大體積鋼混凝土組合箱型浮塢門的應(yīng)用

王曉東，董洪靜

0 引言

港珠澳大橋隧道工程的沉管采用工廠法預(yù)制方式，為國(guó)內(nèi)首例。該預(yù)制廠主要由工廠區(qū)、淺塢區(qū)及深塢區(qū)組成，工廠區(qū)及淺塢區(qū)布置通長(zhǎng)的縱向頂推軌道，滿足沉管從工廠區(qū)向淺塢區(qū)的頂推滑移功能，用于寄存管節(jié)的深塢區(qū)與外海相連，滿足管節(jié)出運(yùn)安裝的功能[1-3]。而當(dāng)管節(jié)灌水橫移期間，整個(gè)深淺塢區(qū)域形成1個(gè)連續(xù)封閉止水體，深淺塢灌水至+15 m標(biāo)高，工廠區(qū)正常作業(yè)。連續(xù)封閉止水體主要由沉箱結(jié)構(gòu)和原有巖體結(jié)構(gòu)組成，除此外有一道大跨度自穩(wěn)式橫拉鋼閘門止水構(gòu)造將工廠區(qū)及淺塢區(qū)隔開，還需一套結(jié)構(gòu)將深塢與外海隔開[4]，因此設(shè)計(jì)研發(fā)了大體積鋼扶壁混凝土組合式浮塢門，在深淺塢灌水期間起到攔水圍堰功能。塢區(qū)連續(xù)封閉止水體示意圖見圖1。

圖1 塢區(qū)連續(xù)封閉止水體示意圖Fig.1 The diagram of continuous closed water sealing structure in dockland

1 概述

浮塢門采用鋼筋混凝土重力式箱形結(jié)構(gòu)+鋼扶壁組合結(jié)構(gòu)形式，浮塢門沉箱長(zhǎng)59 m，寬25.2 m，高29.1 m，重量約為1.3萬t，設(shè)計(jì)吃水10.5 m[3]。整個(gè)浮塢門沉箱高度方向分為兩個(gè)部分，下部18.6 m（標(biāo)高-13.30~+5.30 m）范圍內(nèi)，由40個(gè)倉(cāng)格（長(zhǎng)度方向10個(gè)，寬度方向4個(gè)）組成；上部10.5 m（標(biāo)高+5.3~+15.8 m）范圍內(nèi)，靠塢墩兩側(cè)倉(cāng)格（共2列8個(gè)倉(cāng)格）高出10.5 m，高出的倉(cāng)格之間靠海側(cè)處設(shè)置10.5 m高擋水鋼扶壁[5-6]。浮塢門立體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 浮塢門立體結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-dimensional structure of floating dock gate

浮塢門關(guān)閉時(shí)，通過絞纜系統(tǒng)將浮塢門沿規(guī)定路線從寄存區(qū)絞移至塢口區(qū)，控制倉(cāng)格內(nèi)壓載水高度，精確地放置到塢口基礎(chǔ)上；蓄水時(shí)浮塢門倉(cāng)格內(nèi)水位與塢內(nèi)水位同步上升；完成塢內(nèi)蓄水管節(jié)橫移工作后，通過浮塢門上的排水管將塢內(nèi)蓄水排出，直至塢內(nèi)水位與海側(cè)水位齊平。浮塢門開啟時(shí)，使用水泵排出倉(cāng)格內(nèi)壓載水使浮塢門起浮，最后通過絞纜系統(tǒng)將浮塢門絞移至寄存區(qū)。浮塢門在寄存區(qū)存放，下一批管節(jié)預(yù)制完成后，再進(jìn)行下一次的浮塢門關(guān)閉，如此循環(huán)。浮塢門寄存區(qū)和塢口區(qū)平面示意圖見圖1，浮塢門啟閉施工流程圖見圖3。

圖3 浮塢門啟閉施工流程圖Fig.3 The open/close flow chat of floating dock gate

2 浮塢門壓載系統(tǒng)

浮塢門壓載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下功能：排水起浮、灌水坐底和蓄水管節(jié)橫移后塢內(nèi)排水。

浮塢門的40個(gè)倉(cāng)格（長(zhǎng)5.565 m，寬5.78 m）劃分為4個(gè)獨(dú)立大倉(cāng)格，也稱調(diào)載倉(cāng)。每個(gè)大倉(cāng)格由10個(gè)倉(cāng)格組成，倉(cāng)格之間連通。在每個(gè)調(diào)載倉(cāng)配有各式閘門、閥門及水泵等附屬設(shè)施以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

排水起?。涸诿總€(gè)調(diào)載倉(cāng)各設(shè)置1個(gè)水泵，并設(shè)置1個(gè)300 mm排水口，用于排出調(diào)載倉(cāng)內(nèi)的壓載水，使塢門起浮。潛水泵控制開關(guān)設(shè)在頂部操作平臺(tái)上。

灌水坐底：在離塢門底板8.8 m高處，每個(gè)調(diào)載倉(cāng)設(shè)置1個(gè)400 mm進(jìn)水口，可在操作平臺(tái)上通過控制桿實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門進(jìn)行不同開閉角度的操作，控制塢門調(diào)載倉(cāng)的灌水速度。

深塢排水：在離塢門底板11.3 m高處，設(shè)置2根800 mm的排水管，用于塢內(nèi)高水位的排水，排水管靠塢側(cè)設(shè)置閥門，控制深塢與外海的通斷。

合理利用各調(diào)載倉(cāng)內(nèi)的進(jìn)水口和排水口，控制4個(gè)獨(dú)立大倉(cāng)格內(nèi)壓載水水位，確保深塢門在排水起浮和灌水坐底過程中的水平狀態(tài)。

3 浮塢門絞纜系統(tǒng)

深淺塢區(qū)布置卷揚(yáng)機(jī)及導(dǎo)纜樁，塢門頂部布置系纜樁，經(jīng)過合理纜繩布置，構(gòu)成深塢門絞纜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)深塢門在寄存區(qū)和塢口區(qū)的絞移。深塢門頂部設(shè)置6套250 kN雙柱型纜樁供系泊絞纜用（南北側(cè)各均勻布置3套），分別為1號(hào)—12號(hào)纜樁，詳見圖4。

絞纜系統(tǒng)各卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩纜繩布置如下：1號(hào)絞車?yán)|繩L1通過H-2、H-25纜樁至2號(hào)系纜柱，2號(hào)絞車?yán)|繩L2通過H-2纜樁至1號(hào)系纜柱上，4號(hào)絞車?yán)|繩L4通過H-26、H-10、H-11至11號(hào)系纜柱，7號(hào)絞車?yán)|繩L7通過H-17至10號(hào)系纜柱，8號(hào)絞車?yán)|繩L8通過H-17、H-19至9號(hào)系纜柱，9號(hào)絞車?yán)|繩L9通過H-21至4號(hào)系纜柱，10號(hào)絞車?yán)|繩L10通過H-20、H-23至3號(hào)系纜柱。具體布置圖見圖5。

圖4 浮塢門纜樁平面布置圖Fig.4 Floating dock gate bollard layout

4 浮塢門啟閉施工

4.1 排水起浮

完成浮塢門纜繩布置，方可進(jìn)行浮塢門的排水起浮作業(yè)。排水起浮具體步驟如下：

1）根據(jù)塢門浮運(yùn)時(shí)間段的海水潮位，計(jì)算深塢門臨界起浮和起浮完成時(shí)倉(cāng)格內(nèi)水位。

計(jì)算不同潮位，浮塢門起浮時(shí)和起浮完成是浮塢門倉(cāng)格內(nèi)的水位情況，以便實(shí)際操作中及時(shí)控制。設(shè)海水潮位為h（h>0，m），浮塢門倉(cāng)格內(nèi)海水高度為H，m。

計(jì)算公式如下：

起浮時(shí)：

起浮完成后：

式中：g=10 N/kg；G1為浮塢門自重，N，本工程為1.3伊108N；G2為浮塢門倉(cāng)格內(nèi)壓載水自重，N；F為起浮過程中的浮塢門的浮力，N；籽海為海水的密度，kg/m3，本工程取1 025；V1為浮塢門起浮過程排水體積，m3；S2為浮塢門倉(cāng)格面積，m2，本工程為1 286.63；S1為浮塢門底板面積，m2，本工程為1 486.8；A為浮塢門在海平面下高度，m，本工程為13.3；B為浮運(yùn)時(shí)需滿足的起浮高度，m，本工程為2.5。

綜上式（1）~（4）可得，

起浮時(shí)：

起浮完成后：

在確定了具體塢門啟閉時(shí)間后，查閱當(dāng)時(shí)海水潮位，根據(jù)式（5）、式（6）大致計(jì)算浮塢門不同起浮過程中倉(cāng)格內(nèi)的水位高度，以便在現(xiàn)場(chǎng)施工中做到精細(xì)控制。

2）啟動(dòng)塢門4臺(tái)水泵排水；排水過程中，定時(shí)用水位測(cè)繩測(cè)出調(diào)載倉(cāng)格內(nèi)水位。

3）接近臨界起浮水位時(shí)加大測(cè)量頻率且關(guān)注塢門情況；起浮后，測(cè)量4個(gè)角點(diǎn)標(biāo)高，通過水泵調(diào)整4個(gè)調(diào)載倉(cāng)內(nèi)水量，確保浮塢門水平。

4）塢門4個(gè)角頂標(biāo)高達(dá)18.3 m，平穩(wěn)起浮2.5 m后，停止排水。

4.2 絞移浮運(yùn)

浮塢門排水起浮完成后，即可進(jìn)行絞移浮運(yùn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)浮塢門在寄存區(qū)和塢口區(qū)位置轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到塢門啟閉的功能。塢門從寄存區(qū)絞拖至塢口施工流程如下：

1）塢門起浮后，調(diào)整各絞車?yán)|繩均勻受力。

圖6 浮塢門關(guān)閉流程步驟圖Fig.6 The closed process diagram of floating dock gate

2）塢門處于穩(wěn)定狀態(tài)后，絞動(dòng)4號(hào)、8號(hào)絞車?yán)|繩，同時(shí)保持受力均勻松1號(hào)、2號(hào)、10號(hào)絞車?yán)K，調(diào)整7號(hào)纜繩不受力，塢門向南移動(dòng)。

3）塢門向南移動(dòng)40 m后，調(diào)整牽引絞車，改為4號(hào)、7號(hào)絞車主拖，8號(hào)絞車輔拖，絞動(dòng)4號(hào)、7號(hào)絞車，同時(shí)保持受力均勻松1號(hào)、2號(hào)、10號(hào)絞車?yán)K，調(diào)整8號(hào)纜繩不受力，塢門向南移動(dòng)，見圖 6（a）。

4）塢門向南移動(dòng)至至正對(duì)塢口時(shí)，暫停絞拖；將9號(hào)絞車?yán)|繩帶至塢門4號(hào)纜樁，松掉1號(hào)纜繩，見圖5。

5）將8號(hào)、9號(hào)絞車轉(zhuǎn)為恒張力絞拖，以6 t力絞動(dòng)8號(hào)、9號(hào)絞車，2號(hào)、4號(hào)絞車保持受力均勻松纜，塢門向塢口移動(dòng)，調(diào)整7號(hào)、10號(hào)絞車?yán)|繩，輔助塢門進(jìn)入塢口，移動(dòng)塢門至深塢側(cè)平齊南北塢墩時(shí)，停止絞拖，見圖6（b）。

4.3 壓載坐底

浮塢門絞移浮運(yùn)到位后，即可在寄存區(qū)或者塢口區(qū)進(jìn)行壓載坐底作業(yè)，打開浮塢門進(jìn)水閥，對(duì)浮塢門倉(cāng)格進(jìn)行灌水壓載作業(yè)，把浮塢門準(zhǔn)確地安裝在寄存區(qū)或者塢口區(qū)指定的位置。

浮塢門底部0.5 m范圍內(nèi)四邊側(cè)面削成斜面，整個(gè)浮塢門為楔字形，該斜面表面鋪設(shè)護(hù)面鋼板與塢內(nèi)側(cè)和海側(cè)塢門檻及基梁兩端導(dǎo)向檻相匹配。浮塢門就位坐底過程中，通過四邊斜面與底部塢門檻和導(dǎo)向檻起導(dǎo)向作用，保證浮塢門精確就位坐底[5]。在進(jìn)行浮塢門關(guān)閉施工時(shí)，需精確把握浮塢門底部與塢門檻的位置。浮塢門底部與塢門檻匹配示意圖見圖6。

塢門開啟施工流程為，將塢門沉箱從塢口絞拖至寄存區(qū)，步驟與塢門關(guān)閉流程相反。

5 塢口止水

塢口止水分為2個(gè)部位：塢口底部止水和塢門側(cè)面止水。

5.1 塢口底部止水

塢口底板頂部鋪設(shè)2條贅止水橡膠（高出橡膠墊3 cm），采用螺栓固定于預(yù)埋鋼板上，深塢門坐底與贅止水橡膠壓緊，實(shí)現(xiàn)雙向止水。贅止水橡膠布置示意圖見圖7。

圖7 贅止水橡膠雙向止水布置示意圖Fig.7 The layout of贅gasket used to double-way stealing

5.2 塢門側(cè)面止水

塢口寬61 m，深塢門寬59 m，深塢門與兩側(cè)塢門墩之間存在1 m間距。兩側(cè)1 m空隙，通過鋼閘門止水。鋼閘門主體為壁厚16 mm的鋼管，長(zhǎng)28.95 m，鋼管海側(cè)焊接限位鋼板、深塢側(cè)安裝吊耳以便吊裝，鋼管兩側(cè)分別焊接止水鋼板，止水鋼板側(cè)面焊設(shè)加強(qiáng)肋，止水鋼板海側(cè)面通長(zhǎng)鋪設(shè)承壓墊和贅止水橡膠[5]。鋼閘門俯視圖見圖8。

圖8 鋼閘門俯視圖Fig.8 Top view of the steel gate

鋼閘門平時(shí)系存于塢門墩側(cè)面。蓄水時(shí)，通過設(shè)置于塢門墩頂部的桅桿吊吊裝。鋼閘門就位后在預(yù)緊措施的作用下贅止水橡膠與塢門塢墩止水面貼緊止水。

6 結(jié)語

大體積鋼扶壁混凝土組合式浮塢門有效地解決了工廠法沉管預(yù)制中深淺塢和外海的隔離，具有操作簡(jiǎn)單、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。在港珠澳大橋沉管隧道沉管預(yù)制中已成功完成幾十次啟閉過程，施工工藝也得到了不斷的提升和改進(jìn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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