塢門式沉箱模板設計及施工要點

黃文慧，董政

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 工程概況

深塢浮塢門是港珠澳大橋沉管預制廠干塢建設中的關鍵構件，其質量直接影響干塢的使用性能。塢門的主要功能是實現(xiàn)深塢與大海的隔離，通過調節(jié)塢內的蓄水高度，進行沉管在塢內的橫移及出運。

深塢浮塢門采用鋼筋混凝土重力式箱形結構[1]，沉箱預制尺寸：長59.00m、寬25.20m、高29.10 m。浮塢門標高18.6 m以下由40個艙格（長度方向10個，寬度方向4個）組成，18.6～29.1 m為8個艙格組成，艙格尺寸均為5 780 mm×5 565 mm，總混凝土方量5 365 m3，重約1.30萬t。沉箱主體為鋼筋混凝土結構，立面斷面形狀為“U”形，U形槽部分攔水采用鋼扶壁結構。沉箱設計頂標高+15.80 m，設計底標高-13.30 m，見圖1。

圖1 塢門沉箱立體圖Fig.1 Modeldiagram of the dock gate caisson

2 模板設計思路

塢門沉箱體積龐大，模板設計前，首先要確定沉箱澆筑的分層、分段，并結合預制廠現(xiàn)有的吊裝設備考慮，現(xiàn)場擬用吊裝設備有：350 t·m移動式塔吊，200 t履帶吊。

方案一：實行全斷面分層澆筑，假設分8層，底層層高2.6 m，標準層高4 m，頂層2.5 m，則一次澆筑混凝土量較大，底層澆筑方量達到1 400 m3；模板塊數(shù)較多，需要底層外模板1套、標準層外模1套，40個底層內模、40個標準層內模；模板重量較大，整套模板重量達到1 300 t，預制工作將會十分繁重。模板數(shù)量多將造成預制場地緊張、吊裝設備能力不足，且模板費用較高，故不予考慮。

方案二：考慮將沉箱垂直方向分8層，水平方向分3段進行澆筑，此種分法需要澆筑21次，底層每次澆筑量為480 m3；需底層外模板1套、標準層外模1套、16個底層內模、16個標準層內模；整套模板重量約550 t；水平向混凝土施工接頭10個。

方案三：由于沉管預制廠的建設任務十分緊迫，于是改變思路，垂直方向分8層，水平方向分為2段進行澆筑。此種分法需要澆筑16次，底層每次澆筑方量720 m3；需底層外模板1套、標準層外模1套、20個底層內模，20個標準層內模；整套模板重量約730 t；水平方向混凝土施工接頭5個，見圖2、表1。

圖2 分層示意圖Fig.2 Schematic diagram of stratification

表1 分段工況對照表Table1 Piecew ise condition table

經過分析，最終選擇了方案三，主要有以下兩點原因：

1）當時深塢爆破不是很順利，時至7月份才有啟動塢門沉箱的條件。面對年底需要完成預制廠建設的壓力，最終做出有利于項目進度的選擇。

2）如果選擇方案二，塢門沉箱將存在兩條通長的施工縫，對于塢門的止水不利。另外，接頭處的施工十分繁瑣，鑿毛質量在進度壓力下難以保證，將會影響止水效果。

3 設計受力驗算

3.1 混凝土及模板參數(shù)

3.1.1 混凝土參數(shù)

混凝土坍落度（16+2）cm；入模溫度25℃；初凝時間6 h；混凝土澆筑速度約30 m3/h，以0.5 m/h澆筑高度計。

3.1.2 模板基本參數(shù)

1）內膜部分：單個內膽重量需要事先重點考慮?，F(xiàn)場擬采用1臺200 t履帶吊和1臺350 t·m移動式塔吊，考慮現(xiàn)場起吊設備能力、現(xiàn)場布置和塢門沉箱的尺寸，選擇控制單個標準層內模重量不大于11 t，最終選擇模板面板厚為3 mm；內楞最大間距橫向400 mm，縱向365 mm；內楞材料為[8、-4×60、-8×80；外楞最大間距1 082.5 mm；桁架材料上下弦2[6.3，腹桿[6.3；內模架用料[8、[6.3、∠63， ∠80；鋼面板厚度 3 mm；角部蓋板5 mm；模板連接螺栓采用4.8級M20螺栓。

2） 外模部分：內楞最大間距橫向450 mm；內楞材料為 [10、I10；外楞最大間距1 490 mm；桁架材料上下弦2[8，腹桿 [6.3；內模架用料[8， [6.3，∠63， ∠80；鋼面板厚度 5 mm；模板連接螺栓采用4.8級M20螺栓。

3）拉桿參數(shù)：采用φ20圓鋼。

3.2 模板荷載標準值計算

按照相關標準和計算手冊[2-4]，新澆混凝土作用于模板的最大側壓力按下列公式計算，并取其中的較小值：

式中：γc為混凝土的重力密度，取24.0 kN/m3；t0為新澆混凝土的初凝時間，按現(xiàn)場實際值取約6 h；v為混凝土澆筑速度，m/h；H為混凝土側壓力計算總高度，m；β1為外加劑影響修正系數(shù)，取1.2；β2為混凝土坍落度影響修正系數(shù)，當坍落度小于30 mm時，取0.85，50~90 mm時，取1.0，110~150 mm時，取1.15。

按每小時澆筑速度（v=0.5m/h），以及初凝時間（t0=6 h）計算，H=0.5×6=3 m，則

從F1、F2兩者中，取較小值30.91 kPa作為本工程計算荷載標準值，則混凝土側壓力計算位置處至新澆混凝土頂面的有效高度為傾倒混凝土及振搗時產生的荷載標準值P2=4.000 kN/m2；新澆混凝土側壓力設計值 q1=（1.2×30.9+1.4×4.0）×0.85=36.3 kN/m2，其中0.85為臨時結構荷載折減系數(shù)[2]。

3.3 作用荷載和分析

整個沉箱主要受到澆筑時混凝土的側壓力、施工荷載以及整個沉箱的自重。

混凝土側壓力按照流體壓力均布荷載作用在內外模板單元上。

邊界條件假設：內模架插銷處假設為固結，外模桁架預埋螺栓假設為固結，拉桿及頂桿假設為鉸接。

按照上述簡化分析，采用有限元程序MIDAS CIVIL2010對整體模板建立空間三維模型，添加邊界條件，以及作用荷載進行分析計算，得出最終結論，模板整體結構在保證下列前提下能滿足強度、剛度及穩(wěn)定性的要求：

1）外側模固定螺栓具有足夠的強度，同時按相關規(guī)范安裝好，確保安裝牢固。

2）內模插銷按相關規(guī)范安裝好。

3）各模板連接緊固。

4 施工要點

4.1 底模的設置

底模的設置主要考慮塢門的起浮。塢門預制場地為深塢底面，表面為堅硬巖石面，場地比較平整，可用挖掘機對場地基礎稍作平整，清理碎渣土后，直接在場地區(qū)澆筑20 cm厚C20混凝土地坪，尺寸約為120m×30m，地坪標高統(tǒng)一。

底模上留凹槽，避免沉箱底部與底模無間隙造成水難以進入沉箱底部，影響以后塢門沉箱起浮?，F(xiàn)場凹槽按10 cm深、20 cm寬，一縱三橫通長設置。之后在凹槽內填沙，澆水使沙密實，防止沉箱底部澆筑時下陷。最后在溝槽處鋪設25 cm寬、1 mm厚的鍍鋅鋼板，防止振搗棒將底模打穿。

為避免預制沉箱粘底，底模設置比較謹慎，最后實施方案為，隔離材料分5層，最底涂1層黃油（1號鋰基脂），黃油上鋪1層牛皮紙，牛皮紙上鋪設1層瀝青紙，瀝青紙上鋪設塑料薄膜，最上面再鋪1層牛皮紙，保護隔離層不被鋼筋損傷，以及表面方便刻度標記。

4.2 頂角螺栓的設置

底層外模頂腳采取圓柱形構件插入底模固定，直徑100 mm。現(xiàn)場采用1臺水鉆進行鉆孔，152個鉆孔利用底模材料鋪設的時間，3 d即可完成。構件頂緊外模時候，構件受力不可能完全在圓形的直徑上，故底部圓柱形受力會有旋轉不穩(wěn)的問題。另外由于圓柱構件和預留孔之間的受力面實際為一條線，所以在受力大的地方壓強過大，造成預留孔洞的破損。在以后沉箱的施工中，建議采用矩形構件固定頂腳件，采取在底模上預留矩形孔的方法，不要再使用圓柱形構件固定。

4.3 結構上端U形模板的考慮

上端U形模板采用標準層的外模進行簡單改制即可，在設計標準層外模時，要求分塊長度恰好可以進行標準層→U形上端模板的改造。

設置好長邊側模板分段位置，進行簡單改造即可形成U形上端模板。需要注意在模板改造時，要提前規(guī)劃好外模工作平臺和外工作平臺的改造時機和材料，以免臨時改造影響進度以及產生安全問題。

第七層澆筑時需注意錐形螺母預留孔和內平臺插銷孔位置的變化。由于第八層的層高為2.5 m，并非標準層的4 m，故需要降低最后一層內、外模安裝的位置，從而錐形螺母預留孔和內平臺插銷孔的位置也需相應發(fā)生改變。

4.4 施工縫的處理

如圖3所示，塢門沉箱模板按每層進行兩次澆筑進行設計。

第一次澆筑時，安裝20個內模和3面的外模，端部采用木模封堵，封堵前后墻和3道隔墻，底層澆筑時需要對70 cm高的隔墻進行封堵。

第二次澆筑時留4個內模不拆，留做端模使用，另半幅安裝20個內模，外模調轉到另一邊繼續(xù)使用，木模拆除后采取鑿毛處理。

圖3 塢門沉箱分次澆筑方式一Fig.3 The firstway for dock gate caisson pouring

如按此思路施工，由于現(xiàn)場工作十分緊湊，不可能等待一半澆筑完成再進行下一半鋼筋的綁扎，于是木模封頭就位于5號縱隔墻鋼筋里，相隔一層鋼筋，造成裝模和鑿毛十分困難。另外如果一直在同一位置進行木模封堵，則會產生一條上下通長的施工縫，對塢門沉箱的結構十分不利。經討論，決定增加另一種裝模方式，如圖4所示，照此施工，木模封頭和鑿毛工作就處于5號縱隔墻鋼筋的外側，無鋼筋層阻擋，方便施工；另外此兩種方式結合施工，避免了通長的施工縫產生。

圖4 塢門沉箱分次澆筑方式二Fig.4 The second way for dock gate caisson pouring

4.5 流水施工的關鍵

塢門沉箱流水施工的關鍵在于拆模之后模板的擺放和內外平臺的迅速提升。由于外模兩次安裝時位置是相反的，故安排好外模的擺放位置和拆裝順序尤為關鍵，拆下來的外模要有利于下一次裝模吊運的需要。

提升內外平臺對流水作業(yè)十分關鍵，一旦升完內外平臺，鋼筋綁扎架可以馬上從另一半已完成的鋼筋綁扎段調運過來，進行此段鋼筋的綁扎。

5 關于底層模板的討論

以往的沉箱或者底層有前趾，或者相同型號的沉箱數(shù)量較多，故一般采取底層、標準層兩種不同類型模板進行施工。

具體到塢門沉箱的模板，則應該討論是否有必要設置兩種模板，因為塢門沉箱無前趾，底層模板在澆筑底層混凝土之后，就沒有作用了，且占用堆放場地，而塢門沉箱的底層模板重量約270 t，造價近200萬元，因此是否設置底層模板需要慎重考慮。

按照目前的澆筑分層高度，可以在底層澆筑完畢后，對底層內外模進行拼接加高，使之成為標準層模板，這樣就節(jié)省了一套底層模板重量的材料，但用工時間略有增加。若舍棄底層和標準層的區(qū)別，按照3.72m的層高設計模板，仍然可以8次澆筑即完成塢門沉箱的澆筑工作，并且只需進行一套模板的運輸、卸車、堆放和拼裝。

6 結語

對于大型沉箱，在設計模板時最關鍵的因素是考慮其澆筑的分層和分段，以及利用好模板的循環(huán)進行流水作業(yè)，也需要考慮施工縫的妥善處理。希望本次塢門沉箱預制中的一些經驗，能夠為今后類似工程提供參考。

[1] 李惠明，梁杰忠，袁立.塢門大沉箱預制技術[J].中國港灣建設，2013（3）：55-59.LIHui-ming,LIANG Jie-zhong,YUAN Li.Technology for precasting of caisson type dock gate[J].China Harbour Engineering,2013(3):55-59.

[2]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.JIANG Zheng-rong.Calculation manual of building construction[M].Beijing:China Architecture&Building Press,2001.

[3]TZ 204—2008，鐵路隧道工程施工技術指南[S].TZ 204—2008,Construction technologymanual of railway tunnel engineering[S].

[4]GB 50204—2002，混凝土結構工程施工質量驗收規(guī)范[S].GB 50204—2002,Code for acceptance of constructional quality of concrete structures[S].