重力式码头中沉箱和圆筒结构的优化选择探讨
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摘 要：重力式码头是港航建设中经常采用的一种码头结构形式。为了充分发挥重力式码头的结构特点，需要因地制宜的开展设计，选择适宜的实施方案。本文以某地区重力式码头的设计和施工为例，探讨码头结构设计优化方案，以期工程建取得更良好的效益。
关键词：重力式码头 沉箱结构 圆筒结构 优化
钦州市地处北部湾中段，海运枢纽区位优势明显，多年来钦州市基于地区发展规划，大力开展基础设施建设，尤其是钦州港保税港区和相邻作业区的港口建设，不仅有利于促进当地经贸开展，更为该地区依托北部湾经济长远发展奠定坚实基础。近年来，钦州港不断增强港口核心竞争力，营建码头，完善西南出海通道。钦州港区的功能定位和地质条件为发展重力式码头提供了较好的环境，本次研究主要选择钦州港内港口建设项目为例。
重力式码头主要分方块、扶壁、沉箱、圆筒、现浇混凝土、浆砌等结构形式，其造价适中，承载力强，耐久性好，使用寿命较长，在国内港口建设中得到了广泛使用。近年来随着社会经济飞速发展，码头逐渐向大型化、深水化发展，重力式码头中的沉箱和圆筒结构码头由于其结构、施工和使用中的综合优点成为一种合适条件下较普遍采用和较好发展的结构形式，钦州港地区重力式码头建设的此种发展趋势其代表性较显著。本文旨在在当地自然条件、材料来源、码头使用要求、施工条件基本一致情况下，结合重力式码头建设过程中沉箱和圆筒两种结构设计方案的优势及其不足，以及码头施工建设中的成本造价，通过技术经济比较，有针对性的对重力式码头结构优化和选择进行探讨。
1.重力式码头结构方案
1.1码头水工结构
所举案例中码头所在地的地基条件较好，针对当地地形、地质和环境，结合当地实际情况和使用要求设计出相应的码头实施方案，并从中选出两个进行比较，其中方案一为钢筋混凝土薄壁大圆筒方案，方案二为钢筋混凝土沉箱方案。
1.1.1方案一（钢筋混凝土薄壁大圆筒方案）
在对港口码头选址的施工环境、地形、地质条件进行全面考察的基础上，结合当地具体的装卸工艺总平面布置情况，在实施码头建设时决定选择坐床式钢筋砼薄壁大圆筒结构。为了确保大圆筒达到使用标准和工艺要求，将圆筒外径控制在18m，圆筒壁厚度则控制在35cm。圆筒基础采用抛石基床，基槽底质为风化岩石，结合基床顶应力和地基应力计算，抛石基床厚度应该不低于1米，确保抛石基床的强度和承载力能达到相应要求。根据水文环境设计圆筒底高程，5万吨级的多用途泊位圆筒底高程取-13.6m，7万吨级的汽车滚装泊位圆筒底高程取-12.6m。两种码头的圆筒顶高程均取3m。圆筒回填采用级配较好的砂石、卵石等材料，填充密实均需要达到相应标准。工程共需要建设圆筒54个。
1.1.2方案二（钢筋混凝土有底沉箱方案）
5万吨级多用途泊位沉箱底高程为-13.6m，为了确保其达到相应使用标准和要求，将沉箱外型尺寸控制为15.95m×18.15m×16.6m。具体来讲，在实际建设施工过程中。抛石基床下风化岩石的厚度需要满足其受力要求，其中强风化岩石的抛石基床厚度不能低于2米，中风化岩石的抛石基床厚度不能低于1米。针对沉箱内部进行回填，一般选择砂和块石。
2.结构方案对比及优化分析
2.1 结构方案優化分析
2.1.1 方案一（钢筋混凝土薄壁大圆筒方案）
大圆筒结构具有较好水平抗滑能力，但是其抗倾稳定性则比较差，对其受力结构进行分析，发现大圆筒结构前趾的压应力较大。基于此，在具体实施中，针对重力式码头建设中需要使用的埋入式大圆筒结构，为了进一步加强其整体稳定性，可以根据需要在大圆筒结构后部加设一个抗倾加强结构；一般情况下，抗倾加强结构需要安装在大圆筒内侧或者外侧，部分情况下为了达到最佳效果需要在内外侧同时布置抗倾加强结构；为了将这一结构的作用发挥到最大，一般将内侧和外侧的抗倾加强结构的高度进行科学设计，在具体建设过程中，尽量将其往下设置，这种施工方法能有效加强其抗倾效果。抗倾加强结构下方的填料要求达到一定密实度，因此可以采用高压射水等方式对其进行强化。
相比自重较大的沉箱结构，圆筒结构为达到与沉箱结构相近的抗滑能力可以将以下措施相组合：保留临时底板为固定底板，加强圆筒上部结构自重。
在恶劣环境下，加强抗滑的圆筒在整体性和稳定性上较沉箱码头仍有欠缺。
2.1.2 方案二（钢筋混凝土有底沉箱方案）
为了提升码头装卸效率，需要将门机后轨道设置安装在沉箱后部，在设计上增加沉箱宽度，此时可采用后倾的码头结构方案。一般来讲，实现沉箱后倾的方式主要有以下三种。一是将采用底面倾斜的沉箱安装在水平基床上，这样就可以形成沉箱向后倾斜；二是使用普通沉箱，但是安装在后倾的基床上，这种情况下也可以形成沉箱向后倾斜；三是使用底面存在倾斜的沉箱，将其安装在后倾的基床上，这种情况下能实现更大的后倾角度。
实施后倾的沉箱码头结构能取得诸多优点，同时也存在一定不足，具体来讲，后倾沉箱码头能够有效减少土压力；后倾沉箱码头能够有效提高码头抵抗波浪吸力，提高其整体安全性和使用稳定性。倾斜沉箱的预制、运输、安装等各个环节需要增加施工难度，此外倾斜基床的抛填、密实施工要求更高，从整体上提高了码头成本。
2.2 方案比选及推荐方案
圆筒结构与沉箱结构相比，其抗风浪效果更好。两种设计方案在施工工艺均较成熟，施工方法也比较接近，圆筒结构方案在施工中产生的施工总量更少，同时所需要的构件也更少，当采用滑模施工时，效率高，施工起来更加简便。两种施工方案的工程造价差别较明显，相比较码头每延米造价，大圆筒结构方案更加经济。综合对比两种设计方案的技术和经济特点，在码头使用要求、施工条件基本一致、自然条件适宜的情况下，大圆筒结构方案能在发挥结构优势、优化施工的同时，取得更好的经济效益，有利于节约投资，是一种较理想的构型。但在施工自然环境恶劣的情况下，大尺寸的沉箱码头在适用性上则更具有优势。两种结构应结合工程实际情况，具体分析后加以选用或组合。结合港口规划的码头功能定位和规模，钦州港风浪影响较小的作业区码头，近年多采用滑模施工的圆筒结构。
3.结语
重力式码头在实际施工建设中得到广泛应用，在具体施工建设过程中重力式码头主要分方块、扶壁、沉箱、圆筒、现浇混凝土、浆砌等结构形式，其造价适中，承载力强，耐久性好，使用寿命较长，在国内港口建设中得到了广泛使用。近年来随着社会经济飞速发展，码头逐渐向大型化、深水化发展，重力式码头中的沉箱和圆筒结构码头由于其结构、施工和使用中的综合优点成为一种合适条件下较普遍采用和较好发展的结构形式。
重力式码头的设计条件和使用要求有其特殊性，结构设计方案需要因地制宜的进行设计优化。在自然条件适宜情况下，采用圆筒结构能在保持结构设计安全的前提下，产生较显著的经济效益，开展圆筒结构码头优化和推广的也不失为节省建设投资一种较良好方法。
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