安哥拉洛比托港扩建项目集装箱码头结构设计优化

詹广才，张勇坤

安哥拉洛比托港扩建项目集装箱码头结构设计优化

詹广才，张勇坤

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）

根据安哥拉洛比托港扩建项目集装箱码头工程复杂的地质条件，在高桩梁板式结构的基础上提出多种结构优化形式，对结构的优化思路进行对比分析，最终采用新型的前高桩后斜顶密排管桩墙一体化结构，既结合了高桩的透空性和施工便利性，又解决在复杂地质条件下深水码头的改扩建问题。

复杂地质；改扩建；高桩；斜顶管桩墙；一体化结构

1 工程概况

洛比托濒临大西洋，海上距离南非开普敦2 270 km，距离美国纽约12 000 km，距离荷兰阿姆斯特丹8 700 km，距离英国南安普敦8 100 km，距离葡萄牙里斯本6 700 km，洛比托港拥有通畅的远洋运输条件[1]。近几年来，洛比托港的集装箱吞吐量呈快速发展趋势，2000年洛比托全港的吞吐量为27 153 TEU，但到了2007年，数值达到76 656 TEU，年均增长15.98%。然而，整个洛比托港至今仍无专业化的集装箱泊位，集装箱的运输基本依靠现有的通用泊位进行，现有泊位大都建于20世纪四五十年代，码头陆域纵深小，设备落后，效率低下，且码头的使用期达到甚至超过了其使用寿命，虽经过屡次修复，但依然无法从根本上大幅提高其吞吐能力，靠泊的大部分船只仅靠船舶自带装卸设备进行装卸作业，这些原因都直接导致了洛比托港的集装箱运输发展的落后。

为改善洛比托港的集装箱通过能力，实现铁海联运，促进直接腹地乃至周边非洲内陆国家经济发展的需要，工程将建设1个7万吨级集装箱泊位，码头泊位长度414 m。年设计吞吐能力为45万TEU。另外该工程还包括进港道路、堆场、后放陆域等附属设施[2-3]。

2 工程条件

2.1 设计水位

大潮平均高、低潮位为1.7 m和0.5 m，小潮平均高低潮位为1.4 m和0.8 m，高程系统采用洛比托港高程系统（下同）[4]。

2.2 地质情况

本工程区域地质复杂，两端与已有码头接壤处地质条件较好，但在新建码头中间段约200 m范围内存在1层“3-1软弱黏土”，平均厚度达18.12 m，层顶标高-20.73 m，层底标高-39.61 m，标贯击数在4~9之间，平均击数N=6.3击[5]。该区域如采用常规高桩梁板平台的岸坡极难稳定，经计算安全系数约为0.5，所以势必需要对该软弱土层进行处理。如采用大开挖方案，岸坡开挖将影响码头后方现有堆场的使用安全，同时也影响两端已有多用途码头和油服基地码头的使用；如采用软基处理，对于埋深大，且厚的软土，难度大而且造价高。

2.3 施工条件

洛比托港当地平均水位约+1.10 m，而且潮差较小，平均高水位2.10 m，平均低水位0.90 m，码头面高程采用与周边码头和陆域顶高程+3.80 m一致，因此常水面到码头面的高度较小。当地工程材料设备等比较匮乏，市场主要以商店为主，港务局也没有大型的工程设备，只有3台轮胎吊机，最大起重能力仅为35t，施工条件极不便利[6]。

3 结构方案

本工程地质条件复杂，施工条件不便利，同时，因为工期较紧，需要对结构进行合理的优化，以满足现场实际施工能力需要。在满足结构安全、经济高效的前提下，对码头主体结构的选型进行了全面的对比及设计优化选型。

3.1 宽桩台结构方案

本方案拟在软弱土层段采用前高桩标准区+后桩台过渡区+传统混凝土挡土墙接岸结构，此段纵向长度为241.5 m。

1）前高桩标准区

前码头作业区顶面标高+3.80 m，长34 m，高桩梁板式结构，桩基都采用1 000 mm钢管桩，排架间距8.90 m，每榀排架布置8根桩，海侧轨道梁布置双直桩，中间轨道梁布置1对3∶1叉桩，其余4根为单直桩[7]。

上部结构由桩帽、现浇横梁、预制轨道梁、预制纵梁和叠合面板组成，现浇横梁宽1.6 m，高1.45 m；预制轨道梁宽1.2 m，高1.36 m；预制纵梁宽1.0 m，高1.36 m；预制面板厚0.35 m，现浇面层厚0.2 m，磨耗层平均厚度为0.05 m。现浇桩帽、纵横梁，面板采用高性能混凝土，强度等级为C45。为提高码头面层的质量，码头面层混凝土添加聚丙脂纤维，并预制构件涂防腐涂层。

码头面设置3条轨道，海侧轨与中间轨的轨矩10.5 m，海侧轨与陆侧轨的轨矩30 m，钢轨采用QU120钢轨，采用弹性锚固、连续焊接轨道的固定方式锚固。根据桥吊（门机）的锚固、顶升、防风等要求，设置锚固、顶升等结构。

码头防撞设施采用标准反力的SUC1700一鼓一板鼓形护舷，码头系缆设施采用1 500 kN系船柱，均为隔跨布置。

码头面设现浇磨耗层，设0.5%的排水坡度。码头面板设置排气孔，并设置供水、供电、通信等结构设施。

2）后桩台过渡区

后桩台过渡区顶面标高+3.80 m，长35.98 m，高桩台结构，桩基都采用1 000 mm钢管桩，排架间距6.20 m，每榀排架布置5根全直桩。

上部结构由桩帽、现浇横梁、一根预制边梁和叠合面板组成，现浇横梁宽1.6 m，高1.45 m；预制边梁宽1.0 m，高1.36 m；预制面板厚0.35 m，现浇面层厚0.2 m，磨耗层平均厚度为0.05 m。材料同码头作业区。

3）接岸结构

码头接岸结构长414 m，顶标高+3.80 m，接岸结构采用实体斜坡式，堤心采用10~100 kg规格石，护面采用50~100 kg规格石，护脚棱体采用100~200 kg规格石，护底块石采用200~300 kg规格石，接岸结构后方回填中粗砂。如图1所示。

3.2 前桩墙后高桩组合结构方案

本方案拟在软弱土层段采用前桩墙+后高桩梁板式结构（以下简称“前板桩墙结构”），码头平台宽度34 m。码头基桩采用φ1 000 mm钢管桩，排架间距8.90 m，每榀排架布置7根桩（不包括前板桩墙钢管桩），陆侧轨道梁下布置单直桩，中间轨道梁下布置1对8∶1叉桩，中间纵梁下另布置2根单直桩和1对4∶1叉桩。而海侧轨道梁下基桩兼做前板桩墙，采用连片φ1 500 mm钢管桩，钢管桩中心距为1 650 mm，在桩顶通过现浇混凝土导梁连接成整体。

码头上部梁板结构及附属设施与宽桩台的“前高桩标准区”结构段相同。接岸结构与宽桩台方案相似。具体结构如图2所示。

图1 宽桩台结构Fig.1Wide pile structure

图2 前板桩墙结构Fig.2Front sheet pile structure

3.3 前高桩后斜顶密排管桩一体化结构方案

本方案拟在软弱土层段采用高桩斜顶管桩墙一体化结构，此段长度为241.5 m，码头平台宽度34.5 m，分成4个结构段。码头基桩采用φ1 000 mm钢管桩，排架间距8.90 m，每榀排架布置7根桩（不包括后板桩墙钢管桩），海侧轨道梁下布置单直桩，中间轨道梁下布置1对4∶1叉桩，中间纵梁下另布置3根单直桩。而陆侧轨道梁下基桩兼做后板桩墙，采用连片φ1 500 mm钢管桩，钢管桩中心距为1 650 mm，在桩顶通过现浇混凝土导梁连接成整体，同时，后轨道梁下设置1排钢管桩前斜桩，桩径φ1 500 mm，斜率3∶1，间距3.0 m。

码头上部结构采用纵横网格梁形式，不设置桩帽，基桩支撑于横梁上，横梁宽1.60 m，前后轨道梁宽1.6 m，中间轨道梁及纵梁宽1.20 m，纵横梁等高，梁高2.30 m，纵横梁采用现浇混凝土结构；面板采用混凝土叠合面板，叠合面板总厚度为0.55 m，其中预制部分厚度为35 cm，现浇厚度20 cm。梁、板等主要构件采用高性能混凝土，混凝土强度等级为C45。为了提高码头面层的质量，码头面层混凝土添加聚丙脂纤维，并预制构件涂防腐涂层。

板桩墙的前方和后方，抛填块石棱体。

码头附属设施的布置与宽桩台的“前高桩标准区”结构段相同。具体结构见图3。

图3 前高桩后斜顶密排管桩一体化结构Fig.3Slant pile quay wall integrated structure

4 对比分析

1）主要材料用量对比分析见表1。

表1 主要材料用量对比表Table 1Comparison of main material consumption

2）造价对比见表2。

表2 造价对比表Table 2Comparison of cost

3）方案综合比选。

通过工期、施工复杂性、结构耐久性、泊稳性等，对宽桩台方案、前板桩墙方案和一体化结构方案进行了对比分析，见表3。

在经济效益方面，由表1可知，一体化结构的工程量最省，钢筋用量比宽桩台结构少40%，比前板桩墙结构少28%；混凝土用量比宽桩台结构少43%，比前板桩墙结构少26%；砂用量比宽桩台结构少67%，比前板桩墙结构少57%，虽然用钢量最多，但是只比其他结构多7%左右，经济效益极佳。由表2可以看出，宽桩台结构的工程造价最高，前板桩墙结构的工程造价次之，一体化结构的工程造价最省。

在施工便利和码头运营方面，一体化结构的施工难度最小，工期最短，抗风险能力最高，对周边已有的码头营运影响最小，在保证工程进度和适应改扩建方面具有其他两种结构无法比拟的优势。

最后，通过对工程造价、工期控制、施工难度等多方面因素比较，决定采用前高桩斜顶密排管桩墙结构作为该项目的设计方案。

表3 综合对比表Table 3Comparison of comprehensive analysis

5 结语

1）使用前高桩后斜顶密排管桩墙一体化结构，其充分利用高桩和斜顶板桩的结构特点，将高桩码头水平控制力撞击力转为板桩墙的被动土压力来承担，而板桩墙的主动土压力转为桩基的压桩力，这样即减少高桩的拉桩力又降低了板桩的内力，充分发挥结构的整体性。

2）前高桩后斜顶密排管桩墙技术成功地解决了有限陆域深厚软弱下卧层地质限制条件下的码头建设难题，使工程的建设不影响周边现有集装箱泊位、油码头及油库的正常使用，又有效地解决了下卧深厚软弱土层问题，该结构非常适合在复杂地质条件下的改扩建码头项目，其显著优势是在不影响附近泊位运营情况下完成改扩建工作。

3）该结构具备结构简单、工程造价低及施工条件相对宽松的优势，为“走出去”的发展战略提供了很好的经验。而且随着该项目的完工，加强了企业在非洲片区竞争实力，为后续在该市场的份额逐步增大起到了巨大作用。

[1]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.安哥拉洛比托港集装箱码头扩建工程工程可行性研究报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2008. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Project feasibility study report of extension work for port of Lobito-Container Terminal[R]. Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2008.

[2]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.洛比托港规划报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2007. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Port planning report for Lobito [R].Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2007.

[3]JTS 167-4—2011，海港集装箱码头设计规范[S]. JTS 165-4—2011,Design code of container terminal for sea port [S].

[4]苗辉，王汝凯，孙英广，等.安哥拉洛比托港规划与一期工程设计[J].水运工程，2014（2）：91-95. MIAO Hui,WANG Ru-kai,SUN Ying-guang,et al.Master plan and construction of port Lobito of Angola[J].Port&Waterway Engineering,2014(2):91-95.

[5]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.洛比托港扩建集装箱码头工程地质勘察报[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2006. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Geological investigation report on extension work for port of Lobito-Container Terminal[R]. Guangzhou:CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2006.

[6]中交第四航务工程勘察设计院有限公司.洛比托港扩建集装箱码头工程初步设计报告[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2009. CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.Preliminary design report of extensionworkforportofLobito-ContainerTerminal[R].Guangzhou: CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,2009.

[7]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].

Structural design optimization for container wharf of Lobito Port expansion project in Angola

ZHAN Guang-cai,ZHANG Yong-kun
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

According to complicated geological conditions of the extension project of Lobito Port container terminal,based on the high piled beam-slab structure,we put forward multiple optimized structure types.Through the comparative analysis of them, we finally adopted the new type slant pile quay wall integrated structure,which combines the permeability of the high pile and the convenient for construction,and has solved the expansion problems of the deep-water wharf on complex geological conditions.

complex geology;expansion;pile wharf;slant pile quay wall;integrated structure

U656.135

A

2095-7874（2017）08-0068-05

10.7640/zggwjs201708016

2016-12-29

2017-03-02

詹广才（1979—），男，湖北随州人，高级工程师，主要从事港口工程结构设计工作。E-mail：zhangc@fhdigz.com