某船廠船塢設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

顧寬海 ，程澤坤

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032；2.大連理工大學，遼寧 大連 116023）

1 背景

某船廠船塢工程是廢除現(xiàn)船塢新建2座船塢的改擴建項目，是工廠生產(chǎn)發(fā)展的核心設(shè)施。工程建設(shè)規(guī)模不大，但環(huán)境條件和自然條件復雜，尤其是塢口區(qū)域建設(shè)條件極差，技術(shù)難度大。在如此復雜的環(huán)境條件和自然條件下建設(shè)船塢在我國屬于首次，工程建設(shè)中的許多技術(shù)問題無規(guī)范指導或類似工程經(jīng)驗借鑒。為確保工程安全、可靠、順利的實施，設(shè)計圍繞水上基坑建造塢口、塢墻結(jié)構(gòu)、船塢止水、高靈敏土地基加固等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題進行研究，從而保證了工程順利實施。

工程建設(shè)所取得的應(yīng)用成果，為在有限岸線和狹窄空間以及復雜地質(zhì)環(huán)境條件下設(shè)計、建造船塢提供了寶貴經(jīng)驗。本文重點介紹該船塢設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。

2 工程特點

1） 業(yè)主要求

船塢建設(shè)期間，要求不影響鄰近的船臺和2號碼頭的使用。

2） 環(huán)境條件

由于船塢的布置受到西側(cè)船臺東側(cè)2號碼頭、北側(cè)廠區(qū)道路等已建構(gòu)筑物制約，兩塢口伸入海域約60 m，2號塢塢口離現(xiàn)有船臺橫移區(qū)約21.98 m，1號塢塢口離已建的東側(cè)高樁梁板結(jié)構(gòu)的2號碼頭僅16.8 m，因此環(huán)境條件較復雜。平面位置布置見圖1。

3） 地質(zhì)條件

根據(jù)本工程地質(zhì)報告，船塢前半部分坐落于軟土上，后半部分坐落于巖基上，其中塢口處水深約-6.5 m，土層從上到下分別為：②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑧含黏性土礫砂、⑨強風化凝灰?guī)r、⑩中風化凝灰?guī)r。其中，灰色、飽和、流塑、具高壓縮性的②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚約20 m，土的重度為17.85 kN/m3，固快黏聚力標準值為13.8 kPa，內(nèi)摩擦角為8.7°，且靈敏度為5.4的高靈敏土，其下除幾m厚的其它土層外，即為傾角達21°左右的巖基層，地質(zhì)條件極差。

4） 地質(zhì)水文條件

根據(jù)本工程地質(zhì)報告，⑨強風化凝灰?guī)r滲透系數(shù)K=（1~4）×10-4cm/s，⑩中風化凝灰?guī)r的滲透系數(shù)K=（9~15）×10-5cm/s，⑨層和⑩層屬中透水層，與海水相聯(lián)系，水力連通性較好，地質(zhì)水文條件差。

5） 施工條件

由于環(huán)境條件的制約，不僅影響塢口、部分塢墻主體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，而且使得塢口、部分塢墻的施工不得不在水上進行，施工隨時會受到波浪和水流影響，影響因素較多，施工條件復雜，增加了一定的施工難度。

3 技術(shù)方案

3.1 平面布置

根據(jù)總體的建設(shè)要求，新建2座船塢并列布置在廠區(qū)船臺與2號碼頭之間，船塢軸線垂直現(xiàn)有廠區(qū)2號碼頭布置，塢口朝西南，二塢塢壁線凈距離20 m，塢頂?shù)仄簶烁?3.05 m，中間設(shè)50 t門座式起重機1臺。其中，1號船塢位于東邊，有效尺度為200 m×30 m×13.30 m，底板面標高為-11.25 m；2號船塢位于西邊，有效尺度為158 m×21 m×11.25 m，底板面標高為-8.20 m。兩座船塢共用1座水泵房，位于二塢之間塢口門墩的后側(cè)100 m處，其平面尺度為20 m×24 m。

3.2 結(jié)構(gòu)方案

船塢主體結(jié)構(gòu)均采用設(shè)減壓排水的輕型分離式結(jié)構(gòu)，其中，塢口主體結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上“山”字型整體式結(jié)構(gòu)，塢口建造不設(shè)大圍堰，采用水上鋼板樁基坑圍護法施工，基坑尺度為83 m×18 m×14.75 m；塢墻根據(jù)不同地質(zhì)和環(huán)境條件分別采用雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)、前板樁高樁承臺拉錨塢墻結(jié)構(gòu)、襯砌式和半扶壁式塢墻結(jié)構(gòu)4種組合；塢室底板分別采用樁基上的現(xiàn)澆大板結(jié)構(gòu)和巖基上的現(xiàn)澆大板結(jié)構(gòu)。

圖1 船塢平面位置圖Fig.1 Location map of dock plane

塢口區(qū)域的總體施工順序要求是：水上鋼板樁基坑圍護施工→水上施工塢口、駁岸、塢口后沿的塢墻→待塢口、駁岸和塢口后沿的一定范圍的塢墻形成擋水、止水體系后→撤除1號塢口圍護體，關(guān)閉塢門→大面積開挖1號塢室基坑，施工塢室底板→待一定范圍的1號塢室底板施工完成后，強度達設(shè)計強度的90%以上，再拆除2號塢口基坑圍堰，關(guān)閉2號塢門，再大面積開挖2號塢室基坑，施工塢室底板。

3.3 技術(shù)難點

本工程具有建設(shè)規(guī)模不大，但技術(shù)難度大的特點，在設(shè)計過程中存在以下難點：

1）水上深基坑建造塢口；

2）狹窄空間和復雜地質(zhì)條件下的塢墻設(shè)計；3）復雜地質(zhì)水文條件下的止水設(shè)計；

4）高靈敏度軟土地質(zhì)條件下的地基加固。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 復雜地質(zhì)和海洋環(huán)境條件下的水上深基坑建造塢口設(shè)計

船塢塢口處在海域中，地質(zhì)條件極差，環(huán)境條件復雜，施工條件差，采用何種塢口建造方案是工程最為關(guān)鍵的技術(shù)問題，它直接影響到整座船塢的建設(shè)周期、總體造價及工程的成敗等問題。

根據(jù)國內(nèi)外常用的建塢技術(shù)，在有條件時塢口建造一般優(yōu)先采用獨立的臨時圍堰進行干施工。由于本工程塢口處水深較深，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚約20 m，地質(zhì)條件極差，如采用堤壩式或雙排及格形板樁式等大圍堰方式，圍堰工程量較大、總造價劣勢明顯，加之受塢口與相鄰的船臺及碼頭太近的因素影響，根本無法提供足夠的場地空間來修筑大圍堰，且圍堰建造在高壓縮性的淤泥質(zhì)軟土層上，存在岸坡穩(wěn)定的安全隱患，也不經(jīng)濟。因此，為解決建造塢口大圍堰面臨的空間狹窄和軟土地基的問題，設(shè)計選擇了適合本工程且有施工實例的、較新穎的整體鋼殼沉箱方案和水上鋼板樁基坑圍護方案進行綜合比較。

整體鋼殼沉箱方案是將采用預制的整體式鋼殼沉箱作為塢口結(jié)構(gòu)的外模板，塢口混凝土在該鋼殼內(nèi)干施工澆筑。鋼殼沉箱按照塢口主體結(jié)構(gòu)的尺度進行制作，其結(jié)構(gòu)是采用類似于船體的鋼板焊接的水密箱體，在船塢內(nèi)或船臺上制作并下水，下水前預先澆注部分塢口底板混凝土，下水后水上浮運至施工現(xiàn)場，定位后澆注部分混凝土并灌水下沉至預先處理好的基床上，并通過在不同隔倉間抽水繼續(xù)澆注部分混凝土，待抗浮滿足要求后抽干沉箱內(nèi)的水，干施工完成塢口主體結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土的施工。根據(jù)擬定的船塢主體結(jié)構(gòu)尺度，兩塢塢口共用1座鋼殼沉箱，其尺度為：長×寬×高=83 m×18 m×16.35 m，預制鋼殼總重量在1 800 t左右，方案剖面圖見圖2。整體鋼殼沉箱方案雖具有結(jié)構(gòu)整體性好，適宜空間狹窄施工的優(yōu)點，但存在基坑開挖深度深，放坡范圍很大，局部還需加固岸坡，加固方量多達1.7萬m3，開挖方量達5萬m3；且存在基礎(chǔ)處理工序多，受回淤影響，尤其基床整體性和防滲質(zhì)量不易保證，施工難度大，風險大等不足[1]。

水上鋼板樁基坑圍護方案[2]是將陸上直立式開挖施工地下建筑物的板式基坑圍護施工工藝應(yīng)用于水上的方法，本基坑最大開挖深度從設(shè)計高水位算起為14.75 m，基坑平面尺寸為83.2 m×18.2 m。利用圍護先建塢口，后利用塢門擋水干施工后方塢室。水上鋼板樁基坑圍護方案在軟土地基上有類似成功經(jīng)驗，中船長興造船基地一期工程中一較大基坑平面尺寸為128 m×30 m，最大開挖深度14.78 m，相對而言，本工程的周邊環(huán)境及地質(zhì)條件更加復雜，方案剖面圖見圖3。水上鋼板樁基坑圍護方案具有工期相對較快、造價相對較低、有類似成功經(jīng)驗的優(yōu)點。

綜合比較后設(shè)計推薦水上鋼板樁基坑圍護方案。

水上鋼板樁基坑圍護方案的難點：

1）海上深基坑的圍護結(jié)構(gòu)承受較大的靜水壓力，其坑底埋深范圍內(nèi)土體主要是淤泥質(zhì)土，需提高被動區(qū)土壓力；

2）有別于陸上基坑，海上基坑還要承受波浪的反復作用，導致基坑隨波浪來回擺動，需保證基坑正常使用及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；

3）水上防滲有別陸上，一旦止水失效，很難修復，造成嚴重經(jīng)濟損失；

4）工程周邊環(huán)境及地質(zhì)條件復雜，施工難度大；

實驗測試儀器：芬蘭造16導Mega6000型便攜式肌電圖測試儀。表面電極片：一次性Ag-Cl電極片。測試肌肉：左右側(cè)下肢腓腸肌、脛骨前肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、臀大肌、闊筋膜張肌、股二頭肌。測試指標：IEMG。采用頻率：1 000Hz。同步動作捕捉設(shè)備：SONY-HDR-1E攝像機。分析軟件：與Mega6000配套的MegaWin2.4。表面電極粘貼部位：沿肌纖維走向粘貼至骨骼肌收縮時的最粗隆處，參考電極粘貼至測試電極連線的中垂線處，與測試電極成正三角形，電極片中心間距為20mm左右。

5）對于此種新式結(jié)構(gòu)計算模式的不確定性，需選擇針對此種非對稱結(jié)構(gòu)的計算工具。

圖2 整體鋼殼沉箱方案剖面圖Fig.2 Section map of a whole steel shell caisson scheme

圖3 水上鋼板樁基坑圍護方案Fig.3 Foundation pit support scheme of waterfront steel sheet pile

在充分分析上述技術(shù)難點的基礎(chǔ)上，設(shè)計為確保施工期塢口及基坑結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，除了參照常規(guī)基坑工程分析計算外，在考慮基坑周邊水、土荷載不平衡情況下，利用ANSYS和PLAXIS軟件分別建立不同施工開挖工況下的三維和二維整體模型，進行數(shù)值分析，研究不同工況條件下的基坑變形、穩(wěn)定情況。在數(shù)值分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，綜合本基坑諸多影響因素，在設(shè)計方案中采取了加強基坑穩(wěn)定的技術(shù)措施，具體措施如下：

1）針對塢口區(qū)域軟土地基的高壓縮性特點，為減少圍護墻鋼板樁的變形和提高坑底下土體的土抗力，在坑內(nèi)采用格柵型高壓旋噴樁對被動區(qū)現(xiàn)有的土層進行地基加固，加固體深度為4 m，置換率約60%。

2）為保持整個圍護體系周邊荷載的平衡，必須盡可能使圍護墻外側(cè)周邊的泥面標高保持一致，內(nèi)側(cè)護坡頂標高設(shè)計為-0.50 m，臨海側(cè)護坡頂標高設(shè)計為-2.80 m。水下拋填護坡結(jié)構(gòu)主體采用袋裝砂或袋裝碎石，護坡表面拋塊石層以保證拋填棱體在漲落潮水流及波浪作用下的穩(wěn)定性。

3）為增強止水效果和抗風浪的整體穩(wěn)定性，在臨海側(cè)和東側(cè)的圍護墻外圍距離3.5 m附加了一排20 m長的PU12鋼板樁，該排鋼板樁通過頂部的圈梁兼擋浪墻連成一體，兩排鋼板樁之間回填砂，以增強基坑迎水面的剛度，減少在波浪作用條件下圍護體變形及其對基坑整體穩(wěn)定性的影響，即采用水上抗風浪基坑圍護結(jié)構(gòu)[3]。

4）為確保設(shè)計意圖的有效實施，即保證施工工況與設(shè)計工況一致，制定了塢口區(qū)域主要施工順序。

4.2 雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

本項目的總平面布置受到復雜環(huán)境條件的制約，使得1號船塢東塢墻不得不伸入地質(zhì)條件復雜的海中40 m，且與已建的東側(cè)高樁梁板結(jié)構(gòu)的2號碼頭僅16.8 m距離，塢墻建造的空間狹窄和自然條件惡劣。為此，要解決在狹窄空間和惡劣自然條件下建造塢墻結(jié)構(gòu)的技術(shù)問題。

經(jīng)分析，該塢墻需具有在施工期作為止水圍堰，在使用期作為擋水、擋土結(jié)構(gòu)，且需自立等特點，國內(nèi)外常規(guī)的拉錨板樁塢墻、扶壁式塢墻等結(jié)構(gòu)均已不適用，若采用傳統(tǒng)的拉錨板樁塢墻結(jié)構(gòu)，設(shè)置錨碇的距離不夠，錨碇系統(tǒng)也不可坐落于水上，若采用大開挖的扶壁式塢墻結(jié)構(gòu)，空間太小，無法設(shè)置臨時圍堰進行干施工。若采用較新型的半重力式格型地下連續(xù)墻塢墻方案，該結(jié)構(gòu)雖適合于狹窄空間建造，但由于本塢墻建造在水中，且?guī)r基面較淺，不適合地連墻的施工。根據(jù)上述設(shè)計條件，綜合考慮影響建造此塢墻諸多因素，該段塢墻結(jié)構(gòu)設(shè)計采用新型的具有自立、變形小、施工適應(yīng)性強等特點的雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)[4]，這在國內(nèi)尚屬首例，具體位于1號塢東塢墻從塢口往塢尾40 m范圍，結(jié)構(gòu)斷面如圖4所示。

考慮樁的入土深度較淺，樁端采取嵌巖，排樁之間回填山皮土，塢墻側(cè)壁采用400 mm厚鋼筋混凝土襯砌，為確保塢墻有效止水和避免雙排樁間土體的流失，前排板樁后和后排板樁前及兩側(cè)板樁后均設(shè)2～3排φ800 mm@600 mm的旋噴樁止水墻。為確保塢墻永久安全穩(wěn)定，對雙排板樁范圍內(nèi)淤泥質(zhì)土進行旋噴樁加固處理。

該結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心技術(shù)就是確保結(jié)構(gòu)在不同使用條件下的安全性和適應(yīng)性，對結(jié)構(gòu)計算方法、排樁間的土壓力、土參數(shù)靈敏度分析、結(jié)構(gòu)計算模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及監(jiān)測要求等進行了研究。掌握了在狹窄空間內(nèi)、復雜地質(zhì)條件下應(yīng)用雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)的特性以及設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，極大豐富了塢墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計類型。

4.3 塢口底板下止水墻的設(shè)計技術(shù)

船塢工程的塢口處在地質(zhì)條件復雜的軟土區(qū)，地質(zhì)水文條件差，以及由于塢口在塢室底板澆筑時塢口主體結(jié)構(gòu)作為擋水圍堰使用，而使用期在塢室底板、塢墻的頂撐作用下作為永久結(jié)構(gòu)使用，導致其使用期和施工期的受力條件差異較大，結(jié)構(gòu)變形差異也較大，使得塢口底板下的止水墻設(shè)計成為關(guān)鍵技術(shù)問題，即需要解決因止水墻沉降與主體結(jié)構(gòu)底板脫開漏水和因塢口止水墻深度不夠而形成塢口與塢室間滲水通道等技術(shù)問題。

圖4 雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.4 Section map of the double-row bored pile dock wall structure

結(jié)合塢口的地質(zhì)水文條件和塢口主體結(jié)構(gòu)的情況，在兩塢口底板下沿底板周邊設(shè)置與塢墻側(cè)壁止水墻形成封閉的止水墻，止水墻采用高壓旋噴樁加帷幕灌漿止水墻，要求旋噴樁止水墻穿過②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，進入強風化巖0.5 m，以防旋噴樁止水墻在淤泥層產(chǎn)生沉降，旋噴樁規(guī)格為2排φ1 000 mm、排距0.8 m、孔距0.8 m，梅花形布置。同時，為防止因巖層傾斜和中透水性特點，通過⑨層和⑩層的巖層形成較短的滲水通道，要求在高壓旋噴樁止水墻下設(shè)3排帷幕灌漿止水墻，進入巖層一定的深度，具體深度根據(jù)壓水試驗結(jié)果確定，如試驗結(jié)果大于2.0×10-5cm/s，則加大帷幕深度，直至壓水試驗結(jié)果滿足設(shè)計標準為止。帷幕灌漿施工要求分三道工序進行，遵循逐漸加密原則。

為改善常因塢口底板的水平變位與半剛性旋噴樁止水墻的變形不協(xié)調(diào)，在旋噴樁與底板之間的節(jié)點產(chǎn)生裂縫而漏水的問題，對旋噴樁止水墻與塢口底板間的節(jié)點作了改進，主要在接頭處設(shè)置了一定寬度的止水片等構(gòu)造措施，即使旋噴樁與底板產(chǎn)生了裂縫，因止水片增加了滲徑，也能達到止水目的。即采用半柔性止水節(jié)點法[5]，見圖5。

圖5 半柔性止水節(jié)點圖Fig.5 Node drawing of semi-flexible water stop

4.4 高靈敏度軟土的地基加固方法

船塢工程前半部分坐落于軟土上，其中前板樁高樁承臺拉錨塢墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵內(nèi)容之一。其中塢墻錨碇系統(tǒng)的錨碇板位于厚達15 m的灰色、飽和、流塑、高壓縮性的②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層上，在自重、拉桿拉力的長期作用下，錨碇系統(tǒng)的變形、沉降均難以滿足塢墻穩(wěn)定的使用要求。根據(jù)建筑地基規(guī)范，攪拌樁加固方法適用于正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基[6]，具有施工簡單、速度快、振動小、造價低等優(yōu)點。鑒于工程②層土分布廣而厚、地質(zhì)條件差的特點，設(shè)計在錨碇板墻采用格柵型攪拌樁加固方案。

通過國內(nèi)外類似加固的方法比較、地質(zhì)條件的分析、土參數(shù)的敏感性分析、加固深度對結(jié)構(gòu)的影響分析等，最終確定加固體寬6.85 m，深9.2 m，并進行現(xiàn)場施工試驗，給出水泥水摻量、水灰比、攪拌頭提升速度等施工關(guān)鍵參數(shù)，確保28 d無側(cè)限抗壓強度不小于1.2 MPa的要求，最終保證了塢墻結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)語

某船廠船塢工程通過在傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上進行多項設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新，較成功地解決了在有限岸線和狹窄空間以及復雜地質(zhì)環(huán)境條件下建造船塢遇到的諸多設(shè)計施工技術(shù)難題，為今后類似工程提供了寶貴參考經(jīng)驗。但仍有不少建設(shè)經(jīng)驗需進一步的深入總結(jié)，特提出如下建議：

1）本船塢工程處在復雜地質(zhì)和海洋環(huán)境條件下，塢口圍堰采用水上鋼板樁基坑方案、局部東塢墻采用新型的雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)方案是合理、可行的，由于建設(shè)條件的復雜性、模擬手段的局限性以及受設(shè)計人員認知能力的限制等，建設(shè)過程中及時根據(jù)現(xiàn)場的監(jiān)測資料作進一步分析、修正及完善設(shè)計施工是非常重要的。

2）本船塢工程設(shè)計中涉及多種復雜的空間結(jié)構(gòu)，均采用m法進行了計算，如水上鋼板樁基坑圍護結(jié)構(gòu)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)上的塢口結(jié)構(gòu)、新型的雙排鉆孔灌注樁塢墻結(jié)構(gòu)等，應(yīng)注意不同設(shè)計條件下，不同的規(guī)范對m值選取的規(guī)定，以及注意計算工況與實施施工工況的一致性問題，確保計算的合理性，最終保證工程的順利實施。

3）本船塢工程設(shè)計中涉及結(jié)構(gòu)類型多，建設(shè)過程中一定要注意不同結(jié)構(gòu)類型施工質(zhì)量控制的特點，例如，旋噴樁及攪拌樁加固體工程，在開展大面積施工前，一定要進行現(xiàn)場施工試驗，以便得到合理施工工藝參數(shù)，便于施工控制；旋噴樁止水墻和基巖的帷幕灌漿，同樣要事先進行滲透試驗。

[1] 浙江某船廠船塢工程初步設(shè)計[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，2011.Preliminary design of dock for a shipyard project in Zhejiang[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2011.

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