重力式码头施工工艺与计算分析

邓波

中交二航局第一工程有限公司 湖北武汉 430000

摘 要：在一带一路政策引领下，东南亚与中国贸易越来越频繁，海上贸易带动港口施工发展，因其施工工艺成熟确保能够快速建造进而得到广泛使用。本文以马塔普项目为例，对重力式码头抗滑、抗倾稳定性分析，研究表明：波浪力荷载对码头可靠指标影响很大，另外主要介绍重力式方块码头施工工艺和要点，为相似工程提供借鉴。

关键词：方块码头；稳定性；施工工艺

1.引言

目前广泛使用码头形式有：高桩式码头、板桩式码头、以及重力码头。高桩式码头桩基顶部需要超过最高潮位，承载能力大且结构简单，比较适合地基较软部位，因其抗震能力较弱对锚定设施利用程度较大。重力方块码头将自身重力与填料重力结合起来，采用装配式施工方式，施工工艺简单，结构坚固耐用且后期维护较小。

在海湾项目中，地质条件相对较好时，针对方块重力式码头应用进行整体分析，从施工安装出发，本文以泰国马塔普项目为背景，进行方块码头施工工艺和计算分析探讨。

2.工程概况

马达普工业港三期开发项目是泰国东部经济走廊（EEC）发展规划下的重点基础设施工程项目之一。工程地点位于泰国罗勇府马塔普工业港内，距离曼谷约160 KM，约2.5小时车程。主要波浪方向来自西南—西太平洋来自该方向的波浪通常Hs <2.0m， 该方向的平均Hs为0.75m，根据招标文件地质勘探数据结果地质为松散砂、粉细砂、黏土砂等。

码头为重力式方块结构，长度为20m,宽度为30m，码头A平面图如图 2 -1所示，主要负责石料出运过程，码头面高程为+4.0mPD。海底高程为-4.0mPD。方块尺寸为2m×1.5m×1m,重量约为7t。面层为20cm厚混凝土，长20m，宽15m。可同时考虑2辆40t自卸车实施卸料作业。

图 2‑1 方块码头A布置图

3.码头稳定性分析

（1）自重力力矩结果

当方块码头遭遇极端高水位（+2.83m）时，根据混凝土方块码头水上、水下重度以及尺寸，计算每层方块混凝土的重量，得出每层方块码头稳定力矩，其中每层方块码头稳定力矩见表 3 -1。

表 3‑1 每层方块力矩计算

Mi 层号	M1	M2	M3	M4	M5	M6	M每层
第一层	247.2						247.2
第二层	271.92	104					375.92
第三层	296.64	114.4	104				515.04
第四层	321.36	124.8	114.4	104			664.56
第五层	346.08	135.2	124.8	114.4	104		824.48
第六层	370.8	145.6	135.2	124.8	114.4	104	994.8

（1）主动土压力计算

依据《码头结构设计规范》JTS167-2018中附录N中，填料内摩擦角ψ为45⁰，地面与水平面角度β为0，可以得出单一填料产生主动土压力破裂角θ为22.5⁰；被动土压力系数K_p为5.827；主动土压力系数为K_a为0.172。

当方块码头遭遇极端高水位（+2.83m）时，根据混凝土方块码头回填料水上、水下重度以及尺寸，计算每层填料上下土压力强度，得出每层填料土压力合力水平分力，其中，每层土对方块码头倾覆力矩见表 3 -2。

表3‑2 土压力倾覆力矩计算

Ehi 层号	MH1	EH2	EH3	EH4	EH5	EH6	∑
第一层	2.04						2.04
第二层	5.76	2.56					8.33
第三层	9.48	8.02	3.53				21.02
第四层	13.20	13.47	10.87	4.43			41.97
第五层	16.92	18.92	18.21	13.67	5.41		73.13
第六层	20.63	24.37	25.56	22.91	16.58	6.25	116.30

（2）波浪力计算

波浪对直墙式建筑物作用采用《海港水文规范》（JTJ145-2-2013）8.1.节，可以判别基床直墙式建筑物的波态为近破波，波长为45.7m。计算结果如表 3 -3所示。

表 3‑3 波浪基本参数

波浪基本参数
名称	简称	单位	值	备注
波高	H	m	0.91	波峰到波谷的垂直距离
波浪周期	T	s	8.00
水深	d	m	6.70	静水面到海底的垂直距离
基床高度	d1	m	1.00
判别条件	d1/d		0.15
基床类型			高基床
波浪爬高	Z	m	0.78
波浪压强	ps	KN/m2	21.25	静水面处
波浪压强	pb	KN/m2	12.75	墙底处波浪压力
浮托力	Pu	KN	17.85

图 3‑1 方块码头波浪力示意图

直墙式建筑物近破波的波浪力按照用《海港水文规范》（JTJ145-2-2013）8.1.节，静水面以上高度z处波浪压力强度为0，按照下式计算：

静水面处波浪压力强度p_s按下列公式计算：

墙底处波浪压力强度p_b按下列公式计算：

墙地面上波浪产生的浮托力按下式计算：

当方块码头遭遇极端高水位（+2.83m）时，计算波浪对每层块石波浪压力强度，得出每层方块码头受到波浪力，其中，每层波浪对方块码头稳定力矩见表 3 -4。

表 3‑4 层波浪力力矩计算

Mhi	Mh1	Mh2	Ｍh3	Ｍh4	Ｍh5	Ｍh６	∑
层号
第一层	8.49						8.49
第二层	25.54	10.06					35.61
第三层	43.79	29.80	9.27				82.86
第四层	62.03	49.53	27.45	8.48			147.49
第五层	80.27	69.27	45.63	25.10	7.69		227.97
第六层	98.52	89.00	63.81	41.73	22.76	6.90	322.72

（3）地面载荷计算

主要起重设备为150t履带吊，吊车沿码头前沿线顺向布置，履带距离边缘1.5m-2m，偶尔临时起吊5-10T物体，卡车运输40T石料，卡车倾倒石料装船，共重100t。混凝土面板平面尺寸（5m×12m），可以得出地面均布荷载标准值q=16.33kPa.

依据《码头结构设计规范》JTS167-2018中，第n层填料层可变作用土压力水平分力：

e=q K_q K_a

其中kq =K_q=

其中可变作用土压强度为2.75KN。计算码头上部施工机械对每层块石压力强度，得出每层方块码头受到可变作用力，其中每层波浪对方块码头稳定力矩见表 3 -5。

表 3‑5 每层可变载荷力臂计算

Ehi	MH1	EH2	EH3	EH4	EH5	EH6	∑
层号
第一层	3.74						3.74
第二层	8.28	1.38					9.66
第三层	12.82	4.13	1.38				18.32
第四层	3.74	6.88	4.13	1.38			16.12
第五层	17.36	9.63	6.88	4.13	1.38		39.36
第六层	21.89	12.38	9.63	6.88	4.13	27.79	82.68

3.2码头稳定分析

（1）考虑波浪作用，波浪作用为主导可变作用，用下式计算：

抗滑稳定：γ₀（γ_EE_H+γ_EP_qH+ψγ_pP_B）≤1/γ_d(γ_GG+γ_EE_V+γ_EEq_V+ψγ_uP_Bu)f

抗倾稳定：γ₀（γ_EM_EH+γ_EM_EqH+ψγ_pM_PB）≤1/γ_d(γ_GM_G+γ_EM_EV+γ_EM_EqV+ψγ_uM_PBU)

（2）不考虑波浪作用，系缆力为主导可变作用，用下式计算：

抗滑稳定：γ₀（γ_EE_H+γ_PRP_RH+ψγ_EE_qH）≤1/γ_d(γ_GG+γ_EE_V-γ_PRP_RV+ψγ_EE_qv)f

抗倾稳定：γ₀（γ_EM_EH+γ_PRM_PR+ψγ_EM_EqH）≤1/γ_d(γ_GM_G+γ_EM_EV+ψγ_EM_Eqv)

计算可知方块码头在主动土压力和波浪远离码头产生附吸力的作用下，码头整体抗滑和抗倾能够满足规范要求。

4.方块码头施工控制及工艺要点

4.1 方块码头施工工艺

重力式方块码头施工工艺包括：施工准备→测量控制→基槽挖泥→基床抛石→基床夯实、整平（细平和极细平）→方块预制→方块安装→棱体、倒滤层（水下）→回填土（水下）→棱体、倒滤层（陆上）→回填土（陆上）→现浇胸墙砼→场地土回填→现浇砼路面→码头附属设施安装。其中最为关键因素包括基床开挖整平、方块安装、回填土及面层施工、附属设施安装四部分组成。

（1）基床夯实整平

施工前根据图纸和工程师的指定在现场布置临时码头边界点。将抛理的区域分成若干个抛填单元网格，计算出每个网格内需要抛填的石料数量，并绘制成抛石施工控制网格图。码头石料在本工程的临时码头上料,采用开体驳运其至现场在指定区域进行抛填，方驳上配一台装载机通过方驳上架设的漏斗对初抛区域进行细抛，防止漏抛。抛石基床的夯实整平施工包括：基床粗平→基床夯实→基床细平，三个工序按分段流水作业。

（2）预制块安装

码头方块安装采用吊车配合夹具进行预制块安装，由于方块安装大部分在水下进行，而且大多有凸凹槽，因此安装的关键在于准确安装最底层方块。通过在水面用倒垂法控制定位。底层方块安装前，在方块的四角处的预埋件上焊接四个垂直的细钢管露出水面，又测量员通过全站仪对4根装有浮球的钢管中的细钢丝进行定位校核。校核准确后将钢管解除。底层方块就位后，还需检查顶面标高及四角的安装是否准确。底层往上的各层方块安装，均以下层方块的前沿线为控制基准，复核顶面和四角。当方块顶面出水之后，即可直接进行测量控制，如图 4 -1。

图 4‑1 方块码头安装

方块安装完成后,再进行背后块石的回填，临时码头接岸陆域区采取陆上挖机推填，主要施工方法为：施工准备→石料装车、运输→自卸车卸料→装载机推填整平→现浇砼→模板拆除→切缝→养护→灌缝等9道工序。

（3）面层施工

采取挖机整平后，进行码头上部面层施工，施工艺流程主要分为：施工准备→垫层铺设→测量放线→模板支立→现浇砼→模板拆除→切缝→养护→灌缝等9道工序。

碎石垫铺筑完成后，按设计要求进行碾压密实，施工时沿码头前沿方向纵向分条施工，分条宽度1m，采取跳仓式施工，测量人员放出分条边线位置立钠筋棍拉线绳，在钢筋棍上标出模板支立顶面标高，根板由槽钢办允钢制作。

基础垫层施工完毕后,采用全站仪和50m钢尺按照设计图纸要求尺寸进行定位放线。确定无误后在每一个地锚桩位置处用油漆做0150mm圆圈，确保施工中不发生偏移、移动。

图 4‑2地锚施工

（4）附属设施安装工程

本工程的附属设施包括橡胶护舷、护轮坎、系船柱、爬梯及栏杆等，均采用螺栓或电焊预埋件连接，安装做到牢固、位置准确。材料品种、型号、质量以及系船柱的结构必须符合设计要求，并提供铸件材质或出厂合格证。按设计要求在加工场的制作平台上进行下料、制作，制作成形后按设计要求进行除锈与涂刷，运至码头现场用汽车吊安装。栏杆在码头平台上下料、焊接，然后焊在栏杆预埋件上，除锈、油漆。安装时，护舷与码头接触面应严密，固定护舷的螺帽应拧紧，螺栓外露2_~3扣，螺栓顶端应缩进护舷内，螺栓预埋深度应符合设计要求。

（5）施工重点

控制顶标高：抛石施工前取L=10 m作为试验段按10%预留沉降进行试抛试夯，以实测夯沉量作为其他区段预留夯沉量的标准，确定基床抛石控制顶标高，其中槽顶设向岸侧1：150的横坡，抛石顶面不得超过施工规定的标高并不低于施工规定高程50㎝，基床顶宽不小于设计宽度。

细平宽度应为基槽底宽（基床前肩到底层方块后墙向外2m）。基床整平标高设计考虑永久沉降量及1/150的向岸侧倾斜坡度，整平顺序由北向南进行。分段整平的基床应留不小于2 m的搭接长度，防止遗漏。

安装前必须对基床进行检查，基床面不得有淤泥积物。方块安装时，潜水员应水下检查，以摸清方块上下缝宽、相邻错牙及与基床面接触的平整度是否符合技术要求，否则要进行调整。不得在方块底部加垫块调整偏差，避免产生集中应力,造成构件断裂。每块方块安装前须清除下层方块上的碎石碎渣。

每个方块安装完毕、抽出吊杆前，均需采用不同的测量控制方法对其安装位置进行复核，确认准确无误后方可解除吊索，否则起重船必须再次吊起方块，重新就位，方块按阶梯状推进安装，但上层加载时间不宜过迟。

抛填施工应结合沉降观测资料控制抛石进度,避免加荷过快。设置沉降盘定时进行沉降观测并及时报告监理工程师。并监测方块的位移情况,回填过程中发现位移大于1cm,立即停止施工并上报监理工程师。提心石理坡前由测量人员采用GPS测设顶面高程,设置标高控制桩,抛石人员根据测量控制点进行回填。 

5.结论

总上所述，重力式码头设计与施工应符合规范要求，在施工过程中根据具体施工工艺进行优化，确保方块码头能够安全可靠。于此同时，随着现代技术信息化不断发展，在施工过程中将GPS、水下影像融入至各个环节中，能够促进方块码头安装施工质量和施工效率。

【参考文献】

1. 徐河. 重力式方块码头施工工艺探讨[J]. 珠江水运,2018,(15):31-32.

2. 胡晨,杨玲. 重力式方块码头施工工艺和质量控制措施研究[J]. 珠江水运,2019,(07):37-38.

3. 刘思阳,孟祥成. 重力式方块码头施工工艺分析[J]. 中国水运(下半月),2018,18(11):137-138.

4. 丁建军,卢生军,李少斌. 不均匀沉降影响下的方块码头胸墙内力有限元分析[J]. 水运工程,2018,(05):78-83.

5. 刘芸芸,贡金鑫. 有波浪力重力式码头稳定性可靠指标的简化计算[J]. 水运工程,2014,(09):64-70.

6. 姚华锋. 海外港口项目中重力式方块码头施工工艺分析[J]. 中国水运(下半月),2018,18(02):147-148.