適用于大型浮式塢門(mén)的新型塢口底板結(jié)構(gòu)

黃丹蘋(píng)，馬勇，陳良志

0 引言

近年來(lái)，隨著大型沉管隧道項(xiàng)目的發(fā)展，“工廠法”作為一種更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，逐步應(yīng)用于沉管預(yù)制。與傳統(tǒng)的“干塢法”預(yù)制沉管不同，“工廠法”采用類(lèi)似于盾構(gòu)隧道管片的流水線(xiàn)式生產(chǎn)模式，利用多級(jí)船閘的工作原理，設(shè)兩級(jí)塢池（淺塢區(qū)和深塢區(qū)）實(shí)現(xiàn)管節(jié)的檢漏、舾裝和出塢，可不影響預(yù)制廠房?jī)?nèi)的沉管預(yù)制工作，實(shí)現(xiàn)全天候、流水線(xiàn)作業(yè)，使得各道工序的質(zhì)量更有保證[1]。但是，“工廠法”也對(duì)深塢塢門(mén)提出了更高的要求，傳統(tǒng)的干船塢為抽空塢內(nèi)水，提供干地作業(yè)條件，塢門(mén)承受塢外側(cè)的水壓力，水壓呈三角形分布，水壓相對(duì)較??；而“工廠法”中需塢內(nèi)蓄水（塢內(nèi)水位高于塢外），以實(shí)現(xiàn)沉管管節(jié)由淺塢區(qū)到深塢區(qū)的浮運(yùn)平移，此時(shí)塢門(mén)承受的水壓力呈梯形分布，其水壓力約是傳統(tǒng)干塢門(mén)的3倍。

在這種情況下，作為塢門(mén)坐底就位時(shí)的底部支撐結(jié)構(gòu)，塢口底板設(shè)計(jì)面臨以下問(wèn)題：

1）蓄水工作時(shí)，塢門(mén)內(nèi)外存在較大的水頭差，塢口底板需抵抗作用在塢門(mén)上的巨大水平向靜水壓力；同時(shí)，需確保塢口底板與塢門(mén)之間的有效止水、以及塢口底板與地基之間的可靠防滲。

2）浮塢門(mén)體量大，坐底就位時(shí)需確保安裝就位的精確度，以免塢門(mén)損壞。

3）浮塢門(mén)和塢口底板均為大尺寸剛性構(gòu)件，其表面的平整度偏差難以避免，若兩者直接接觸，勢(shì)必存在接觸不均導(dǎo)致的應(yīng)力集中問(wèn)題，因而產(chǎn)生極大的壓應(yīng)力，可能導(dǎo)致塢門(mén)的破壞。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本文結(jié)合港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)，介紹一種適用于大型浮式塢門(mén)的塢口底板結(jié)構(gòu)。

1 工程背景

港珠澳大橋沉管預(yù)制廠是全球第二次、國(guó)內(nèi)首次采用“工廠法”預(yù)制沉管管節(jié)。目前，全世界范圍內(nèi)僅厄勒海峽工程成功應(yīng)用“工廠法”預(yù)制沉管，能查詢(xún)到的厄勒海峽沉管預(yù)制廠的相關(guān)設(shè)計(jì)資料極為有限，同時(shí)國(guó)內(nèi)沒(méi)有相似的工程可以參考，設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨諸多技術(shù)難題。

為滿(mǎn)足工廠化流水線(xiàn)生產(chǎn)沉管的技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了深塢和淺塢兩個(gè)功能區(qū)，其中深塢塢口是沉管出塢的咽喉，為適應(yīng)塢內(nèi)蓄水和管節(jié)出塢的需求，深塢塢口處設(shè)置了具備反復(fù)啟閉功能的浮塢門(mén)結(jié)構(gòu)，其典型斷面見(jiàn)圖1。浮塢門(mén)選用鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)59 m、寬25.2 m、高29.1 m，總重量約為13 600 t[2]。蓄水工作時(shí)，浮塢門(mén)內(nèi)外最大水頭差為15.87 m。龐大的結(jié)構(gòu)尺寸、巨大的水壓荷載、多次浮運(yùn)啟閉的功能需求等客觀條件，使得塢口底板設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的技術(shù)難題更為突出。在這種情況下，巧妙地設(shè)計(jì)了一種具有導(dǎo)向和承壓功能的塢口底板結(jié)構(gòu)。

圖1 深塢浮塢門(mén)典型斷面圖（蓄水工作狀態(tài)）Fig.1 Typical section of floating gate(water storage working condition)

2 結(jié)構(gòu)方案

深塢塢口底板包括防滲混凝土基梁（深塢內(nèi)側(cè)）、抗剪混凝土基梁（海側(cè)）和3條支撐混凝土基梁，5條混凝土基梁之間采用混凝土連系板或連系梁連接[2]，具體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

為滿(mǎn)足塢口底板的功能需求，采取以下措施：

1）浮塢門(mén)的坐底支撐基礎(chǔ)

在對(duì)應(yīng)浮塢門(mén)沉箱縱向隔板位置設(shè)置支撐基梁，兩端的支撐基梁由防滲基梁和抗剪基梁兼顧；為保證5條梁的整體性，彼此之間采用連系板或連系梁連接。

為了適應(yīng)浮塢門(mén)底面和塢口底板的不平整度，消除兩者之間因接觸不均導(dǎo)致的應(yīng)力集中問(wèn)題，在基梁頂部對(duì)應(yīng)浮塢門(mén)縱橫隔板交叉處設(shè)置緩沖墊，每個(gè)緩沖墊由多個(gè)0.5 m伊0.5 m伊0.09 m的橡膠墊組成，橡膠墊的布置見(jiàn)圖3。

圖2 塢口底板典型斷面圖Fig.2 Typical section of base plate of dock entrance

圖3 橡膠墊布置圖Fig.3 General arrangement of rubber buffer

根據(jù)現(xiàn)有的預(yù)制工藝條件，平整度偏差可控制在5 mm以?xún)?nèi)，考慮到橡膠的抗壓強(qiáng)度約為10 MPa，設(shè)計(jì)要求橡膠墊的壓縮變形能力需滿(mǎn)足以下條件：5 MPa面壓作用下壓縮變形在20 mm左右[3]。通過(guò)采用有限元軟件ANSYS對(duì)橡膠墊與浮塢門(mén)之間的相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬，得到作用在橡膠墊上的最大面壓為2.53 MPa[3]，考慮浮塢門(mén)底板存在5 mm的平整度偏差，則作用在橡膠墊上的最大面壓為：

橡膠墊平均壓應(yīng)力限值：滓c=10 MPa>滓=3.76 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

C40混凝土軸心抗壓強(qiáng)度：fc=19.5 MPa>滓=3.76 MPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）抵抗塢內(nèi)蓄水工作時(shí)作用在浮塢門(mén)上的水平向靜水壓力

在塢內(nèi)蓄水工作狀態(tài)，浮塢門(mén)承受巨大的水平向靜水壓力，抵抗該荷載僅靠浮塢門(mén)與塢口底板之間的摩擦力難以實(shí)現(xiàn)，因此在海側(cè)設(shè)置了抗剪基梁，其頂部設(shè)置抗剪牛腿，高0.59 m，沿塢口縱向通長(zhǎng)布置（長(zhǎng)61 m）。浮塢門(mén)受力時(shí)與抗剪牛腿貼緊，將水平向靜水壓力傳遞給塢口底板。

為了確保塢口底板的抗滑能力，抗剪基梁底部設(shè)置抗剪凸榫，嵌入微風(fēng)化巖層，凸榫高1.5 m。同時(shí)，在抗剪基梁、支撐基梁及連系板底部設(shè)置12排準(zhǔn)32錨桿，一端錨入基礎(chǔ)底板，一端嵌入基巖中，沿塢口縱向間距為1 m，沿塢口橫向間距為1.5 m，在基巖中的錨固長(zhǎng)度為2.5 m，從而將底板錨固在基巖上，用于增強(qiáng)塢口底板的抗滑能力。

抗剪基梁頂部抗剪牛腿按照GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]第10.8條規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抗剪牛腿強(qiáng)度復(fù)核Table 1 The verification results of strength of shear corbel

塢口底板的抗滑穩(wěn)定性按照J(rèn)TS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[5]第2.5條相關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)算，見(jiàn)表2。

表2 塢口底板抗滑復(fù)核Table 2 The verification results of sliding stability of base plate

3）與基巖之間完全嵌固止水

在塢口內(nèi)側(cè)設(shè)置防滲基梁，其底部設(shè)置1.0 m高的混凝土凸榫，嵌入底部微風(fēng)化巖層，用于增加塢口底部的滲徑長(zhǎng)度，減小滲水量，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的防滲要求。

防滲基梁與相鄰支撐基梁之間設(shè)置11條連系梁，用于將二者連成整體，連系梁長(zhǎng)4.195 m，寬2 m，高0.91 m（頂標(biāo)高-13.39 m）；同時(shí)，連系梁之間設(shè)置倒濾井，用于消散滲透水壓，減小揚(yáng)壓力對(duì)塢口底板的不利影響。

4）與浮塢門(mén)緊密接觸，實(shí)現(xiàn)兩者之間的密封止水

塢門(mén)與塢口底板之間采用贅止水橡膠進(jìn)行止水，贅止水橡膠設(shè)置于靠塢內(nèi)側(cè)的防滲基梁頂部，沿塢口縱向通長(zhǎng)鋪設(shè)，兩端延伸至塢門(mén)墩兩側(cè)與塢口側(cè)止水結(jié)構(gòu)密封連接，從而形成完整的止水面。因蓄水工作時(shí)塢內(nèi)水位高于外側(cè)，底止水橡膠應(yīng)盡量布置在靠塢內(nèi)側(cè)，使作用在塢口底板上的揚(yáng)壓力主要由塢外側(cè)水位引起，從而減小浮托力，增加塢門(mén)的穩(wěn)定性。

如圖4所示，設(shè)計(jì)要求贅止水橡膠高出橡膠墊3 cm[2]，保證就位坐底時(shí)塢門(mén)底板與止水橡膠壓緊密封止水，同時(shí)，橡膠墊的布設(shè)，可確保止水橡膠不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓縮變形，避免其損壞。

圖4 深塢塢口底止水?dāng)嗝鎴DFig.4 Typical section of bottom water-sealing for entrance of deep-water dock

5）導(dǎo)向功能

為保證塢門(mén)安裝就位的精確度，防滲基梁、抗剪基梁與支撐基梁上分別設(shè)置導(dǎo)向檻；防滲基梁與抗剪基梁上的導(dǎo)向檻沿塢口縱向通長(zhǎng)布置，抗剪基梁上的導(dǎo)向檻由抗剪凸榫兼顧；支撐基梁上的導(dǎo)向檻在靠近塢門(mén)墩的兩側(cè)沿塢口橫向布置。各導(dǎo)向檻上的導(dǎo)向面傾斜向下，坡度為2頤1，相對(duì)的導(dǎo)向面呈倒八字布置；同時(shí)，在塢門(mén)底板的四周邊沿進(jìn)行削角，形成與導(dǎo)向檻傾斜度一致的斜面，在塢門(mén)坐底安裝時(shí)，只要塢門(mén)定位在導(dǎo)向檻圍成的楔形凹槽上方，即可按導(dǎo)向面自動(dòng)滑至安裝位置，此措施可將塢門(mén)的定位偏差放寬至50 cm，在保證安裝精準(zhǔn)度的同時(shí)，降低了操作的難度。

3 使用效果

桂山沉管預(yù)制廠自交工投產(chǎn)以來(lái)，使用狀況良好，運(yùn)行高效，有力地保證了港珠澳大橋島隧工程的實(shí)施。至今塢內(nèi)蓄水、浮塢門(mén)啟閉共計(jì)20余次，浮塢門(mén)和塢口底板的使用一切正常，啟閉操作簡(jiǎn)便高效，結(jié)構(gòu)牢固、止水效果良好，已圓滿(mǎn)完成全部沉管（共計(jì)33節(jié)）的出塢任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的新型塢口底板結(jié)構(gòu)，對(duì)大型浮動(dòng)式塢門(mén)具有良好的適用性，其最大的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是選用橡膠墊作為承壓緩沖裝置，可有效地避免大體積混凝土構(gòu)件之間的剛性接觸；導(dǎo)向檻的巧妙設(shè)計(jì)，化拙為巧，即可保證安裝精度又可降低操作難度；同時(shí)，防滲基梁和抗剪基梁的設(shè)計(jì)，可有效保證防滲效果和抗滑穩(wěn)定性[6]。在港珠澳大橋桂山沉管預(yù)制廠的使用效果良好，充分驗(yàn)證了這種塢口底板結(jié)構(gòu)的合理性和可行性，對(duì)大型浮動(dòng)式塢門(mén)的發(fā)展具有重大意義，應(yīng)用前景廣闊。

[1]“工廠法”沉管預(yù)制廠建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.Research of key technologies on construction of casting yard for tunnelelementswithfactory-methodpattern[R].Guangzhou:CCCCFHDI Engineering Co.,Ltd.,2012.

[2]港珠澳大橋島隧工程桂山沉管預(yù)制廠工程水工結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)說(shuō)明[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2011.Detail design statement of marine structure of castingyard for tunnel elements in Guishan of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island andtunnelproject[R].Guangzhou:CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,2011.

[3] 馬勇，黃丹蘋(píng)，陳良志.用于大型浮式塢門(mén)的橡膠墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2017，37（8）：60-63.MA Yong,HUANG Dan-ping,CHEN Liang-zhi.Structural design of rubber buffer for large-scale floating gate[J].China Harbour Engineering,2017,37(8):60-63.

[4]GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].GB 50010—2002,Code for design of concrete structures[S].

[5]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay[S].

[6] 盧永昌，梁桁，陳良志.具有導(dǎo)向和承壓功能的塢口底板：中國(guó)，ZL 2013 2 0775708.5[P].2014-07-09.LU Yong-chang,LIANG Heng,CHEN Liang-zhi.Base plate of dock entrance with functions of guidance and supporting:China,ZL 2013 2 0775708.5[P].2014-07-09.