高桩码头加固技术研究综述

丁 杰, 刘玉姣

(湖南省港务集团有限公司， 湖南 岳阳 414009)

0 引言

伴随着我国国民经济的高速发展，国内和进出口贸易的数量日渐增加，规模逐渐壮大，大宗货物运输的重要性日渐增强。相较于公路、铁路和航空等运输方式，水路运输具有货运量大、费用低的优势，故成为大宗贸易运输的首选。与此相矛盾的是，港口建设项目投资大、功能单一、建设和回报周期长，且审查手续和过程尤为繁琐，尤其是涉及到生态问题的环保审查更为严格，导致港口的数量与货运需求不成正比。同时，现有港口码头的接待能力并没有随着货物量的增加而增强，反而随着使用年限的增加而逐渐下降[1]。因此，通过一定的技术手段对港口进行改造，提升旧港口的货运能力，使港口的利用率最大化，成为了目前港口建设研究的一大热点。

旧港口的提质改造既存在与新建港口类似的元素，同时又特点鲜明[2]。相较而言，旧港口的提质改造比新建港口在勘察、设计和施工方面更加复杂，这是因为旧港口的提质改造涉及的问题更多，考虑的因素更加复杂。尤其是在港口码头的加固方面，目前还存在诸多的难点。本文回顾了高桩码头在我国码头改造中的成功范例，综合论述了“分离式”和 “局部式”两种常用高桩码头的加固方式，总结了其优缺点和适用范围，为后续的高桩码头加固维修提供借鉴。

1 港口码头运营现状

截至2018年，中国港口吞吐量已从建国初的1000万t增加到了143亿t。目前，我国的生产用码头约有24000个，万t级以上深水码头从零增加到了2400个左右，仅2018年全年的大型集装箱吞吐量就高达2.5亿TEU[3]。与中国港口追逐式发展、飞跃式发展相对应的是船舶的大型化，船舶的大型化不仅给航运带来可观经济收入，同时也给我国的港口总体通过能力带来了重大挑战。据不完全统计，目前仅沿海港口在运输能力方面缺口就超过5亿t[4]。

港口码头在使用过程中，运营功能有所下降，这是因为港口码头在运营过程中出现了不同程度的老化，包括材料的老化、结构的老化、设备的破损和航道的淤积等方面[5]。而码头加固改造一方面可恢复原码头的营运能力，另一方面可提高码头的靠泊能力。为此，我国于2011年颁布了《港口水工建筑物修补加固技术规范》，此规范的颁布为码头结构加固改造提供了标准依据，填补了码头结构加固设计上的行业空白，但此规范仅在码头混凝土构件的修补加固方面作出明确规定，并没有涉及码头的结构改造。

2 加固方法与理论

通常情况下，高桩码头的加固与修复主要采用局部式和分离式两种方法[6]。

2.1 局部式改造法

在码头构件已经出现结构性裂缝，或结构出现倾斜，部分构件功能劣化严重，整体承载能力不足的情况下，此时的码头已经无法适应使用荷载。通过扩大桩基础或增加结构梁尺寸等方法，增强原有码头的整体性，提高码头的承载能力，该方法称为局部改造法，可归纳为以下几种。

2.1.1封闭法

封闭法分为表面封闭法和压力注浆法。在高桩码头加固过程中，对宽度在0.2 mm以下并已停止发展的浅层裂缝，可采用环氧树脂砂浆、乳化沥青砂浆等对表面裂缝进行封闭，该方法简单易行。对于裂缝宽度大于0.2 mm的构件，经专家技术论证后，可采用高压灌浆法进行封堵，该方法能够很好地恢复结构的整体性，但在施工过程中受作业面的限制。

2.1.2局部损伤修复法

当码头面层、横梁、立柱、靠船构件存在砼脱落、严重锈蚀、露筋等情况时，可采用重新浇筑砼、加焊或更换构件等方式，使码头结构功能恢复至原状。该方法易于执行，操作方便。

2.1.3外部材料增强法

针对码头结构中存在损伤的梁、板、柱等构件，采用同种材料增大原构件的横截面面积、外包型钢、粘贴钢板或外粘纤维复合材料等方式，使之与原构筑物形成整体，共同承担荷载，提高原构件的物理力学性能，从而恢复码头的作业能力。该方法的原理和操作相对简单，对于原构件的加固作用比较直观。但由于通常是在高空或者悬空作业，且作业面在水上，因此需要特别注意施工安全。

2.1.4预应力加固法

预应力加固法属于结构整体稳定性加固方法，即通过设置预应力拉杆、撑杆或支点，增强码头结构的整体稳定性，提高码头的承载能力和局部构件的抗裂能力，该方法适用于大跨径和大型高桩码头的加固整治。与此同时，设置拉杆或撑杆，改变了码头原有的受力情况，因此在设计时需要特别注意拉杆或撑杆的参数，确保码头仍然处在一个稳定的区间内。

2.2 分离式改造法

分离式改造法是指在靠泊等级不能满足要求的情况下，通过在原码头前方新建结构物，该结构物与原结构物独立承受船舶荷载的改造方法。该方法通常能保证码头结构基本完好且承载力较好，但抗倾覆性不足，常在靠泊等级不能满足现有船舶荷载要求的情况下选用。

3 高桩码头改造案例

3.1 加固方法

3.1.1局部式改造法

杨荣君、尹纪龙等[7-8]通过对宁波港5万t码头的勘察、设计和检测评估文件进行分析，提出以采用铰接传力杆连接码头前后平台的改造方式，提高码头的抗倾覆性，并应用Easydoing和Robot等计算软件建立计算模型，对传力杆和改造前后的码头进行受力分析，证明改造后的码头具备10万t级集装箱船舶的靠泊能力，该改造方式具有工期短、造价低、不影响生产的特点。高义慧[9]分析了表层封闭、压力灌浆、局部损伤修补等6种局部改造方法在南京某高桩码头裂缝修补和结构修复中的加固效果，总结了一套高桩码头修复方案。龚伟杰等[10]以江苏某码头改造工程为原型，采用ANSYS建立二维和三维计算模型，对比分析了两者在不同维度下横梁内力的差别，推荐采用二维模型确定工程方案，用三维模型进行内力分析与配筋。天津港在对1#～3#码头进行砼构件强度、使用性和耐久性检测评估的基础上，探讨了钢板桩锈蚀问题的解决方案，通过技术比选，最终确定采用埋地阳极钢结构阴极保护技术，结合政策要求并以预测吐吞量为目标，通过反算的方法确定码头加固等级，最后对加固构件的内力和变形进行分析计算，首创了以前板桩结构改造高桩码头的新型结构方式[11]。

3.1.2分离式改造法

佛山中外运仓码头运用了PHC桩-重力式挡墙复合结构进行加固处治，并采用有限元方法计算了加固后码头的内力和变形，验证了复合结构在高桩码头加固方面的可行性[12]。张智山等[13-14]针对天津港老码头在改造过程中存在的重难点问题、技术路线及改造基本原则，结合现场勘察数据、施工控制环节等，开发出了“新建靠船构件技术、新建独立及非独立靠船墩技术”等七大码头结构等级提升技术，并将成果应用于码头实体工程的加固改造。王元战等[15]以天津港25～26段码头为实例，运用ABAQUS建立高桩码头坡岸-CDM-加固结构的三维计算模型，分析了在不同CDM加固深度时坡岸土体的位移和基桩的受力情况，证明了CDM法加固高桩码头是有效的，并确定了最佳的CDM加固深度。郝伟力[16]对比分析了CBM格构式挡土墙、MCDB挡土墙和桩孔灌注桩3种加固方案在高桩码头坡岸的加固效果，及上述加固方案的基桩水平位移、土体竖向沉降及水平位移，结果显示MCDM的加固效果最好。

3.2 方法评述

对比分析上述加固案例可知，在进行高桩码头加固方式的选择时，需要综合考虑码头的加固需求、技术难度、经济性和适用性，下面将从这4个方面对“分离式”和“局部式”两种常用高桩码头加固方式进行比选。

3.2.1加固需求

通常情况下，加固需求分为两种。一种是码头作业功能的恢复，这相当于码头的正常维修养护，其加固目标是在确保码头安全的前提下，具备高效的作业能力，但此种恢复并不能提升码头的靠泊能力；另一种是作业能力的全面提升，相当于一次全面的提质改造，该种改造在确保码头作业安全的前提下，能够全面提升码头的靠泊能力。由前文可知，局部加固方法主要是对高桩码头的某个构件或某类构件进行加固，如横梁、桩、立柱等，该加固可明显提升码头的稳定性、安全性和适用性，延长码头的使用寿命，但在不改变码头原有受力情况的条件下，对码头靠泊能力提升意义不大；分离式加固方法是通过新建构筑物，与码头原有构筑物联合作业，从而恢复或提升该码头的作业能力，该方式对于码头靠泊能力的提升大有裨益。

3.2.2技术难度

就技术难度而言，局部式加固明显更注重细节，技术难度往往集中在结构的内力计算、安全性评估和加固方案设计方面，在加固材料和工艺选择方面需要慎重考虑，否则无法达到预定的加固目标；分离式加固技术更加注重整体，即新老构筑物的协同作用，该项技术的难点在于如何将新老构筑物有机结合，形成整体，该项技术的设计和安全评估难度大于施工，在实施前需要经过严谨的技术比选，同时在施工的过程中需要对原有码头进行安全监测，交工后需要进行严格的检测和安全评估。

3.2.3经济性

从经济方面考虑，局部式加固仅涉及码头原有构件的加固维修或者更换，所需的加固费用较低，且施工和人员的组织相对简单，所需的流程也更少，因此工期更短，对码头的运营影响更小，由码头加固施工造成的运营损失更小。但采用局部式改造方法，港口的吞吐能力没有得到切实提高，因此码头加固后的运营回报并没有增加。基于此，从长远的经济效益方面考虑，分离式码头加固能带来更加明显的经济效益。

3.2.4适用性

从适用性角度而言，对于以煤、矿石、建材等散货为主的高桩码头，其吞吐量相对稳定，因此提升码头靠岸等级的意义并不大，在这种情况下，采用局部式改造方法更加妥当；而对于外贸码头或者集装箱码头，随着国际贸易的不断增长，提升靠岸等级迫在眉睫，采用分离式加固方法更加恰当。

对比分析两种加固方法应用情况可知，局部加固法造价更低，对原码头的利用率更高，工期更短，施工对码头正常生产的影响更小，其加固的技术要求更高，对材料及设备的依耐性更强，且大多数情况下是对码头出现诸如桩基承载力不足、结构裂缝等缺陷的修复，而对于码头靠岸能力的提升作用不如分离式加固法明显；分离式加固法可明显提高码头的靠岸等级，提升港口的营运能力，且施工和加固技术相对简单，容易实行。然而，分离式加固方法受场地、岸线、浚深和配套设施的限制，同时还容易出现新老结构物协同作业不佳的问题。

综合以上两种方法的优缺点，在进行加固方法选择时，首先应考虑加固的目的。若是为恢复码头的作业能力，则推荐采用局部加固法；若是为了提高码头的靠岸等级，则应先对码头进行检测评估，如码头的承载能力和构件完好程度良好，仅抗倾覆性能存在问题，则推荐采用分离式加固法，否则应该采用局部式和分离式相结合的方法。

3.3 实施方案

在常熟华润石油化工码头的加固改造过程中，工程技术人员在检测与评估的基础上，对比分析了不同改造方案的结构安全性、耐久性和经济性，最终优选出了最佳的改造方案[17]。在近年来上海的高桩码头加固设计过程中，工程技术人员总结后发现，码头改造方案需结合码头的结构形式、靠岸等级提升目标、码头现状共同确定[18]。白如冰等[19]在分析总结江苏省内河高桩码头改造技术的基础上，枚举案例对“局部改造法”和“分离式改造法”两种方法的靠泊点平面布置和码头结构计算进行了分析，得出了局部改造方法和分离式改造方法在平面设计中的基本设置原则。蒋凯等[20]以江苏省内河码头改造项目为依托，系统全面地分析了目前内河码头加固改造存在的重难点，总结出适用内河高桩码头加固改造的设计方法和施工方案，为内河高桩码头的加固设计和施工提供指导。孟晓宁等[21]认为高桩码头的改造必须在安全性和适应性的原则下进行，同时还应兼顾经济和可持续发展，并依据以上原则对天津北方港航石化码头的改造方案进行了比选，确定了安全合理的加固方案。

总结上述文献综述可以得出，在改造方法确定后，高桩码头的具体实施方案应该具有安全可靠、经济合理、技术可行、兼顾生产的特点。同时，上述案例极少涉及环保问题，而环保是目前关注的一个重点问题，因此在高桩码头的改造升级过程中还应兼顾环保。

4 亟待解决的问题

综合码头改造案例可知，随着新技术、新设备和新材料的不断问世，高桩码头的改造效果和效率得到了不断提升。然而，就目前而言，高桩码头在加固改造方面仍存在以下亟待解决的问题：

1) 码头的改造形式、设计和计算方法无固定标准。

首先，每个码头都是独立的个体，针对每个码头的改造均需要开发独立的改造形式，可借鉴的设计经验少。同时，目前的设计理论与工程实际严重脱节，导致规范中的码头设计计算方法与旧码头结构加固计算方法不符，因此在旧码头的改造设计计算中还没有统一可靠的计算模式，设计人员在加固改造设计时缺少合理的简化计算方法。最后，对于码头改造后的稳定性评估，因码头的结构和地质条件均发生了一定的变化，所以原有码头的稳定性计算方法并不适用于改造后码头的稳定性分析，目前国内在这方面的研究还相对滞后。

2) 缺少新老衔接部位的处理手段。

类似于道路扩宽及桥梁加固处治，只有新老结构物的连接处理恰到好处，结构物才能发挥其应有的功能。码头的结构加固也常涉及到新老结构物的衔接问题，而此处的连接方式和受力状态目前尚无具体的确定方法。此外，新老结构在安全性和耐久性方面的差异问题还未解决。

3) 改造后码头前沿线的确定。

码头的前沿线需综合考虑码头的结构形式、配套设施、技术条件和环保要求，为了获取足够的水深，满足船舶的靠泊要求，码头的前沿线通常需要外移，而目前仍缺少码头前沿线外移方面的技术依据。

5 总结

综述了国内高桩码头的改造情况，并分析了各码头的改造特点，以及确定改造方法采用的依据。在此基础上对比分析了两种常用高桩码头加固方式的优缺点，并据此提出高桩码头在加固改造时应采用的加固方式。此外，通过文献综述，概括了高桩码头加固改造时应适应的基本原则，为高桩码头加固方案的拟定提供借鉴。最后，总结分析了目前高桩码头加固改造中存在的不足，为高桩码头加固改造的研究提供方向。