南美地区大潮差条件下海港工程设计施工

骆 钊,林红星，王 超

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040；3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040)

阿马多尔(Amador)邮轮码头项目位于巴拿马湾内，设计船型Oasis of the Sea，船长360 m，船宽47.00 m，满载排水量10.04万t，满载吃水9.32 m。该EPC海港工程项目涵盖护岸防波堤、疏浚回填、码头、地基处理等施工工程。巴拿马国执行美标规范，当地制造业不发达，施工资源主要依赖中国出口，存在采购周期较长且美标材料难寻的问题。考虑对道路的保护，当地政府不允许重载施工车辆从市区开往施工现场，仅允许水上运输，而受潮差的影响，水上施工组织难度大，常需借潮、避潮施工，给项目进度和成本控制造成较大的挑战。

基于当地环境特点，总承包方着眼于施工细节，引导设计朝着易于施工的角度优化。笔者论述了基于大潮差环境和美标标准的主要设计优化点，同时总结项目施工过程中的借潮、避潮方法，为类似环境下的其他工程提供借鉴。

1 水文条件

1.1 潮差

项目所在地为半日潮，即两高潮之间的周期为12 h25 min，根据历年潮汐资料进行谐波分析，得出水位值，如表1所示。文中所有高程、水位均以平均最低水位为基准描述。

表1 项目水位标准 m

1.2 风、浪、流条件

根据美国Oceanweather公司距离项目最近测点数据(GN003757)的近35年、每3 h测一次的波浪场数据和风场数据的输入数据，以及当地海事局提供的水深图，基于MIKE 21BW[1]进行数值模拟，得出项目施工区域一年回归期波高为1.5 m，对应周期16 s。同时，根据项目附近测点的历年数据，得出最大风速11.4 m/s，平均风速4.3 m/s；通过当地实测流速数据，得出施工区流速较小，平均流速仅0.3 m/s。

2 设计关键技术

2.1 桩基防腐

桩基在海洋环境下容易被腐蚀，项目采用腐蚀余量和阳极保护的方法保护桩基。腐蚀余量是指项目采购桩基时，选取的壁厚为结构计算的壁厚值加上设计寿命下的腐蚀值，如本文结构计算的壁厚为12 mm，但采购桩基壁厚为计算壁厚加上腐蚀余量；阳极保护指的是通过电化学的方法来防止桩基被腐蚀，但其效率主要在于水下区域。根据国标港口工程桩基规范中的描述，阳极块在低水位区及以下区域，具有90%的效率；在平均潮位到设计低水位之间，则具有40%～90%的效率；对于平均潮位以上的桩基，则不考虑阳极块的保护作用。

腐蚀余量的取值须根据每年的腐蚀速率和防腐年限计算。针对腐蚀速率，美标未见具体描述；英标、国标和日标的腐蚀速率取值见表2[2-4]。

表2 英标、国标和日标中的钢管桩腐蚀速率

从表2 可知，不同规范对腐蚀速率的取值不同。为了更好地得出当地环境下桩基的腐蚀速率，项目基于巴拿马运河环境，调研了巴拿马运河距离项目5 km附近的钢管桩码头16 a的腐蚀数据[5]，得出水位变动区的腐蚀速率为0.069 mm/a。该值大于英标腐蚀速率，但小于国标腐蚀速率。其原因主要在于巴拿马所在地位于热带与亚热带的交界区域，而英标推荐值位于温带区域。码头设计寿命为50 a，水位变动区由于无法受到阳极块的保护，须抵抗50 a的腐蚀，根据满足当地环境要求的国标，则至少需要6 mm的腐蚀余量；水下区和永浸区考虑阳极块提供25 a的保护，剩余25 a仍考虑腐蚀余量，则至少需要3 mm的腐蚀余量。考虑国标虽然未区分低水位区，但英标和日标均显示低水位区的腐蚀速率较大，故低水位区也考虑与水位变动区相同的腐蚀余量。最终考虑在桩基计算厚度12 mm的情况下，水位变动区和低水位区的壁厚为19 mm，永浸区和泥下区的壁厚为16 mm。

但可惜的是，对于浪溅区的腐蚀速率仍未能找到针对巴拿马当地环境的数据；若假定其符合国标标准，即取值为0.2～0.3 mm/a，则50 a设计寿命下，浪溅区的腐蚀余量至少为10～15 mm。

由于浪溅区的腐蚀速率较大，且阳极块无法对该区域的腐蚀起到防御作用。对于该钢管桩在浪溅区的处理，通常有加深桩帽取消浪溅区和添加涂层等方法。若添加涂层，由于桩基打入深度难以确认，存在割桩作业，同时涂层在施工过程中可能会被破坏，在大潮差条件下的补漆作业难度较大。而加深桩帽取消浪溅区的方法，即将浪溅区的桩帽底高程降低，使其包裹钢管桩，势必会造成混凝土和钢筋材料费用的增加。

假设位于浪溅区的钢管桩全部腐蚀，即浪溅区考虑用灌注桩，其他区域考虑用钢管桩的组合桩，计算结果显示能够满足要求。在该计算中，起黏结作用的桩芯混凝土深度也相应减小(图1)。

图1 桩基设计

2.2 材质替换

项目所在地要求使用美标标准，但美标材料存在价格高、当地无大型制造业、国内市场供货周期长的问题。之所以使用美标标准，一方面，咨询工程师在语言上能更好地审查设计问题；另一方面材料损耗后能在当地找到替代品。若能在语言上提供英文译本的规范，材料上证明与美标可等效替代性，便能进行标准替换。在标准问题上，虽然美标、欧标、国标均有各自的体系和表达，但在关键参数上常有共通之处。如在螺栓材质方面，美标中最常用的螺栓为ASTM 325和ASTM 490，其屈服强度和抗拉强度就与欧标ISO 898中8.8级螺栓和10.9级螺栓保持一致。而国标GB/T 3098.1基本与ISO 898保持一致。对于在螺栓型号上主要追求强度的设计师而言，美标、欧标和国标是完全可以等效替换的。除了螺栓外，美标与国标的钢材也具备可替换性，见表3。其中厚度小于16 mm的Q345B钢材，其屈服强度、抗拉强度均与美标A572-50保持一致，延展性甚至更优。

表3 美标与国标钢材材质替换

由于A572-50钢材与国标Q345B钢材力学性能相近，尽管当地法律和招标文件中要求必须使用美标材料，项目依然依托第三方检测机构报告，成功地将A572-50替换为Q345B，在保证质量和当地可替代性的前提下，为项目所有钢材节约约30%的成本。

2.3 梁板全预制

码头工程中常见的设计为横梁预制纵梁现浇或者纵梁预制横梁现浇的结构形式，其优势在于现场安装方便，精度便于控制；特别是对于常有轨道及设备预埋件的纵梁而言，采用现浇的浇筑方法，可确保施工精度。但由于混凝土水上浇筑受到大潮差环境影响，仅能在低潮位浇筑，同时水上混凝土运输难度大，为加快项目工期，要求对所有梁体均采用下层1.2 m预制、上部0.45 m现浇的设计；所有板均采用下层0.25 m预制、上层0.2 m现浇的叠合板设计。项目底部梁板全部直接架装，以减小水上混凝土浇筑时间(图2)。

图2 下层梁板全为预制构件的现场安装

2.4 取消剪力键

钢管桩内存在2道剪力键以增加码头上部结构与桩之间的黏结力，剪力键的最低水位为3.95 m，高潮时容易被淹没，具有封闭空间作业和须借潮施工的难题，耗费时间较久，对项目的工期造成较大影响。通过研究规范公式的回归原理和进行现场试验，提供了更切合项目的设计参数，取消了剪力键设计，节约2个月的工期和约300万元的成本。

2.5 钢护舷挡板

护舷是码头靠船时减缓船舶对码头冲击力的重要构件。护舷挡板则是连接码头和护舷的连接件，考虑码头为钢混结构，护舷挡板也常为钢混结构。原设计位于码头舷侧的护舷挡板为70 t的混凝土结构，存在模板大、一次浇筑要求混凝土方量大、施工时混凝土易被海水淹没等问题。进行优化设计后，修改成金属结构，将其质量降低为18 t。从现场现浇转化为工厂生产后现场拼接，大幅缩短了现场施工工期。

3 施工关键技术

3.1 波浪、潮汐预报

水上施工须根据海况判断是否可行。一般流程为根据作业类型估算窗口期，根据海况后报判断窗口期存在的频率，以判断水上作业的可行性；施工时，则根据波浪、潮汐预报判断窗口期是否来临，从而指导施工作业。针对窗口期的确认，须严格根据船舶稳性高度、波浪周期和波浪谱、浪向来确认船舶的运动姿态，判断船舶的横摇及加速度处于施工精度可接受的范围。但在工程施工中，一般根据施工经验来判断，初步判断的各施工工艺的窗口期见表4。

表4 允许施工波高

注：400 t自升式平台和250 t自升式平台的允许施工波高来源于产品手册。

在波浪后报上，基于Mike 21软件地形信息和远场波浪统计数据进行模拟，可得出由于受到岛屿的掩护，项目水上船舶在90%的时间内均可进行作业。在波浪预报上，采用美国大气与海洋研究署环境预报中心(NOAA/NCEP)，每6 h更新一次的免费预报数据进行指导施工，预报点距施工区约1n mile(1.85 km)。免费的全球波浪预报数据，其数值模拟的网格往往较大，虽可模拟出相对准确的趋势，但难以考虑小岛屿、防波堤等尺寸较小结构的掩护，对于海况恶劣、可作业周期短且对施工精度要求极高的工程，建议采用波浪监测仪器控制现场施工。

因项目所在地为半日潮，受月球引力的影响，在农历初三、十八左右为大潮，此后最高潮位会周期性衰减；根据当地的潮位表，并辅以手机应用软件“全球潮汐”进行具体时间的潮位预报，确保每日可进行乘潮和避潮作业。

3.2 乘潮入港

为方便水上运输，修建了临时直立式码头装运石料，但受水深和潮位限制，不具备全天候作业条件，须乘潮作业，因此在船舶的靠泊装卸上，须根据靠港船舶的吃水和泊位的水深进行组织，并控制1 m以上防搁浅的富裕潮位，根据次日的潮位预报，规划每条船靠泊的潮位及时间、泊位、离开的潮位及时间等；例如，图3为某日1 100 m3开体驳允许靠港装料的时间。图中方驳船仅可在填充的时间段进行靠港装船，并考虑装船后船舶的吃水变大，故要求离港潮位比允许进港潮位更高。

图3 某船装料时间

船舶乘潮入港后，1 000 t以上方驳自重力引起的系缆力较大，须格外注意松紧缆。当潮位降低时，若未及时松缆，船舶的自重将作用在缆绳上，从而导致缆绳断裂；而当潮位升高时，若未及时紧缆，方驳则可能会远离，其松紧缆的频率应控制在0.5～1 h一次。同时，码头前沿应采用导角较大的护轮坎结构以防止绳子割断。

3.3 跳板驳和浮码头

在大潮差地区，随潮差转动的浮式结构能满足全天候施工的要求。在抛石和上构施工中，将方驳改造为跳板驳(也称为滚装船[6])，可进行全潮位下的石料装卸和混凝土罐车输运；为方便现场水上施工人员上下船舶，修建可随潮差自由转动的浮码头[7]，从而实现全潮位工作。

3.4 抛石施工

在抛石施工中，产生搁浅风险的0 m水位以下的区域，采用1 100 m3开体驳抛填；水位0 m以上部分，采用方驳上挖掘机进行石料抛填。为加快抛石效率，对于已经出水到5 m的位置，利用跳板驳和岸上的挖机协助抛石。

3.5 桩基打入

传统的水上打桩设备多采用打桩船进行施工。但在大潮差条件下，随着潮差的变化，打桩船上起吊设备吊臂的角度也随之发生变化，同时打桩船在大潮差下须频繁松紧缆保证定位效果。近年来，原应用于海洋钻井工程的自升式平台[8]被引入近海工程施工中[9]。自升式平台通过立柱将自身顶起，从而脱离水面，不受波浪和潮差的影响，可达到陆上施工的较高精度要求。该项目基于自升式平台进行桩基施工，施工精度控制在3 cm范围内，远小于设计要求的10 cm(图4)。

图4 自升式平台避潮打桩

3.6 水上混凝土浇筑

由于桩基顶高程为4.65 m，高潮位下桩芯混凝土容易被海水淹没。因此，须乘潮作业。混凝土须经历路运、上船、浇筑等几个过程，耗时较长，因此须添加缓凝剂延缓初凝时间，同时上船时间应定为涨潮接近高潮位时，使混凝土浇筑时水位处于落潮状态，以保证混凝土在7 h内不被海水淹没(图5)。为了避免波浪溅射，考虑潮位在4.0 m以下。

3.7 借潮安装钢栈桥

船舶在潮差作用下会发生升降，若在高潮位时驶入船舶进入指定位置，降潮时便可将吊放的重物着落在指定位置，从而避免起吊机在吊幅较大情况下吊重不够的问题。重约120 t的钢栈桥可考虑采用这种方法，具体方案见图6。

图6 借潮起重钢栈桥以协助安装(高程：m；尺寸：mm)

4 结语

1)在南美地区EPC港口项目中，针对大潮差、南美标准和水上施工的环境特点，对高桩码头进行设计优化。包括将美标钢材替代为国标钢材以节约造价、设计为全预制梁板结构以减少水上施工时间、将较重的混凝土护舷挡板替换成较轻质的钢护舷挡板以减少水上混凝土浇筑量、并通过试验取消剪力键以减少水上焊接工作量等。同时基于巴拿马环境调研当地的腐蚀速率，解决钢管桩浪溅区的防腐难题，考虑桩基为上层钻孔灌注桩，下层钢管桩的组合结构。这些优化设计减小了项目施工和采购成本，缩短了项目工期。

2)论述大潮差条件下港口工程几种乘潮、借潮施工方法：①基于项目施工海况和作业窗口期，判断水上施工的可行性，对水上作业进行预报，并乘潮入港。②在大潮差条件下，须时常松紧缆以保证系泊的安全可靠性。③为规避潮差的影响，推荐应用跳板驳和浮码头等可全天候作业的结构形式。④在护岸防波堤等抛石施工中，应根据潮位的不同，对最低水位以下区域进行开体驳抛填；对以上区域采用挖机抛填；在桩基施工中，推荐采用自升式平台规避潮差的影响。⑤根据潮位控制混凝土浇筑后有足够的时间凝结。⑥利用方驳乘高潮就位、落潮时着落的施工方法安装码头上构钢栈桥。