一种模块化装配式桩基码头结构体系及其施工方法与流程

本发明涉及港口码头领域，具体涉及一种模块化装配式桩基码头结构体系及其施工方法。

背景技术：

高桩梁板式码头是一种主要适合于软土地基的码头结构型式，常用基桩型式包括混凝土方桩、混凝土管桩、钢管桩等，上部结构为混凝土梁板结构，多为部分预制结构。近年来，也有部分大型桩基码头建造在覆盖层较浅甚至裸露基岩面上，如宝钢30万吨级矿石码头工程、舟山鼠浪湖40万吨级矿石码头工程等大型外海开敞式码头工程，高桩梁板式桩基码头结构型式的适用范围越来越广。

在离岸式港口码头建设中，桩基码头结构是一种十分常见的结构型式，而我国传统桩基码头上部结构体系主要以现浇横梁、预制纵梁为主的结构体系。传统桩基码头结构建造施工过程一般包括：1.沉桩，2.架立围囹，3.支横梁底模板和侧模板，4.绑扎钢筋，5.浇注混凝土横梁，6.安装预制纵梁（轨道梁），7.安装预制面板，8.完成现浇纵横梁和面层浇注。传统桩基码头建设中，构件标准化程度、工厂化制作、施工效率、施工周期、装配化程度等仍有待进一步提升。

传统高桩码头上部结构体系一般大量采用现浇混凝土，混凝土用量较大，自重荷载较大，进而下部桩基结构不够经济。此外，现浇横梁浇注往往还涉及较低水位的模板支立与拆除作业工作，有效施工作业时间较短，施工工期较长，且建造工效较低。大量水上人工施工作业，现场工人、技术、管理人员等数量较多，规范作业管理十分困难，现场安全、工程质量均较难控制。

技术实现要素：

鉴于上述现有传统高桩（梁板式）码头上部结构体系的缺点，本发明的目的在于提供一种模块化装配式桩基码头结构体系及其施工方法，用于克服传统桩基码头设计与建造的缺点。

本发明的一种技术方案如下：

一种模块化装配式桩基码头结构体系包括:桩基基础（1）、模块化上部结构部（2）、桩基与模块化上部结构部连接节点（3）；所述模块化上部结构部（2）包括箱型钢纵梁（201）、箱型或工字钢横梁（202）、复合面板结构部（203）和靠船构件部（204）；箱型钢纵梁（201）、箱型或工字钢横梁（202）和复合面板结构部（203）连成一体，靠船构件部（204）位于码头前沿箱型或工字钢横梁（202）悬挑部位，两者通过螺栓连成一体；所述桩基与模块化上部结构部连接节点（3）通过固定在箱型钢纵梁（201）上的下部凸出部（301）直接与桩基基础（1）连接，压力注浆部（303）设于下部凸出部（301）与桩基顶部封堵板（302）之间的腔体内；所述压力注浆部（303）注入浆液，将所述桩基基础（1）、模块化上部结构部（2）、桩基与模块化上部结构部连接节点（3）连为一体。

更进一步，所述桩基基础（1）采用直桩钢管桩，便于模块化上部结构部（2）整体安装就位施工。

更进一步，所述模块化上部结构部（2）还设有码头靠泊设施（251）、码头系泊设施（252）、工艺辅助设施（253）和安全辅助设施；所述码头靠泊设施（251）为橡胶护舷，通过螺栓与靠船构件部（204）连成一体；所述码头系泊设施（252）为铸钢、铸铁系船柱、或者快速脱缆钩，通过螺栓与箱型或工字钢横梁（202）连为一体；所述工艺辅助设施（253）为钢轨及其锚固件，通过钢轨锚固件与箱型钢纵梁（201）连为一体；所述安全辅助设施包括护轮坎（254）、橡胶爬梯。

更进一步，所述模块化上部结构部（2）由所述第一模块化上部结构部(2a)和第二模块化上部结构部(2b)组成。

更进一步，所述码头靠泊设施（251）、码头系泊设施（252）、工艺辅助设施（253）和安全辅助设施间隔设置于所述模块化上部结构部（2）上，其中码头靠泊设施（251）、码头系泊设施（252）位于码头前沿侧。

更进一步，所述第一模块化上部结构部(2a)和第二模块化上部结构部(2b)在所述桩基基础（1）和所述桩基与模块化上部结构部连接节点（3）上方的位置关系为：左、右两侧设置所述第一模块化上部结构部(2a)、中间设置第二模块化上部结构部(2b)或第一模块化上部结构部(2a)和第二模块化上部结构部(2b)交错布置。

更进一步，所述箱型钢纵梁（201）由箱型梁周侧钢板（201a）、横向加劲肋（201b）、纵向加劲肋（201c）、下部凸出部（301）组成。

更进一步，所述工艺辅助设施（253）与下横向、纵向加劲肋（201b、201c）组成的仓隔内填充含膨胀剂的混凝土形成内嵌钢轨锚固梁（253a）。。

更进一步，所述模块化上部结构部（2）采用轻质高强材料进行模块化设计，模块平面尺度大小依据水上施工起吊设备能力相应确定。

本发明另提供一种模块化装配式桩基码头结构体系的施工方法如下：

a.在预制加工厂完成模块化上部结构部（2）的钢结构制作加工；同时，调遣打桩船至工程现场，进行沉桩施工；

b.待打桩船到达工程现场后，进行桩基基础（1）沉桩施工，并及时监测沉桩偏位，并形成模块化上部结构部（2）的现场桩位图，并及时反馈至模块化上部结构部（2）的预制加工部门；必要时，应考虑架设桩基围囹，确保桩基偏位稳定；

c.根据现场反馈的沉桩偏位情况，在预制加工厂完成模块化上部结构部（2）的下部凸出部（301）、下部凸出部端部（301a）的焊接固定，然后将制作加工完成的模块化上部结构部（2）运输至现场；

d.在工序(a)~(c)展开的同时，调遣具备相应起吊能力的船只设备至工程现场，待模块化上部结构部（2）运输至现场进行安装就位工作；

e.待具备相应起吊能力的船只设备到达现场，及时进行模块化上部结构部（2）的安装工作，并及时进行桩基与模块化上部结构部连接节点（3）注浆施工，完成码头主体结构施工；

f.进行码头附属设施以及钢轨等的安装与铺设施工工作，并进行整机设备上岸及其调试工作，完成码头施工。

有益效果：所述模块化装配式桩基码头的施工建造全过程，可避免大量水上特种危险施工作业工序，显著提高建设效率，完全突破传统高桩码头施工工法限制，有效节约工期，减少现场工人、技术、管理等人员数量，降低人力成本。如果考虑将来人力成本还继续增加，方案远期优势还将更为明显。

所述模块化装配式高桩码头结构体系的主体结构体系主要采用轻质高强的钢材，上部结构自重荷载较小，进而下部基础桩基结构整体也较为经济。同时，全直桩钢管桩基础码头结构变形能力较好，抗震性能较为优越，特别适用于强震地区。

所述模块化装配式高桩码头结构体系的上部结构全部采用工厂化制作加工，可有效确保上部结构施工制作质量。此外，上部结构采用现场整体模块安装，可显著提高施工工效。

所述模块化装配式高桩码头结构体系纵梁采用钢箱梁，可较好地适应码头上部重型操作工艺设备荷载，包括集装箱装卸桥、门机等，轮压一般为30~80ton，轮距一般在0.6~1.2m，属于重型荷载。

附图说明

图1为本发明的俯视图，模块2a、2b组合方式一；

图2为本发明的俯视图，模块2a、2b组合方式二；

图3为模块化上部结构部，模块2a；

图4为模块化上部结构部，模块2b；

图5为码头断面示意图；

图6为桩基与模块化上部结构部连接节点图。

其中，码头断面示意图、桩基与模块化上部结构部连接节点图具体说明如下：

1、桩基基础

2、模块化上部结构部

3、桩基与模块化上部结构部连接节点

201、箱型钢纵梁

201a、箱型梁周侧钢板

201b、横向加劲肋

201c、纵向加劲肋

202、箱型或工字钢横梁

203、复合面板结构部

204、靠船构件部

251、码头靠泊设施

252、码头系泊设施

253、工艺辅助设施

253a、内嵌钢轨锚固梁

254、护轮坎

301、下部凸出部

301a、下部凸出部端部

302、桩基顶部封堵板

303、压力注浆部

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由此说明书所揭露的内容清楚地了解本发明的优点及功效。

为清楚表达该模块化装配式桩基码头结构体系及其施工方法，实施例一、二均以岸线长1400m大型散货码头（5个泊位）为例，设计船型为10万吨散货船。附图的桩基、靠泊、系泊设施类型均为假定。

为了能够详细地描述本实施例模块化装配式桩基码头结构体系及其施工方法，首先需要对该结构体系做说明，具体详见附图说明。

实施例1

如图1-6所述，一种模块化装配式桩基码头结构体系包括：

桩基基础（1）、模块化上部结构部（2）、桩基与模块化上部结构部连接节点（3）；

散货码头泊位总平面尺度为1400（长）*30（宽）m，将其上部结构部（2）分成28个，首先在工厂制作加工，后经水路运输至现场，再整体装配安装就位，其中第一模块化上部结构部(2a)、第二模块化上部结构部（2b）各14个，每个平面尺度50（长）*30（宽）m。

所述模块化装配式桩基码头结构体系的桩基基础（1）采用直桩钢管桩，便于上部结构部（2）整体安装就位施工。本实施例第一、二模块化上部结构部(2a)、（2b）分别涉及18根桩基，共432根。

所述模块化上部结构部（2）设有箱型钢纵梁（201）、箱型或工字钢横梁（202）、复合面板结构部（203）和靠船构件部（204）；模块化上部结构部（2）通过箱型钢纵梁（201）、箱型或工字钢横梁（202）和复合面板结构部（203）连成一体，靠船构件部（204）位于码头前沿箱型或工字钢横梁（202）悬挑部位，通过螺栓与其连成一体。

所述桩基与模块化上部结构部连接节点（3），通过固定在箱型钢纵梁（201）的下部凸出部（301）直接与桩基基础（1）连接，压力注浆部（303）设于箱型钢纵梁（201）的下部凸出部（301）与桩基顶部封堵板（302）之间的腔体内，一般采用的浆液要求为高强水泥浆或其他高分子聚合材料，适当添加膨胀剂，工艺要求分两次压力注浆，可确保节点连接可靠。压力注浆部（303）的高度h1大于下部凸出部（301）的高度h2,压力注浆部（303）的宽度d大于下部凸出部（301）的宽度d。

所述模块化上部结构部（2）还设有码头靠泊、系泊、工艺辅助和安全辅助等设施。码头靠泊设施（251）一般为橡胶护舷，通过螺栓与靠船构件部（204）连成一体。码头系泊设施（252）一般为铸钢、铸铁系船柱、或快速脱缆钩等，通过螺栓与箱型或工字钢横梁（202）连为一体。工艺辅助设施（253）一般为钢轨及其锚固件，通过钢轨锚固件与箱型钢纵梁（201）连为一体。安全辅助设施一般涉及护轮坎（254）、橡胶爬梯。

箱型钢纵梁（201）设有箱型梁周侧钢板（201a）、横向加劲肋（201b）、纵向加劲肋（201c）、下部凸出部（301）。其中，下部凸出部端部（301a）与下部凸出部（301）相连。

当铺设工艺辅助设施（253）时，为确保码头面集装箱装卸桥、门式起重机等重型设备正常平稳运行，需在箱型钢纵梁（201）的横向、纵向加劲肋（201b、c）形成的仓隔内，设置内嵌钢轨锚固梁（253a），填充含膨胀剂的混凝土，使得轨道锚固件连接牢靠。

由于上述模块化上部结构部（2）采用模块化设计，模块平面尺度较大，其单个模块涉及平面面积为1500平方米，采用轻质高强钢结构，自重约为2250~3000吨，因此，其施工吊装要求采用的水上起吊设备起重能力约为4500~6000吨。国内相应水上起重能力的设备已经较为常见。

本实施例根据码头靠泊设施（251）、码头系泊设施（252）的许可安全间距及布置方式，将模块化上部结构部（2）分成2种型号（2a）、（2b），其他结构构造完全一致。然后根据码头靠泊设施（251）、码头系泊设施（252）的布置要求，给出了2种合理的组合方式。

实施例2

如图1-6所示，实施例1中所述模块化装配式桩基码头结构体系的施工方法：

a.在预制加工厂完成模块化上部结构部（2）的钢结构制作加工。同时，及时调遣打桩船至工程现场，进行沉桩施工。

b.待打桩船到达工程现场，进行码头桩基部分沉桩施工，并及时监测沉桩偏位，并形成模块化上部结构部（2）的现场桩位图，并及时反馈至模块化上部结构部（2）的预制加工部门；必要时，应考虑架设桩基围囹，确保桩基偏位稳定。

c.根据现场反馈的沉桩偏位情况，完成模块化上部结构部（2）的下部凸出部（301）、下部凸出部端部（301a）的焊接固定，然后将制作加工完成的模块化上部结构部（2）分批经水路运输至现场。

d.在施工工序(a)~(c)展开的同时，选择合适的时间点，及时调遣具备相应起吊能力的船只设备至工程现场，待模块化上部结构部（2）运输至现场进行安装就位工作。

e.待具备相应起吊能力的船只设备到达现场，及时进行模块化上部结构部（2）的安装工作，并及时进行桩基与模块化上部结构部连接节点（3）注浆施工，完成码头主体结构施工。

f.进行码头附属设施以及钢轨等的安装与铺设等施工工作，并及时进行整机上岸及其调试工作，完成码头施工。

本实施例施工工法涉及调遣打桩船1艘、模块化上部结构部运输船只1艘，起重能力约为4500~6000吨水上起吊设备驳船只1艘，钢结构制作加工厂设在水陆运输便利，且配备相应起吊能力。同时，现场实际沉桩允许一定的桩基偏位，桩基偏位许可限值为（d-d）/2。

根据以往经验，实施例一、二岸线长1400m散货码头采用传统桩基码头结构方案，施工建造周期约为2.5~3.0年。而实施例一、二岸线长1400m散货码头采用装配式桩基码头结构体系及其施工方法，可安排在1.0~1.5年。实施例施工工期总体进度计划安排考虑了上部结构工厂制作加工、现场沉桩、上部结构部运输、现场整体安装等工序之间进行了流水作业安排，施工周期明显缩短，施工工效可得到显著提高。

实施例现场水上作业工序大大减少，便于水上作业规范管理，便于现场安全和工程质量控制。水上作业人员数量也可明显减少，包括工人、技术、管理人员，人力成本明显降低。如果考虑远期人力成本将急剧增加，本实施例未来优势还将更为明显。

实施例的施工方法的工序c要求根据现场反馈的沉桩偏位情况确定模块化上部结构的下部凸出部（301）、下部凸出部端部（301a）的制作加工位置，便于上部结构整体安装就位。