面钻进法，钻头为耐磨硬质合金契齿或珠齿滚刀型钻头，气举反循环排渣。

该钻孔法的优点是机械化程度高，对周围基岩影响小；但大直径嵌岩钻机需具有较大的压力和扭矩，一般采用进口设备，钻孔速度慢，钻头消耗大，施工进度不能满足工期要求。

由于设备重量大，对施工脚手平台要求很高，工程造价很大。

方案2：桩基直径大，嵌岩量较大，利用嵌岩桩的抗弯能力承受水平荷载。

施工期稳定性好。

对直桩嵌岩一般采用钢丝绳吊冲击锤（五瓣实心锤）将岩石冲碎后，气举反循环排渣。

冲击锤的特点是设备简单，施工速度快，锤刃强度高，可以焊接修补，对施工脚手平台要求较简单。

嵌岩桩钢套筒直径大，可兼作施工平台承重结构，施工期稳定，安全有保障。

综合比较2个方案的优缺点，确定采用全直桩方案2，其具有设备简单、施工期风险小、质量可靠、工期短等优点。