新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門在沉管預(yù)制廠中的應(yīng)用

陳良志，盧永昌，梁桁

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

浮塢門是一種浮箱式閘門，是可沉浮的箱形結(jié)構(gòu)，關(guān)閉塢口時，可將它沉放到規(guī)定的塢口位置，緊靠塢門墩和塢檻上。需要打開塢口時，從浮箱里抽水，塢門便可浮起拖至一旁存放。浮塢門因其使用維修方便，不易出故障，被廣泛地運用于干船塢和沉管預(yù)制廠中。

隨著海洋工程的深水化和大型化以及沉管隧道的快速發(fā)展，沉管斷面不斷增大，相應(yīng)的塢門也愈建愈高，愈來愈寬。傳統(tǒng)干船塢為塢內(nèi)水抽空，塢門只承受塢外側(cè)的水壓力，水壓呈三角形分布，壓力較??；而大型“工廠法”沉管預(yù)制廠需塢內(nèi)蓄水[1-4]，塢內(nèi)水位高于塢外，塢門高度更高，承受的水壓力更大。傳統(tǒng)干船塢浮塢門門體材料一般為全鋼結(jié)構(gòu)，受力形式為三邊支撐，隨著塢門高度和跨度加大，傳統(tǒng)塢門結(jié)構(gòu)的用料極不經(jīng)濟(jì)、防腐和維修均不便利；且在大水壓力作用下，傳統(tǒng)大跨度塢門體將承受巨大的水平向彎矩，塢門兩側(cè)壁也會有很大的水壓力，對塢門的結(jié)構(gòu)受力極其不利。

因此，本文針對大型“工廠法”沉管預(yù)制廠中浮塢門的受力特點，以港珠澳大橋島隧工程桂山沉管預(yù)制廠深塢浮塢門為例，提出一種結(jié)構(gòu)設(shè)置合理、浮游穩(wěn)定性高、安全性好的鋼筋混凝土與鋼結(jié)構(gòu)組合沉箱重力式浮塢門結(jié)構(gòu)[5]，此結(jié)構(gòu)受力合理、安全可靠，具有較高的工程實用價值，可在類似工程中推廣使用。

1 港珠澳大橋沉管預(yù)制廠深塢塢口區(qū)工程概況

港珠澳大橋島隧工程5 664 m的超長、深埋海底沉管隧道是當(dāng)今世界同類工程中綜合技術(shù)難度最大的項目。沉管隧道采用“節(jié)段式沉管”方案，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的尺寸為180 m（長）伊37.95 m（寬）伊14 m（高），重約7.4萬t。隧道工程需配套建設(shè)一個沉管預(yù)制場。

港珠澳大橋沉管預(yù)制廠是全球第二次、國內(nèi)首次采用工廠流水線進(jìn)行沉管管節(jié)預(yù)制的預(yù)制廠，并擁有世界上規(guī)模最大的深淺塢室，總體平面圖見圖1。深淺塢室內(nèi)能同時容納6節(jié)沉管，深塢底標(biāo)高-12.8 m，淺塢底標(biāo)高+3.5 m，深淺塢四周擋水構(gòu)筑物頂標(biāo)高+15.8 m，塢內(nèi)設(shè)計蓄水水位+15.35 m。其中深塢塢口是管節(jié)出塢的咽喉，為適應(yīng)管節(jié)出塢的需要，塢口設(shè)計寬61 m，高29.1 m；為滿足塢內(nèi)蓄水要求，在深塢塢口處設(shè)置超大浮塢門擋水結(jié)構(gòu)（其典型斷面圖如下文圖3所示），塢內(nèi)蓄水至+15.35 m時，水深達(dá)28.15 m，塢外側(cè)與外海連通，設(shè)計低水位為-0.52 m，此時塢內(nèi)外水頭差15.87 m；同時，浮塢門還需滿足止水要求。

圖1 港珠澳大橋沉管預(yù)制廠總體平面圖Fig.1 General layout of immersed tunnel precast factory of HZMB

2 深塢浮塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.1 浮塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

1）深塢塢口寬度61 m，浮塢門尺寸巨大，在進(jìn)行浮塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計時需考慮浮塢門的預(yù)制和安裝問題。

2）為了滿足塢口的止水要求，在蓄水滿載期間，塢門內(nèi)外設(shè)計水頭差達(dá)到15.87 m，且水壓為梯形分布，為傳統(tǒng)船塢塢門荷載的3倍，對于如此巨大的荷載，保證塢門結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性是一個難題。

3）沉管出運時浮塢門需開啟，應(yīng)具備起浮和浮運功能，但塢門自重的增加和塢門起浮在設(shè)計中是一個矛盾體。

2.2 浮塢門結(jié)構(gòu)形式分析

從塢門受力角度分析，超寬超高浮塢門若采用全鋼結(jié)構(gòu)則用料極不經(jīng)濟(jì)，防腐和維修工作量均很大，且在超大水壓力作用下，大跨度塢門會產(chǎn)生巨大的水平向彎矩，兩側(cè)塢墩也將承擔(dān)巨大的壓力。從塢門預(yù)制場地的角度分析，若選用全鋼結(jié)構(gòu)浮塢門，則浮塢門無法在現(xiàn)場預(yù)制，需要在廠房內(nèi)預(yù)制完畢后再浮運至深塢口，工序繁多，耗時較長。

鋼筋混凝土沉箱在港口工程中是一種常規(guī)結(jié)構(gòu)，在重力式碼頭和護(hù)岸結(jié)構(gòu)中已大量采用[6]，結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟、穩(wěn)定性良好、施工預(yù)制工法簡單，施工質(zhì)量能夠得到保證。若港珠澳大橋沉管預(yù)制廠浮塢門主體結(jié)構(gòu)選用鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，可采用“干塢法”[7]在深塢區(qū)內(nèi)進(jìn)行預(yù)制。在深塢區(qū)開挖時，塢口處保留擋水巖體，深塢區(qū)內(nèi)具備干施工條件，為浮塢門提供良好的預(yù)制場地；當(dāng)浮塢門在深塢區(qū)預(yù)制完成后，采用倒虹吸向深塢內(nèi)灌水，可對塢門進(jìn)行試漏檢驗，確保塢門水密性后繼續(xù)灌水直至塢門起浮，最后浮運至塢口處進(jìn)行塢門安裝。

2.3 浮塢門浮游穩(wěn)定設(shè)計

浮塢門的浮游穩(wěn)定性關(guān)系到塢門啟閉的可操控性。從浮游穩(wěn)定的角度出發(fā)，浮塢門應(yīng)當(dāng)具備以下基本條件和功能：

1）浮塢門平面重心位置應(yīng)與形心位置重合，且應(yīng)盡量降低塢門重心高度。

2）浮塢門預(yù)制過程中存在混凝土振搗密實度差異而導(dǎo)致的密度差異，且塢門安裝就位對垂直度的要求較高，因此塢門需要配置壓載水艙系統(tǒng)。

3）應(yīng)盡量降低浮塢門自重，減小塢門吃水深度，為浮塢門預(yù)留足夠的水深富余。

針對以上3點條件要求，對塢門結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，若塢門采用全鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于浮塢門尺寸較大，為降低重心高度，浮塢門需要灌注大量的壓載水才能保證浮游穩(wěn)定性要求，這導(dǎo)致浮塢門吃水過深，在浮運過程中存在傾斜擱淺的風(fēng)險。為解決這一難題，需從浮塢門的結(jié)構(gòu)受力機(jī)理出發(fā)，對浮塢門的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)一步優(yōu)化。以下分別闡述浮塢門的結(jié)構(gòu)布局和壓載水系統(tǒng)設(shè)計。

2.4 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計

將浮塢門主體結(jié)構(gòu)劃分為兩大部分。

第一部分是鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)部分：浮塢門鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)部分下部18.6 m高范圍內(nèi)由40個艙格組成，上部10.5 m兩側(cè)艙格高起。

第二部分鋼結(jié)構(gòu)部分：高出的艙格之間靠海側(cè)處設(shè)置10.5 m高擋水鋼扶壁，擋水鋼扶壁由8片弧形擋板以及每兩片弧形擋板后的鋼肋板構(gòu)成，形成一個能擋水的拱形結(jié)構(gòu)。

通過該組合結(jié)構(gòu)，在保證浮塢門擋水要求的前提下，最大限度地降低了浮塢門的重心高度，同時浮塢門的自重也大大降低，從而確保塢門的浮游穩(wěn)定性和吃水富余。

2.5 壓載水系統(tǒng)設(shè)計

新型鋼-混凝土組合式浮塢門沉箱分為玉耀郁4個獨立大艙格，每個大艙格由10個小艙格組成，小艙格之間由準(zhǔn)500 mm的透水孔連通，艙格分布如圖2所示。在浮塢門四邊艙格內(nèi)分別設(shè)置1臺潛水泵和1個進(jìn)水孔（配置鋼閥門，控制排水管啟閉），進(jìn)水孔和潛水泵的控制系統(tǒng)均設(shè)置于浮塢門頂部，操作人員可在浮塢門頂面進(jìn)行操控，精確控制4個獨立大艙格內(nèi)壓載水水位，調(diào)整浮塢門垂直度和吃水深度。

圖2 新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門壓載水艙系統(tǒng)平面圖Fig.2 Ballast tank system of new steel-concrete combination floating caisson dock gate

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

3.1 浮游穩(wěn)定分析

新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門進(jìn)行浮運時，塢門壓載水艙內(nèi)壓載水高度為2.5 m，根據(jù)JTJ 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》[8]，計算浮塢門的浮游穩(wěn)定性得到，浮塢門吃水11.26 m，定傾半徑籽=3.753m，重心至浮心距離琢=2.821 m，定傾高度m=0.932 m，大于《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》第5.2.5條規(guī)定的0.4 m，滿足浮游穩(wěn)定性要求。

3.2 整體穩(wěn)定性分析

浮塢門在工作狀態(tài)下，需承擔(dān)巨大的傾覆力矩和水平滑動力。從浮塢門結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理出發(fā)，浮塢門適宜設(shè)計成重力式結(jié)構(gòu)，但出于起浮及浮運功能需求，應(yīng)盡量減小浮塢門的自重。因此需要對浮塢門在工作狀態(tài)的受力進(jìn)行深入研究分析，得到最優(yōu)的解決方案。當(dāng)浮塢門蓄水時，塢內(nèi)的水位比塢外高15.87 m，這是解決浮塢門整體穩(wěn)定性受力的關(guān)鍵。經(jīng)過反復(fù)分析論證，采取以下措施解決塢門的整體穩(wěn)定性問題：

1）與塢口底止水方案綜合考慮，如圖3所示，浮塢門的底部止水設(shè)置于塢內(nèi)側(cè)，切斷塢內(nèi)和塢外的水壓，蓄水時，浮塢門艙格內(nèi)的水位與塢內(nèi)的水位同步上升，而由水位上升而增加的水體換為塢門的配重，將浮塢門轉(zhuǎn)換為重力式結(jié)構(gòu)，根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》對浮塢門結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗算，見表1，均能滿足規(guī)范要求。

圖3 新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門蓄水時受力圖Fig.3 Force diagrams of new steel-concrete combination floating caisson dock gate in impoundment condition

表1 浮塢門抗傾覆穩(wěn)定性驗算Table 1 The verification results of anti-overturn stability for floating dock gate

2）浮塢門在工作狀態(tài)水平向靜水壓力巨大，抵抗該荷載僅僅靠浮塢門與塢口底板之間的摩擦力是不現(xiàn)實的，因此在進(jìn)行抗剪設(shè)計時，在塢口底板上設(shè)置抗剪牛腿，浮塢門受力時與塢口底板的抗剪牛腿貼緊，將水平向靜水壓力傳遞給塢口底板。而塢口底板錨固于基巖上，可有效地抵抗浮塢門承受的水平向靜水壓力，如圖4所示。

圖4 新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門與塢口底板作用圖Fig.4 The interface between new steel-concrete combination floating caisson dock gate and dock floor

4 現(xiàn)場實施與應(yīng)用效果

2012年5月27日浮塢門進(jìn)行首次浮運安裝，塢門壓載水高度2.5 m，吃水11 m，與理論分析計算結(jié)果基本吻合。浮塢門安裝就位后，深塢塢口擋水圍堰未挖通之前，將浮塢門與擋水圍堰之間的海水抽干，使得塢內(nèi)外形成約13.8 m的水頭差，可檢驗浮塢門+1.0 m以下部分和塢口底板的止水效果，浮塢門的擋水和止水現(xiàn)場照片見圖5，塢門海側(cè)的海水被順利排空，浮塢門的擋水和止水效果顯著。

圖5 浮塢門的擋水和止水現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Photo of floating dock gate waterproof

2012年9月10日，港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠深淺塢首次蓄水至設(shè)計水位+15.35 m（圖6），本次試驗結(jié)果證明該浮塢門結(jié)構(gòu)在滿載蓄水期間，結(jié)構(gòu)的安全性和止水的可靠性均滿足要求。

圖6 浮塢門蓄水滿載狀態(tài)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.6 Photo of floating dock gate in impoundment condition

截至2017年，港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠完成所有沉管預(yù)制，在預(yù)制廠運營的6 a期間，浮塢門共經(jīng)歷了17次滿載蓄水，40多次啟閉作業(yè)，浮塢門的浮游穩(wěn)定性、整體穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)安全性及止水效果等均表現(xiàn)出良好性能，保證了沉管預(yù)制工作的順利實施。

5 結(jié)語

1） 采用鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)作為浮塢門的主體結(jié)構(gòu)，因地制宜有效地利用了深塢坑作為浮塢門預(yù)制場地，并且利用深塢坑對浮塢門結(jié)構(gòu)的水密性和止水性進(jìn)行檢測，有效地避免了可能存在的漏水風(fēng)險。

2） 突破傳統(tǒng)的浮塢門結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，采用鋼筋混凝土沉箱組合鋼扶壁的組合結(jié)構(gòu)，有效地降低浮塢門結(jié)構(gòu)重心，同時浮塢門內(nèi)設(shè)置了壓載水系統(tǒng)，用于調(diào)整浮塢門垂直度和吃水深度，有效地提高塢門浮游穩(wěn)定性，為浮塢門反復(fù)啟閉操作提供有力保障。

3） 浮塢門的底部止水設(shè)置于塢內(nèi)側(cè)，巧妙地利用蓄水產(chǎn)生的水壓，將水壓力轉(zhuǎn)換為浮塢門結(jié)構(gòu)的配重，有效地解決了抗傾覆穩(wěn)定性問題。

4） 新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門下部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，相對于全鋼結(jié)構(gòu)塢門，其耐久性好，且浮塢門日常維護(hù)費用低。

5） 港珠澳大橋沉管預(yù)制廠新型鋼-混凝土組合箱形浮塢門結(jié)構(gòu)在6 a的使用期內(nèi)，主體結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了反復(fù)蓄水和啟閉的考驗，在本工程中該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的水壓抵抗能力和止水性能，該類型結(jié)構(gòu)可在類似工程中推廣使用。