重力式沉箱碼頭沉降觀測及分析預(yù)測

譚彬政

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣州 510000)

近年來，隨著海外市場地不斷擴(kuò)展及設(shè)計施工技術(shù)地不斷進(jìn)步，海外工程逐漸形成大型化、精細(xì)化及品質(zhì)化的趨勢。對于大型港口碼頭工程，重力式碼頭因其具有能夠承載較大地面超載及船舶荷載的特點而最為常見。重力式碼頭一般建于地基較好的場地，對于地基較差的情況，可通過合適的地基處理以達(dá)到設(shè)計使用要求，但是對于重力式碼頭來說，出現(xiàn)沉降是不可避免的，且沉降不僅出現(xiàn)在施工過程中，而且貫穿于整個結(jié)構(gòu)的使用壽命周期。重力式碼頭結(jié)構(gòu)的沉降是施工過程和運(yùn)營期的重要監(jiān)控點，使用期的沉降過大不僅會影響碼頭的平整及美觀性，還會造成碼頭前沿的門機(jī)或集裝箱裝卸橋的前后軌道高差過大，影響正常的生產(chǎn)運(yùn)營。

周文[1]和楊建華[2]結(jié)合實際的重力式碼頭施工過程對沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析；郭守謙[3]重點對重力式碼頭沉降監(jiān)測方法及技術(shù)要求進(jìn)行探討，并通過沉降數(shù)據(jù)的分析對實際的施工起到了指導(dǎo)性的意義；陸云鵬等[4]基于安哥拉某重力式碼頭的沉降數(shù)據(jù)的分析，得出應(yīng)在沉箱安放完成后的兩個月才能進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工的結(jié)論；陳振道等[5]結(jié)合斯里蘭卡某重力式沉箱碼頭的沉降位移特性，指出應(yīng)在沉箱及回填砂施工完成后三個月才可進(jìn)行后續(xù)上部結(jié)構(gòu)的施工。田雙珠等[6]結(jié)合大量的工程實踐，提出了對碼頭沉降監(jiān)測的相關(guān)措施；劉亮等[7]針對天津港區(qū)的沉降分析，得出各監(jiān)測區(qū)的沉降規(guī)律，并提出了沉降控制起算點的選取建議。侯勇等[8]通過提高高程、優(yōu)化地基處理和采用可調(diào)軌道系統(tǒng)等方法較好地控制了重力式碼頭后軌道基礎(chǔ)的沉降。

但上述文獻(xiàn)均沒有結(jié)合理論計算方法對碼頭未來使用期的沉降進(jìn)行探討研究。本文以某新建集裝箱重力式沉箱碼頭工程為例，在對碼頭各施工階段的沉降進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出進(jìn)一步減少工后沉降的措施，并通過實測數(shù)據(jù)的公式擬合方法和理論公式計算方法的對比研究，對碼頭未來使用期的沉降進(jìn)行探討預(yù)測。

1 工程概況

該工程為15萬 t級集裝箱碼頭，水工結(jié)構(gòu)為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土胸墻，沉箱的基礎(chǔ)為10～100 kg拋石棱體，沉箱內(nèi)回填中粗砂。沉箱單個重量為3 200 t，箱內(nèi)共16個倉格。沉箱頂標(biāo)高為+1.0 m，沉箱上現(xiàn)澆混凝土胸墻，碼頭面頂高程為+3.50 m，碼頭前沿港池設(shè)計底高程為-18.0 m，拋石基床的頂高程為-18.5 m，拋石基床前沿回填砂，并在回填砂上拋填塊石作為前沿護(hù)底，拋石護(hù)底頂標(biāo)高為-18.5 m。碼頭前沿的設(shè)計均載為30 kPa。集裝箱裝卸橋的前軌道安裝在混凝土胸墻上，后軌道基礎(chǔ)為樁基結(jié)構(gòu)。

圖1 碼頭斷面圖(單位：m)Fig.1 Cross section of wharf

碼頭區(qū)域的地質(zhì)主要分布如下：①淤泥，標(biāo)高-14 m至-25 m；②細(xì)砂-粗砂，中等密實，標(biāo)高-25 m至-44 m；③粘土，堅硬-極堅硬，軟塑-可塑，標(biāo)高-44 m至-51 m；④砂混粘性土，中密-密實，標(biāo)高-51 m至-52 m。首先需對碼頭區(qū)域的表層淤泥進(jìn)行開挖換填中粗砂，并對換填砂進(jìn)行振沖處理，最后再在回填砂層頂部拋填塊石形成沉箱的拋石基床，并對拋石基床進(jìn)行夯實處理。

2 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)概述

沉降觀測點安設(shè)在沉箱的四個角點上，觀測時間間隔約為一周，在沉降較大的時期將會進(jìn)一步加大觀測密度。

沉箱施工工序為：(1)開挖基槽；(2)在基槽拋填塊石形成基床并夯實；(3)安放沉箱；(4)回填中粗砂；(5)澆筑胸墻。

在沉箱安裝及回填中粗砂后的沉降如圖2所示。在完成沉箱安裝及回填中粗砂后，沉降明顯增大，沉降速率較大。在回填中粗砂完成后約3個月的時間，沉降速率曲線趨于平緩，沉降基本穩(wěn)定，3個測點的沉降變化趨勢類似，最大累積沉降在117～128 mm。因此在施工進(jìn)度計劃中需要結(jié)合項目實際情況預(yù)留至少3個月作為沉降期[9]，在沉降達(dá)到穩(wěn)定后方可進(jìn)行后續(xù)的上部結(jié)構(gòu)施工。當(dāng)沉降超出預(yù)期較多，應(yīng)及時查找原因，其中主要考慮的原因是地質(zhì)出現(xiàn)變化，沉箱下方底層可能存在軟弱夾層未被揭示。但是這時如果不具備移動沉箱并重新對其地基進(jìn)行處理的條件下，可以優(yōu)先考慮在沉箱頂進(jìn)行堆載預(yù)壓以達(dá)到減少工后沉降的目的。在拋石基床整平時，也可預(yù)留一定沉降量，再進(jìn)行后續(xù)的沉箱安裝[7]。

圖2 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計 圖3 胸墻澆筑后的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

考慮到未來使用期對碼頭沉降的敏感性，除了需要在沉箱沉降穩(wěn)定后再澆筑胸墻之外，由于胸墻在澆筑過程中也會產(chǎn)生一定的沉降，還可通過在胸墻高度上分段澆筑的方法來最大限度降低不均勻沉降的影響。本項目胸墻分3段澆筑，預(yù)留上部面層在沉降穩(wěn)定后再最后澆筑。分段澆筑胸墻一方面可以消除部分不均勻沉降，另一方面也可以降低胸墻澆筑時的溫度，以減少溫度裂縫。胸墻澆筑后的沉降如圖3所示，圖3中的兩個陡降段分別對應(yīng)兩段胸墻澆筑。在第二段胸墻澆筑兩個月后，沉降基本穩(wěn)定，胸墻產(chǎn)生的沉降約為10 mm。由于相對于沉箱安裝及回填中粗砂所產(chǎn)生的沉降來說，胸墻澆筑過程中的沉降相對較小和達(dá)到穩(wěn)定的時間也較短，因此在胸墻澆筑前后需要提高沉降監(jiān)測的頻率，以供后續(xù)的數(shù)據(jù)擬合分析。

3 理論公式計算沉降及監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合法對比

根據(jù)《海港工程設(shè)計手冊(中)》[10]對港口起重機(jī)軌道安裝技術(shù)條件要求，安裝維修允許的軌道頂面高低誤差△H為L/1 000(mm)，其中L為前后軌道的中心間距，對于L=30 m，則△H=30 mm。由于后軌道采用樁基礎(chǔ)，其沉降一般很小可忽略[11]，可通過使?jié)仓那败壍佬貕Ω哂谠O(shè)計標(biāo)高30 mm，則前沿軌道的交工使用期的沉降只要滿足60 mm以內(nèi)即可滿足未來集裝箱裝卸橋的正常運(yùn)營要求。對于該項目的碼頭使用期的沉降可以通過理論計算公式和實測數(shù)據(jù)擬合法進(jìn)行估算。

3.1 基于理論公式計算沉降

碼頭使用期的沉降主要包括粘土主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和砂土蠕變沉降。

(1)粘土的主固結(jié)沉降。

粘性土的主固結(jié)沉降可按如下公式計算

(1)

(2)

(3)

(2)粘土的次固結(jié)沉降。

粘性土的次固結(jié)沉降可按如下公式計算

(4)

式中：Ss為地基各分層土次固結(jié)總沉降量；Hi為第i分層土厚度；eoi第i分層土的初始孔隙比；Cai第i分層土的次固結(jié)系數(shù)；t為所求次固結(jié)沉降的時間；t1為相當(dāng)于主固結(jié)度為100%的時間。

(3)砂土的蠕變沉降。

砂性土的蠕變沉降可按如下公式計算

(5)

式中：Sc為粗粒土的蠕變沉降量，cm；H為土層厚度，cm；α為蠕變系數(shù)。

基于上述理論計算公式，計算碼頭在50 a的使用期內(nèi)的沉降，各土層參數(shù)及計算沉降值如表1所示。由表1可知，各土層的主固結(jié)沉降為0.016 m，次固結(jié)沉降及蠕變沉降為0.040 m，因此總沉降為0.056 m，可滿足0.06 m的沉降要求。

3.2 基于實測數(shù)據(jù)擬合曲線預(yù)測沉降

根據(jù)長期的沉降觀測數(shù)據(jù)及計算經(jīng)驗可知，碼頭面在加載后主要經(jīng)歷兩個典型沉降期：(1)加載后的短時陡降期；(2)沉降穩(wěn)定后的長期緩降期，如圖4所示。

(1)短時陡降期：在碼頭面加載的初期，沉降的速率較大，該階段可劃分為短時陡降期。未來碼頭使用期的荷載主要包括堆載及裝卸橋荷載，約為胸墻自重的兩倍。根據(jù)胸墻澆筑前后的觀測數(shù)據(jù)可知，由于胸墻的自重產(chǎn)生的沉降約為10 mm。因此可預(yù)估未來碼頭使用期的短時陡降期的固結(jié)沉降約為20 mm。

(2)長期緩降期：在碼頭面加載的中后期，沉降速率曲線明顯趨于平緩，該階段的沉降緩慢進(jìn)行，貫穿于整個結(jié)構(gòu)的壽命周期。碼頭使用期的沉降長期緩降期的沉降值可通過實測的胸墻澆筑前后沉降數(shù)據(jù)(長期緩降期)的曲線擬合進(jìn)行預(yù)測，如圖5所示。通過數(shù)據(jù)擬合可得到擬合公式y(tǒng)=3.700 1ln(x)-4.409 2(y為沉降值，mm；x為天數(shù))。因此，對于未來50 a后碼頭緩降期的沉降值為32 mm。

表1 土層參數(shù)及沉降計算值Tab.1 Soil parameters and settlement calculation value

圖4 沉降過程曲線 圖5 沉降值擬合曲線

綜上所述：根據(jù)實測數(shù)據(jù)預(yù)估的50 a碼頭的總沉降值(短時陡降期+長期緩降期)為20 mm+32 mm=52 mm，基本與理論公式的沉降計算值(56 mm)相近。由于該項目的前后軌道的允許沉降差為30 mm，且后軌采用樁基結(jié)構(gòu)(使用期沉降較小)，可通過使前軌高于設(shè)計標(biāo)高30 mm，從而保證在50 a的碼頭運(yùn)營期內(nèi)均可滿足軌道的使用要求。在實際運(yùn)營期，如果碼頭的沉降大于60 mm時，可采用調(diào)整軌道的柔性固定系統(tǒng)[8]，在軌道下方增設(shè)鋼墊板，從而減小兩軌之間的高差，該措施可調(diào)整的最大高度為150 mm，基本可滿足碼頭常規(guī)的運(yùn)營要求。

4 結(jié)論

本文通過某重力式沉箱碼頭項目的施工過程和實際沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合沉降理論計算值進(jìn)行了對比分析，提出了一種基于實測數(shù)據(jù)擬合的方法對未來碼頭的沉降進(jìn)行預(yù)測。(1)對于碼頭前軌沉降較大，且后軌道采用樁基礎(chǔ)(其沉降一般很小可忽略)，可通過多種措施控制工后沉降：對地基進(jìn)行處理；在沉箱安裝前對基床整平預(yù)留沉降；對沉箱安裝后進(jìn)行堆載預(yù)壓；在胸墻施工時進(jìn)行分層澆筑；使?jié)仓那败壍佬貕Ω哂谠O(shè)計標(biāo)高從而預(yù)留一定的沉降量以減小沉降對前后軌道的高差影響；采用可調(diào)高度的軌道柔性固定系統(tǒng)。(2)需要待下部結(jié)構(gòu)的沉降趨于穩(wěn)定后才可進(jìn)行上部混凝土胸墻的施工，并把胸墻分為多段澆筑以最大限度減少工后沉降對碼頭面驗收標(biāo)高的影響。且需對胸墻澆筑前后的沉降值進(jìn)行監(jiān)測，并適當(dāng)提高監(jiān)測密度，以備后續(xù)的沉降數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。(3)沉降理論計算公式與實測數(shù)據(jù)擬合曲線法的結(jié)果相近，可通過對實測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合來預(yù)測未來碼頭使用期的沉降值，為碼頭的正常運(yùn)營提供保障。