青岛一期油码头修复加固方案研究

王恩世

（山东港湾建设集团有限公司，山东青岛 266555）

引言

根据我国港口工程设计标准，码头正常使用的设计年限为50 年，而建国后第一次建港高潮时期建设的沿海港口码头到今天的2021 年已基本接近50 年，即该时期建设的码头已面临即将达到设计使用年限的问题，并且在其后时期建设的码头也会逐渐达到设计使用年限，这样的码头将越来越多，如何以较小的成本延长即将达到设计使用年限的码头的使用寿命，让其继续发挥余热已经是摆在我们面前的一个重要课题，研究科学合理的处置方案已十分迫切。

青岛港黄岛油区一期工程即建设于建国后的第一次港口建设高潮时期，该工程于1970 年开工建设，1976 年竣工，至今已经运行45 年，即将达到50 年的设计使用年限。本文结合作者多年的港口建设管理经验并经过深入细致的现场调查研究，将对如何有效延长一期油码头的正常使用年限及采用哪种合理的修复加固方案进行研究，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

青岛一期油码头包括一个5 万t 级原油码头和一个2 万t 级原油码头，采用的是双侧靠船的布置方式，码头前沿顶高程为7.0 m，东侧港池码头前沿底高程为-13.5 m，为5 万t 级油码头，西侧港池码头前沿底高程为-10.5 m，为2 万t 级油油码头。原油码头总长314 m，由7 个墩台组成，其中4 个系缆墩，2 个靠船墩，一个工作平台墩。图1 为码头平面布置图。

图1 码头平面布置示意图

码头为高桩墩台结构。工作平台上部墩台采用R250 混凝土结构，平面尺寸为40×19 m，厚4.5 m，桩基采用直径为700 mm 的钢管桩（16 Mn钢、壁厚16 mm）。靠船墩上部墩台采用R250 钢筋混凝土结构，平面尺寸为20×15 m，厚4.5 m，桩基采用直径为700 mm 的钢管桩（16 Mn 钢、壁厚16 mm）。引桥墩上部墩台采用R250 钢筋混凝土结构，平面尺寸为16×14 m，厚4.5 m，桩基采用直径为700 mm 的钢管桩（16Mn 钢、壁厚16 mm）。

1.1 设计条件

1）设计水位（当地理论最低潮面起算）

设计高水位4.32 m；设计低水位0.47 m；极端高水位5.52 m；极端低水位：-0.83 m。

2）设计荷载

工艺荷载：①码头工作平台：桥梁荷载、管线荷载和房屋荷载。②码头靠船墩：桥梁荷载、管线荷载。③码头系缆墩：桥梁荷载、靠近引桥的两个系缆墩上存在管线荷载。

人行荷载：人行荷载2 kPa。

船舶荷载：①码头工作平台：西侧 13 个dl 000×d500×1 000 圆筒型橡胶护弦。②靠船墩：12×Фl 000×Ф500×1 000 圆筒型橡胶护弦；1 500 kN系船柱。③系缆墩：2 000 kN 系船柱。

3）工程地质

勘察区域内土层分布基本以现代海相沉积为主。表层为现代淤泥，以下为沉积时间较长的亚黏土（包含黏土或亚砂土），其间有粗砂夹层，以下为粗砂，此层以下即为基岩风化层。风化岩岩面由东南向西北倾斜，基岩成分为花岗岩。

4）地震

本工程所在地抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10 g。

1.2 检测评估结论

《青岛港黄岛港区一期油码头检测评估》（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，2019）给出了一期油码头的安全性、适用性和耐久性评估结果，如下表1-5 所示：

表1 工作平台结构安全性等级和处理要求

1）码头各结构安全性评级及处理要求

表2 靠船墩结构安全性等级和处理要求

表3 系缆墩结构安全性等级和处理要求

2）码头适用性评价及处理要求

表4 码头适用性评价及处理要求

3）码头耐久性评估

表5 码头耐久性评价及处理要求

4）影响墩台混凝土耐久性的主要问题

①墩台混凝土碳化深度3.5～7.5 mm 不等；

②墩台混凝土表面氯离子含量超标。在检测深度范围内（0～50 mm）氯离子含量均超过引起混凝土中钢筋腐蚀的临界值，自外向内氯离子含量呈递减趋势，含量范围为1.52 %～0.76 %。

③码头混凝土冻融劣化评定为C 级，码头墩台棱角棱线消失，石子脱落较多，局部钢筋外露，表面破坏面积小于40 %，松顶破坏严重。

④混凝土墩台表面中度损坏，存在大片的蜂窝麻面，局部混凝土出现剥落，局部出现露筋现象。

5）影响钢管桩耐久性的主要问题

①钢管桩经过40 多年的使用，腐蚀厚度为0.53～1.75 mm，蚀余量在90 %以上。

②钢管桩的防腐涂层厚度约1 000 μm。

③牺牲阳极保护电位检测值约980 mv。

图2 墩台结构现状图

图3 墩台下钢管桩现状图

根据检测评估结果可知码头安全性为A 级，不需要对结构安全性采取措施；码头适用性为B 级，应加强观测根据使用中的实际情况适当的采取措施；码头耐久性为C 级，原油码头墩台的剩余使用年限为9.1 年（自2019 年起算）。鉴于码头结构安全性为A 级，适用性为B 级，若在达到使用年限后将码头退役，会造成岸线的浪费；若拆除重建，将大大增加工程费用。为了节约资源、节省投资、增加岸线使用效率，拟对码头进行修复以增加结构耐久性。

2 修复方案

该工程修复对象主要包括混凝土墩台及墩台下钢管桩两部分。

2.1 钢管桩延长使用年限方案

本工程在设计建设时即对钢管桩进行了良好的保护，原设计钢管桩保护方案为钢管桩涂刷环氧沥青+防腐套管+外加电流的阴极保护的组合方案。而根据最新的检测成果，经过40 余年的使用，目前钢管桩部分区域涂层脱落，阳极块缺失或重度腐蚀，钢管桩蚀余率在91.7～97 %之间，钢管桩的工作性能依旧较好，充分证明了原设计防腐方案的预见性和有效性，但原防腐措施历经多年也已基本失效且海水对钢管桩外壁已经产生侵蚀。

为了延长钢管桩使用年限，现对位于墩台底部至泥面范围的钢管桩采用玻纤维套筒进行保护和加固。首先清除受损的套筒及钢管桩表面附着的海生物，然后对拟修复钢管桩外包套筒，间隔约20 mm，对套筒与既有桩基进行固定，再在套筒与既有钢管桩之间灌注专用水下灌浆料，使套筒与钢管桩牢固结合为一体以便共同发挥作用。

该套筒加固方案既能增加钢管桩的耐久性，延长桩基使用年限，又能对钢管桩进行无损加强，增加其抗弯承载能力。码头使用过程中应加强监测，当牺牲阳极保护作用下降时，应及时采取措施，以保证牺牲阳极保护系统正常发挥作用。

2.2 混凝土墩台修复方案

通过检测评估报告可知，如何增加混凝土墩台的耐久性是延长码头使用年限的控制因素。

经过40 多年的使用，墩台混凝土已经出现了碳化、破损、氯离子超标等影响墩台耐久性的不利因素，针对这几个因素给出针对性的修复方案以达到增加耐久性的目的。

1）清除混凝土腐蚀部分

首先清除墩台各个部位附着的海生物，然后凿除墩台顶面、侧面以及底面部分混凝土，凿除深度为至锈蚀钢筋周围20～30 mm，直至钢筋未锈蚀处，如图4 所示。然后采用电化学脱盐，将钢筋周围的氯离子等阴离子清除，对锈蚀的钢筋进行除锈处理，如图5 所示。若钢筋锈蚀情况严重则还需要补焊钢筋，将原有钢筋强度补足；新旧钢筋采用短筋焊接，焊接长度要满足规范要求。

图4 墩台混凝土凿除

图5 墩台钢筋除锈

2）墩台混凝土结构的修复和补强

完成混凝土腐蚀部分的清除工作后对凿除混凝土表面采用高压淡水冲洗，对钢筋喷洒钢筋阻锈剂，并在混凝土维修界面涂刷界面粘结材料，之后再浇注细石混凝土。

混凝土浇注对于墩台底面和侧面及上表面分别采用不同的处理方式。对于墩台底部，由于搭设模板困难，可采用人工分层抹面的方式施工，为了保证施工质量，两层混凝土之间设置玻璃纤维网格布以减少混凝土的脱落。墩台侧面比较容易搭设模板，可以在支好模板后直接浇筑细石混凝土，但由于模板和墩台之间的距离较小且深度较大，为了保证混凝土密实，每次浇筑深度不宜超过1.0 m，且应采取措施，充分振捣，侧面混凝土结构支模方法如图6 所示。墩台顶面凿除混凝土和浇筑混凝土时应对码头相关设施采取必要的保护措施。为了防止新浇筑混凝土发生开裂，混凝土内添加聚乙烯醇纤维。

图6 墩台侧面支模

2.3 耐久性设计方案

由于海洋环境对钢管桩结构的腐蚀较为严重，目前对于钢管桩的保护通常采用涂层保护法和阴极保护法；其中阴极保护法又分为牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。

本次修复方案研究拟结合原设计对钢管桩采取组合防腐方案，即采用海工专用防腐蚀涂层+玻纤套筒+牺牲阳极块+外加电流的阴极保护相组合的防腐蚀方案增加钢管桩的耐久性，并对牺牲阳极块定期检查更换。该保护方案中涂层、套筒和外加电流的电路设施均为一次性投入，牺牲阳极块为分期投入；组合方案虽然投资较大，但对钢管桩的保护效率较高、保护期限较长，结合本工程实际经验，组合方案能够保证既有钢管桩的正常使用年限得到大幅延长，预期效果良好。

对于混凝土墩台结构，除永久增加耐久性外，还可以参考钢管桩的防腐蚀保护方案，采用埋入式的钢筋混凝土牺牲阳极的方法，对墩台混凝土内的钢筋进行阴极保护，有效消除钢筋处于新旧混凝土中的电位差，减小或抑制钢筋的腐蚀；再配合混凝土结构外涂刷防腐蚀涂层，以增加修复后混凝土墩台的耐久性。

3 结语

黄岛一期油码头的修复加固工程既有对码头使用寿命的延长，又有对码头整体能力的提升改造，对于该码头结构的修复技术关键在于：

1）钢管桩的设计使用寿命较短一直以来都是港口工程中一项难题，本文结合本工程实践经验，既证明了原设计钢管桩涂层+套筒+外加电流组合方案对于增加钢管桩耐久性的有效作用，又为后续加固方案指明了正确的道路，即涂层+套筒加强+阴极保护的组合方案是切实可靠的；

2）墩台底部通过分层加玻璃纤维网格布的方式可以解决结构底部施工困难的关键问题；

3）墩台除了表面混凝土破损严重之外，内部混凝土质量尚可，通过凿除墩台表层破损及腐蚀的混凝土，然后浇筑添加抗裂纤维的混凝土能够减少海洋环境对内部混凝土耐久性的不利影响，有效延长码头结构的使用寿命；

4）对于混凝土墩台本项目探索采用混凝土结构内埋入牺牲阳极块，进一步增加结构的耐久性；

5）本工程原设计最大可靠泊5 万t 级油船，随着船舶大型化的发展，目前5 万t 级的油船数量较少，后续可根据需要以及码头的实际情况对码头进行升级改造，提升码头泊位等级以适应港口发展。