板式支護(hù)在干船塢工程建造中的運(yùn)用

張燕

（1.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063；2.上海海洋工程和船廠(chǎng)水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200063）

0 引言

干船塢是修造船廠(chǎng)中重要的水工建筑物，是其修造船能力賴(lài)以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施。傳統(tǒng)做法是在船塢塢口外水域設(shè)置圍堰[1-2]形成陸域干施工環(huán)境，塢口、泵房及塢室等采用整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。近些年，受制于前沿航道、岸線(xiàn)布置、已建廠(chǎng)房及公用管溝等周邊環(huán)境條件，地下工程中常見(jiàn)的板式支護(hù)基坑法施工[3-4]逐漸運(yùn)用于干船塢工程建造中。借助于板式支護(hù)體系靈活的平面布置形式以及整體剛度較大，可以應(yīng)對(duì)擬建船塢工程場(chǎng)地的淺層軟土和周邊復(fù)雜環(huán)境條件。目前，已在多個(gè)干船塢項(xiàng)目施工中取得了成功實(shí)踐，本文將結(jié)合一些項(xiàng)目的具體運(yùn)用進(jìn)行分析研究。

1 在船塢塢口建造中的運(yùn)用

近年來(lái)，基于單位建造成本和航運(yùn)成本方面的考慮，船舶呈現(xiàn)大型化趨勢(shì)，干船塢的尺寸也隨之水漲船高。船塢塢室的寬度在40～120 m之間；長(zhǎng)度在200～550 m之間。龐大的平面尺寸，若整塢采用臨時(shí)圍護(hù)的形式來(lái)建造，則工程費(fèi)用較高，且新建船塢場(chǎng)地較常規(guī)民用建筑基坑的周邊環(huán)境條件相對(duì)寬松，塢室結(jié)構(gòu)可采用大開(kāi)挖后現(xiàn)澆建造，或者塢墻兼做施工期圍護(hù)墻體形成塢坑，由此板式支護(hù)較多運(yùn)用于塢口建造中。

以長(zhǎng)江口某船塢為例，該船塢有效尺度長(zhǎng)×寬×深為360 m×103 m×12.6～13.6 m，南北向布置，見(jiàn)圖1。

船塢塢口前沿線(xiàn)突出新建一線(xiàn)大堤約13.0～31.0 m。新防汛大堤北側(cè)約70～100 m為老大堤，兩堤之間為吹填區(qū)，地形平坦，標(biāo)高在5.00 m左右。新大堤以南為水域，有拋石分布，泥面標(biāo)高0.4～-7.6 m。塢口位置自然泥面標(biāo)高在0.0 m左右，塢口外30 m范圍內(nèi)泥面坡度約為1∶6。塢口水域泥面表層有0.5 m淤泥和約5 m厚流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。陸域地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，見(jiàn)表1。

老大堤北側(cè)為新征用的農(nóng)田，環(huán)境條件較好。塢口上游約147 m為使用中的三號(hào)碼頭，下游約116 m處為工廠(chǎng)10萬(wàn)噸級(jí)浮船塢，該浮船塢是工廠(chǎng)修船生產(chǎn)保障所需，廠(chǎng)區(qū)內(nèi)沒(méi)有其它合適的岸線(xiàn)可供其臨時(shí)?？俊?/p>

若采用土壩圍堰方案，由于塢口前沿水深較深，淺層土體地基承載力低，造成土圍堰的體量龐大，壩體總寬度在100 m以上。堰體與上下游的碼頭及浮塢平面安全距離不足，影響工廠(chǎng)正常生產(chǎn)。圍堰土方工程量大，施工周期長(zhǎng)，工程經(jīng)濟(jì)性差，在設(shè)計(jì)初期階段即排除了該方案。

若采用較為常規(guī)的雙排鋼板樁圍堰[1-2]，塢口前沿為直線(xiàn)段，兩側(cè)通過(guò)圓弧段與大堤連接，外排鋼板樁平面長(zhǎng)度達(dá)370 m，內(nèi)排320 m，堰體寬度15 m。圍堰外側(cè)采用塊石護(hù)坡，內(nèi)側(cè)設(shè)17.9 m寬水泥土攪拌樁加固體，直壁開(kāi)挖形成塢坑。

該方案的雙排鋼板樁用鋼量大、堰內(nèi)土體加固方量大，施工工期長(zhǎng)，工程造價(jià)高。雙排鋼板樁圍堰的總體變形在以往工程中普遍較大，由于它與下游浮船塢位置較近，易對(duì)其進(jìn)出塢安全產(chǎn)生不利，施工風(fēng)險(xiǎn)較難控制。

考慮擬建場(chǎng)地區(qū)域已建有新老兩道長(zhǎng)江大堤，且場(chǎng)地大部已吹填至標(biāo)高5.00 m左右。通過(guò)對(duì)土圍堰與雙排鋼板樁圍堰進(jìn)行方案比選后發(fā)現(xiàn)，限于地質(zhì)和周邊環(huán)境條件，本工程圍堰設(shè)計(jì)不宜過(guò)多占用塢口前沿水域，但可以充分利用現(xiàn)有場(chǎng)地地坪較高的特點(diǎn)，在新大堤外側(cè)適當(dāng)墊高整平形成臨時(shí)施工平臺(tái)，從而船塢主體結(jié)構(gòu)的施工均在陸上進(jìn)行，塢口及泵房結(jié)構(gòu)采用板式支護(hù)開(kāi)挖施工，總體施工難度與水上施工相比大大降低。板式支護(hù)運(yùn)用較鋼板樁圍堰降低近3 000萬(wàn)元的造價(jià)，土方填筑工程量也小于前述方案，加快了項(xiàng)目整體施工進(jìn)度。

項(xiàng)目最終采用板式支護(hù)方案建造塢口及泵房結(jié)構(gòu)。先清除大堤堤腳處的拋石障礙物，在塢口前沿線(xiàn)外側(cè)約10 m處填筑編織袋吹填砂導(dǎo)堤，并設(shè)拋石棱體護(hù)腳、拋石護(hù)面。塢口基坑位置與后方場(chǎng)地平整后接平，基坑后方及兩側(cè)20 m范圍場(chǎng)地卸土平整至標(biāo)高3.0 m，形成船塢塢口基坑工程的施工平臺(tái)，見(jiàn)圖2。

塢口基坑平面呈矩形，長(zhǎng)138.5 m，寬39.5 m，一般位置開(kāi)挖深度14.65 m，泵房處為18.45 m。

圖2 塢口基坑平面圖Fig.2 Plan of dock entrance foundation pit

圍護(hù)墻[3]采用鉆孔灌注樁排樁，樁徑φ1 000～1 200 mm，樁長(zhǎng)38～43 m。為保證圍護(hù)排樁施工質(zhì)量，采用低摻量的三軸水泥土攪拌樁先行改良土體，再將圍護(hù)灌注樁套打于水泥土攪拌樁內(nèi)。基坑外側(cè)即為長(zhǎng)江，水力補(bǔ)給豐富，故圍護(hù)樁外排再打設(shè)1排高摻量的三軸水泥土攪拌樁形成封閉。見(jiàn)圖3。

圖3 塢口基坑剖面圖Fig.3 Section of dock entrance foundation pit

支撐平面布置[4-5]采用對(duì)撐加角撐的方案。主撐平面間距一般為7 m，豎向布置4道支撐，泵房落深處布置5道支撐，其中除第1道為鋼筋混凝土支撐，其余均為型鋼支撐。

立柱采用φ700鋼管，立柱樁充分利用塢口工程樁，將鋼管立柱和預(yù)制管樁一起施打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。泵房處及塢口前沿對(duì)坑內(nèi)土體采用高壓旋噴樁加固，和塢口底板下的永久止水帷幕結(jié)合施工。

整個(gè)塢口基坑的施工較為順利，圍護(hù)墻體實(shí)際變形是理論計(jì)算變形的兩倍左右，見(jiàn)圖4。基坑內(nèi)未產(chǎn)生大面積滲漏現(xiàn)象，塢口結(jié)構(gòu)的永久止水節(jié)點(diǎn)處理相當(dāng)成功。

圖4 圍護(hù)墻位移對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of enclosure wall displacement

2 在船塢整體建造中運(yùn)用

在周邊環(huán)境變位要求比較嚴(yán)苛，船塢平面尺寸合適的時(shí)候，板式支護(hù)整體施工船塢成了最好的選擇。

該工程為國(guó)外某新建船廠(chǎng)2座船塢[6-8]，平面尺寸為100 m×28 m和90 m×28 m，深度均為11 m。兩塢之間凈距15 m，塢口并列朝東?，F(xiàn)狀岸線(xiàn)在擬建船塢及碼頭的前沿線(xiàn)后方約5～15 m。周邊環(huán)境比較復(fù)雜，本新建廠(chǎng)區(qū)的南北側(cè)均為正在營(yíng)運(yùn)的相鄰工廠(chǎng)。船塢南側(cè)一組已建的龍門(mén)吊軌道與擬建塢壁線(xiàn)平行距離約29 m，平行距離塢壁線(xiàn)約25 m有一條運(yùn)營(yíng)中的400 kV電氣隧道，直徑2.4 m，埋深約13 m。電力公司要求任何形式的開(kāi)挖引起的隧道位移控制不得超過(guò)5 mm。西側(cè)和北側(cè)均為本廠(chǎng)新近投入使用的廠(chǎng)房，距離塢壁線(xiàn)分別約為37 m和51 m。見(jiàn)圖5。

本工程地質(zhì)條件較特殊，廠(chǎng)區(qū)為灘涂吹填成陸，回填土平均層厚3～5.5 m，其下是厚度5 m的海泥層，海泥層下方主要由粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土組成，以上土層平均標(biāo)貫擊數(shù)約為2～9擊。再往下為標(biāo)貫大于50的中風(fēng)化砂巖。巖面平均埋深為19 m，埋深最淺處為17 m，距離泵房最深的開(kāi)挖面僅2 m左右。土層力學(xué)性指標(biāo)見(jiàn)表2。

圖5 船塢平面圖Fig.5 General layout of dry dock

表2 土層力學(xué)性指標(biāo)參數(shù)表Table 2 Soil layer mechanical index parameter table

鑒于塢口外即為主航道，塢口可采用板式支護(hù)獨(dú)立施工。塢墻結(jié)構(gòu)除場(chǎng)地條件較好的北側(cè)可以采用單錨板樁結(jié)構(gòu)外，其余側(cè)塢墻采用雙排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

雙排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)的前排樁采用φ1 219×14鋼管與NSP-IVw鋼板樁的組合樁，鋼管底部嵌巖，后排樁采用φ900灌注樁。雙排樁之間采用攪拌樁加固，頂部采用鋼筋混凝土承臺(tái)連接。

按當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求[7-8]，所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)按照地質(zhì)條件最差的鉆孔參數(shù)取值，采用有限元程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示：開(kāi)挖到塢坑底時(shí)塢墻最大位移為55 mm，隧道結(jié)構(gòu)最大位移11.4 mm；中間塢墻最大位移為45 mm，單側(cè)船塢灌水時(shí)上部胸墻位移增量為18.6 mm。

上述塢墻方案的結(jié)構(gòu)變形較大，導(dǎo)致相鄰隧道結(jié)構(gòu)最大位移均超過(guò)限值[7]，不能滿(mǎn)足環(huán)境保護(hù)要求，且使用階段塢墻位移也難以滿(mǎn)足上部吊車(chē)的安全使用要求[1]。方案不可行。

考慮到本工程總體平面尺寸不大，可參照民用建筑地下結(jié)構(gòu)板式支護(hù)來(lái)施工整個(gè)船塢結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)現(xiàn)澆扶壁式塢墻結(jié)構(gòu)及塢口整體式“U”形結(jié)構(gòu)，既可解決船塢施工期間對(duì)電力隧道的保護(hù)要求，又能滿(mǎn)足使用階段塢墻吊車(chē)的運(yùn)行。

本工程基坑平面呈矩形，長(zhǎng)111.5 m，寬84 m，見(jiàn)圖6（a），塢室一般開(kāi)挖深度12.2 m，塢口泵房處最大開(kāi)挖深度16.4 m。

圖6 支撐平面布置圖Fig.6 Support floor layout

根據(jù)工程當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)的詢(xún)價(jià)結(jié)果，嵌巖地下連續(xù)墻和灌注樁單價(jià)是國(guó)內(nèi)的數(shù)倍。為了控制工程造價(jià)，圍護(hù)墻體采用了創(chuàng)新的、較為經(jīng)濟(jì)的嵌巖鋼管樁和鋼板樁組合結(jié)構(gòu)。

根據(jù)塢室和塢口開(kāi)挖深度的不同，本工程的圍護(hù)墻采用2種形式：塢室采用鋼管樁（φ1 219×14）與鋼板樁（NSP-IVw）組合斷面。鋼管樁打至強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化巖面，鋼管樁底增設(shè)φ1 100嵌巖段。塢口采用鋼管樁（φ1 016×12）與鋼板樁（FSPIV）組合斷面，樁底設(shè)φ900嵌巖段。見(jiàn)圖6（b）。

本工程的嵌巖鋼管樁和鋼板樁組合墻，既是船塢基坑工程的擋土、止水的圍護(hù)墻體，又兼做船塢結(jié)構(gòu)的永久止水帷幕，有效降低了工程造價(jià)。在塢口段臨水面，在鋼管樁的外側(cè)另增設(shè)1排D800高壓旋噴樁止水帷幕，底標(biāo)高同嵌巖樁。

支撐平面布置采用對(duì)撐加角撐的形式。塢室部分豎向布置2道支撐，塢口部分豎向3道支撐，泵房位置局部4道支撐。對(duì)撐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余均為雙拼H700×300的型鋼支撐。

支撐下方采用鋼格構(gòu)立柱，立柱樁為φ850鉆孔嵌巖樁。

為控制圍護(hù)墻變形，繼而有效控制電力隧道及已建廠(chǎng)房的位移，在基坑南側(cè)和西側(cè)采用φ700雙軸水泥土攪拌樁坑內(nèi)裙邊加固。

經(jīng)過(guò)總包單位的精心施工和監(jiān)理單位的嚴(yán)格監(jiān)管，本工程的實(shí)測(cè)位移和二維有限元計(jì)算結(jié)果相當(dāng)接近。圍護(hù)墻體的計(jì)算最大位移為48 mm，實(shí)測(cè)34 mm。電力隧道的計(jì)算最大位移4 mm，實(shí)測(cè)3 mm；廠(chǎng)房實(shí)測(cè)最大沉降20 mm，均在預(yù)控安全范圍之內(nèi)。該工程已于2016年5月竣工投產(chǎn)，使用正常，受到建設(shè)方的好評(píng)。

3 結(jié)語(yǔ)

船塢工程是巖土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、水力學(xué)等多學(xué)科交叉的應(yīng)用學(xué)科。目前我院已經(jīng)在船塢塢口、駁岸以及船塢整體建造中成功運(yùn)用了多個(gè)板式支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。下階段如何將板式支護(hù)體系進(jìn)一步合理運(yùn)用于干船塢工程施工建造，需要不斷地總結(jié)已完成工程中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，學(xué)習(xí)推廣各種新工藝、新技術(shù)，突破以往常規(guī)思維模式，從而提升船塢工程學(xué)科的總體技術(shù)水平。