適用于水上施工的船閘閘首結(jié)構(gòu)與施工方法

劉 崢，章少蘭，黃 瓏

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014)

傳統(tǒng)干地施工船閘閘首的結(jié)構(gòu)形式一般為整體塢式結(jié)構(gòu)，施工方法是：基坑開挖及支護(hù)，降排水及防滲→澆筑邊底板和中間底板，預(yù)留施工寬縫→分層澆筑廊道及邊墩→進(jìn)行寬縫封澆。此方法的優(yōu)點(diǎn)是施工工藝成熟、能有效減少邊墩產(chǎn)生的不均勻沉降，因此被廣泛應(yīng)用于船閘閘首施工中。然而，此方法并不適用于水上施工船閘閘首。目前，大部分研究都是基于干地施工船閘閘首，對(duì)水上施工船閘研究很少。本文結(jié)合舟山某船閘工程，研究水上施工船閘閘首的結(jié)構(gòu)形式和施工方法，提出適用于水上施工條件的預(yù)制沉箱與現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合的新型閘首結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)考慮水下巖基的特點(diǎn)和閘首特殊的防滲要求，采用爆破炸礁與水下升漿混凝土相結(jié)合的地基處理方式。

1 工程概況

舟山某船閘位于舟山島以南。工程依托現(xiàn)有鳳凰島和皇地基島，在兩島之間圍海筑堤形成相對(duì)封閉水域。為保持港池水位恒定并提供游艇進(jìn)出港池通道，在西側(cè)海堤緊靠鳳凰島處布置同等規(guī)模船閘2座，平行并靠，船閘級(jí)別為Ⅶ級(jí)，規(guī)模為雙線6 m×23 m×2.1 m(口門寬度×閘室有效長(zhǎng)度×檻上水深)[1]。

2 工程自然條件

2.1 潮汐和潮位特征

工程區(qū)域潮波以M2分潮為主，潮汐可歸屬為非正規(guī)半日淺海潮類型。多年平均漲潮歷時(shí)為5 h 40 min，落潮歷時(shí)為6 h 45 min。潮位特征值如下(85國家高程基準(zhǔn)面)：多年平均高潮位1.22 m，多年平均低潮位-0.83 m，多年平均年最高潮位2.31 m，多年平均年最低潮位-1.96 m，多年平均潮位0.22 m。

2.2 設(shè)計(jì)水位

工程采用設(shè)計(jì)潮位如下：校核高潮位 3.28 m，校核低潮位-2.30 m，設(shè)計(jì)高潮位2.58 m，設(shè)計(jì)低潮位-2.13 m，沉箱安放保證水位0.80 m。

2.3 潮流特征

2.4 波浪

工程區(qū)海域波浪以風(fēng)浪為主，設(shè)計(jì)波要素見表1。

表1 50 a一遇設(shè)計(jì)波要素

2.5 工程地質(zhì)

工程場(chǎng)地可劃分為4個(gè)工程地質(zhì)層。第①層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰-灰黃色，層面高程-13.75～0.56 m，具有含水量、壓縮性、靈敏度都高的特點(diǎn)；第②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰色，呈流塑狀，具有含水量、壓縮性、靈敏度都高的特點(diǎn)，工程力學(xué)性質(zhì)較差，必須對(duì)其進(jìn)行地基加固處理；第③層草黃色粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，中壓縮性，層面高程-1.97～-16.12 m，層厚1.0～12.80 m，土質(zhì)均勻；第④-2層強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r，黃色為主，凝灰結(jié)構(gòu)，巖體破碎，巖芯呈碎石狀風(fēng)化裂隙，很發(fā)育，巖質(zhì)軟，易折斷，全場(chǎng)分布，層厚0.90～1.90 m，中偏低壓縮(變形)性，物理力學(xué)性質(zhì)好；第④-3層中等風(fēng)化凝灰?guī)r青灰色、灰黃色，凝灰結(jié)構(gòu)，巖體破碎，巖芯呈碎石狀、風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，為硬質(zhì)巖，巖石基石質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)，全場(chǎng)分布，低壓縮(變形)性，物理力學(xué)性質(zhì)好。船閘閘首地基土層物理力學(xué)指標(biāo)見表2，相應(yīng)的工程地質(zhì)剖面見圖1。

表2 船閘地基土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 船閘基礎(chǔ)工程地質(zhì)剖面

3 閘首結(jié)構(gòu)形式與施工工藝

3.1 閘首結(jié)構(gòu)形式

上閘首長(zhǎng)度為15 m，口門寬度6.4 m，口門凈寬6 m，邊墩寬度為8.77 m，結(jié)合雙線船閘布置，閘首總寬度為33.54 m。雙線船閘之間由隔墻分開，單獨(dú)運(yùn)行[2]。上閘首頂高程3.7 m，門檻高程-4.1 m，底板頂高程-6.2 m，底板后澆層厚40 cm，底板總厚度1.2 m，輸水廊道頂高程-4.8 m、底高程-6.2 m。

3.2 沉箱結(jié)構(gòu)形式

雙線船閘上閘首沉箱采用預(yù)制混凝土整體式沉箱結(jié)構(gòu)形式，沉箱平面尺寸為15 m×33.54 m，沉箱頂高程2.0 m，底板底高程-7.4 m，底板厚80 cm，自質(zhì)量2 618 t，見圖2。

圖2 上閘首沉箱平面圖(高程：m；尺寸：mm)

沉箱中間布置雙線船閘空箱式隔墻，隔墻寬3.2 m，頂高程2.0 m。隔墻下部布置人孔，方便施工期人員通行。為確保預(yù)制混凝土與后期現(xiàn)澆混凝土結(jié)合牢固，沉箱預(yù)制混凝土與船閘后澆混凝土連接部位預(yù)埋插筋[3]。

3.3 沉箱施工方法

沉箱預(yù)制完成后，兩端口門封門，利用浮船塢或斜坡式氣囊下水，通過半潛駁船運(yùn)至安裝場(chǎng)地，拖輪及起重船扶助作業(yè)，由起重船浮吊初步就位后，再向沉箱內(nèi)壓水到吊浮安裝狀態(tài)，最后壓水下沉，就位后將閘室沉箱兩側(cè)設(shè)置的充氣膠囊止水帶充氣，形成臨時(shí)止水線，然后進(jìn)行水下基床升漿混凝土的施工。

3.4 船閘整體施工工藝流程

船閘沉箱施工采用分節(jié)預(yù)制，水下組裝方案。船閘主體工程施工工藝流程如下：土石方開挖→基床施工→沉箱預(yù)制、運(yùn)輸、就位、下沉→沉箱接縫臨時(shí)止水→沉箱加載、基床防滲、抽水→施工平臺(tái)搭設(shè)→沉箱永久止水施工→船閘水工結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆混凝土施工→設(shè)備安裝→無水調(diào)試→放水→有水調(diào)試→驗(yàn)收。

沉箱抽水前，應(yīng)對(duì)沉箱進(jìn)行加載，滿足施工期不同潮位抗浮穩(wěn)定要求(抗浮安全系數(shù)1.05)。當(dāng)設(shè)計(jì)高潮位2.58 m時(shí)，上閘首浮力為50.21 MN，須加載26.78 MN；下閘首浮力40.64 MN，須加載20.64 MN；閘室浮力46.67 MN，須加載23.50 MN。平均高潮位1.22 m時(shí)，上閘首浮力為43.40 MN，須加載19.60 MN；下閘首浮力32.80 MN，須加載12.42 MN；閘室浮力38.62 MN，須加載15.05 MN(以上計(jì)算未計(jì)入沉箱與升漿混凝土的粘接力，浮力按100%計(jì))。施工時(shí)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)潮位資料核算加載質(zhì)量。加載位置宜在沉箱底板處或中間隔墻處，且應(yīng)對(duì)稱布置，避免沉箱受到較大的偏心力。

4 閘首地基處理與防滲

4.1 閘首地基處理

上閘首坐落于基巖上，主要為④-2層強(qiáng)風(fēng)化巖和④-3層中風(fēng)化巖。

經(jīng)綜合考慮，對(duì)基巖頂面高出船閘基礎(chǔ)的部位采用水下鉆孔爆破炸礁，爆破超深按0.5 m計(jì)，超寬上閘首與閘室之間按1 m計(jì)，結(jié)構(gòu)周邊按2 m計(jì)[4-5]。爆破完成后，其超深部分采用回填拋石基床作為閘首的基礎(chǔ)。

4.2 閘首防滲

水下施工作業(yè)環(huán)境下，如何做好閘首防滲是工程的重點(diǎn)，尤其是沉箱安放到位后，須抽水以便形成箱內(nèi)干地施工條件，保證在高潮位時(shí)沉箱的穩(wěn)定性是工程的關(guān)鍵。經(jīng)過論證，工程擬采用水下升槳塊石混凝土方案，即通過布置在沉箱底板的升槳孔對(duì)拋石基床內(nèi)的空隙進(jìn)行壓注水泥砂漿，使水泥砂漿與級(jí)配塊石形成一定強(qiáng)度的固結(jié)體，同時(shí)使沉箱和固結(jié)體緊密結(jié)合在一起，形成黏聚力，從而達(dá)到較好的防滲效果，升漿處理效果見圖3。工程擬考慮待全部沉箱安放到位以及形成臨時(shí)止水線后，對(duì)拋石基床進(jìn)行水下升漿混凝土施工，施工順序如下：施工平臺(tái)搭設(shè)→施工設(shè)備就位→在沉箱底板布置注漿孔及觀測(cè)孔→埋設(shè)注漿管及觀測(cè)管→鉆機(jī)鉆孔→升漿混凝土施工→質(zhì)量檢查→壓水試驗(yàn)→驗(yàn)收。

圖3 升槳處理效果(單位： mm)

升漿混凝土施工應(yīng)遵循先外后內(nèi)的原則，施工方法及要求如下：

2)升漿前，首先對(duì)注漿管進(jìn)行起拔、試水試驗(yàn)，使注漿管與基床底面有一定距離，保證注漿管貫通良好，每個(gè)注漿管起拔的高度不大于10 cm；其次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)漿液性能調(diào)試，使?jié){液滿足可灌入要求。

3)儲(chǔ)漿灌下接吸漿槽，并與灌漿泵連通。施工中利用泵送通過壓漿管將砂漿壓入基床塊石空隙內(nèi)，注漿壓力0.2～0.7 MPa，直到孔口徑外泄?jié){為止，使之形成一定強(qiáng)度的固結(jié)體來滿足其要求。

4)升漿混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到C15以上。

水下升漿混凝土施工應(yīng)先進(jìn)行試驗(yàn)孔試驗(yàn)，對(duì)注漿孔壓力、孔間距、水泥砂漿濃度等參數(shù)應(yīng)通過試驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整確定。

4.3 閘首止水

閘首沉箱和閘室沉箱安放到位后，如何保證不同沉箱結(jié)合成一個(gè)整體，為船閘主體創(chuàng)造干地施工條件是本工程的難點(diǎn)。經(jīng)過論證，工程擬考慮布置臨時(shí)止水和永久止水兩種措施。

臨時(shí)止水：閘首沉箱與閘室沉箱間預(yù)留5 cm間隙，兩端相接處預(yù)留止水槽，槽內(nèi)預(yù)埋充氣膠囊止水，沉箱沉放就位后，升槳混凝土施工前充氣形成施工臨時(shí)止水，見圖4。

永久止水：澆墻體時(shí)在相鄰墻體止水槽內(nèi)二次預(yù)埋銅片止水，并用瀝青填充，形成永久止水線。

圖4 臨時(shí)止水大樣(高程：m; 尺寸：mm)

5 結(jié)語

1)預(yù)制鋼筋混凝土沉箱與現(xiàn)澆混凝土相結(jié)合的新型閘首結(jié)構(gòu)形式適用于水上船閘施工，利用沉箱作圍堰，節(jié)約了工程造價(jià)、縮短了施工周期。

2)對(duì)水下巖基采用爆破炸礁與水下升漿混凝土相結(jié)合的地基處理方式，不僅使沉箱與地基緊密結(jié)合，達(dá)到良好的防滲效果，同時(shí)也保證了高潮位時(shí)沉箱的穩(wěn)定性。

3)通過布置充氣止水膠囊形成臨時(shí)止水以及預(yù)埋止水銅片并用瀝青混凝土填充形成永久止水的方式，使閘首沉箱與閘室沉箱結(jié)合成整體，為船閘主體施工創(chuàng)造了干地施工條件。