港珠澳大橋香港口岸人工島大型箱涵浮運封閉工藝

馬 林

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

近年來，箱涵浮運落底安裝工藝在水工領(lǐng)域被越來越多地采用，主要是因為施工中無需修筑圍堰，施工時間更短，經(jīng)濟效益更優(yōu)，例如浙江舟山東港二期圍涂工程[1]、青島奧運會帆船中心水工項目[2]、港珠澳大橋香港口岸人工島項目[3]等。箱涵浮運通常有2 種做法:1)借助氣囊使箱涵漂浮[4-5]，這類箱涵多為鋼結(jié)構(gòu)，自重不會很大；2)使箱涵封閉自漂浮[6-7]，這類箱涵多為鋼筋高程結(jié)構(gòu)，自重和排水體積都很大。箱涵自漂浮的前提是保證其封閉不出現(xiàn)滲水、漏水等病害，此時通常采用鋼封門結(jié)構(gòu)[8-12]。但是關(guān)于鋼封門的設(shè)計與止水工藝研究較少。浮運過程中，鋼封門不僅需要足夠的強度抵抗外部的水壓力、波浪力等外力，還需要足夠的剛度抵抗外力作用下的變形。此外，若箱涵浮運線路較長，還需要優(yōu)良的密水止水可靠性。本文依托港珠澳大橋香港口岸人工島水工項目，研究箱涵封閉結(jié)構(gòu)(即鋼封門)的設(shè)計驗算、止水做法，并對實施過程與效果進行全過程監(jiān)控。

1 工程概況

港珠澳大橋香港口岸人工島西南角的D 區(qū)是與香港機場連通的陸島通道，寬約150 m，為超深淤泥上的砂石填筑結(jié)構(gòu)(圖1)，其下布置有5 道箱涵用于過水，箱涵在筑堤回填、地基處理后再開挖進行施工。其中，C1 段箱涵內(nèi)底高程為-4.50～-4.06 m；C2、C3 段箱涵內(nèi)底高程為-4.50～-4.11 m；C4 段箱涵內(nèi)底高程為-4.500～-4.135 m；EC1 段箱涵內(nèi)底高程為0.16～0.00 m。箱涵高度6.2 m，混凝土強度等級為C45。每30 m設(shè)1 道伸縮縫。

圖1 香港口岸人工島

C1～C4 為四孔箱涵，底板厚1 m，頂板厚0.7 m，總高度為6.2 m，外壁厚0.6 m，內(nèi)壁厚0.5 m，總寬度22.7 m。南側(cè)斜坡堤出水口箱涵為異形扶壁結(jié)構(gòu)，高6.2 m，長約20 m，寬22.7 m。箱涵結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 C1～C4 箱涵結(jié)構(gòu)典型斷面(單位:mm)

箱涵采用工廠預(yù)制、海上浮運、水上安裝工藝。即:箱涵結(jié)構(gòu)在預(yù)制廠預(yù)制→用半潛駁將箱涵節(jié)段運至現(xiàn)場附近的下潛坑(距離箱涵安裝位置4.3 km)→用2 艘拖輪將上述節(jié)段拖運至基槽安裝位置→在卷揚機集中控制系統(tǒng)與GPS 定位系統(tǒng)的幫助下完成落底著床與水下對接。

本工程C1～C4 段箱涵共有21 個預(yù)制節(jié)段，其最大長度38.2 m，最大質(zhì)量約5 100 t。浮運過程中，箱涵節(jié)段須保證封閉、不滲水。施工難點如下:

1)封堵面積大。預(yù)制箱涵為開敞式構(gòu)筑物，普通箱涵前后共8 孔，單孔面積為4.5 m×5.0 m；斜坡堤出水口為多面開敞結(jié)構(gòu)，開敞面面積為23.0 m×5.5 m、5.5 m×10.0 m。由于堵水面積大，封閉結(jié)構(gòu)與高程接縫長，緊固螺栓孔洞多，潛在漏水點多。

2)浮運路線長。箱涵下潛點距基槽安裝位置約4.3 km，周邊有進出機場航道，往來行駛的高速客輪造成船行波很大，箱涵封堵結(jié)構(gòu)必須充分考慮波浪力和水流力，確保結(jié)構(gòu)可靠、能抵御頻繁外力沖擊而不漏水。

3)異型結(jié)構(gòu)多。預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)形式多，異型箱涵的預(yù)埋螺栓實際位置有偏差，而封閉結(jié)構(gòu)的螺栓孔又不宜過大，否則易漏水，螺栓對位難，高精度安裝難度大。

2 箱涵封閉

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

為使箱涵獲得足夠的浮力，必須對其敞開的端部進行封堵。同時，單個箱涵分為多個節(jié)段，節(jié)段之間需縱向連接，因此，箱涵節(jié)段必須保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、無較大變形。因取材方便、加工快捷，通常采用型鋼組合作為箱涵封閉結(jié)構(gòu)(簡稱，鋼封門)。采用I25 工字鋼作為支撐主梁(間距1.25 m)，縱橫分配梁分別采用I12 工字鋼(間距0.6 m)和I12 槽鋼(間距0.6 m)，面板采用10 mm 厚鋼板，型鋼之間采用焊縫連接，型鋼與高程之間采用高強螺栓連接(圖3)。結(jié)構(gòu)計算時，按照最不利工況考慮，海域最大流速2 m∕s，據(jù)此計算水流阻力和波浪撞擊力，同時，按照極端高潮位2.5 m 計算箱涵落底著床的水壓力，所有作用分項系數(shù)均取1.5。計算結(jié)果顯示，主梁最大撓度9.6 mm，次梁最大撓度0.6 mm，均滿足規(guī)范要求。

圖3 極端水頭差工況下鋼封門受力分析

因箱涵結(jié)構(gòu)形式不同，中間段為普通矩形結(jié)構(gòu)，兩端斜坡堤段為異形扶壁結(jié)構(gòu)(圖4)。矩形結(jié)構(gòu)直接利用高程結(jié)構(gòu)壁作為鋼封閉門的支撐受力部位，異形結(jié)構(gòu)須補齊扶壁結(jié)構(gòu)的三角形缺口部分，整體設(shè)計類似矩形結(jié)構(gòu)，以滿足均勻受力要求。

圖4 箱涵鋼封門

2.2 初步方案

鋼封閉門不僅要保證高強度、小變形，還須對其止水密水效果進行補充設(shè)計，其中最重要的是做好角鋼門框與高程壁接縫處、門框與鋼封門接縫處、螺栓孔處的密封止水，這是箱涵浮運密封工藝的關(guān)鍵。經(jīng)過多次討論，堵縫密封標(biāo)準(zhǔn)工藝(圖5)如下:

圖5 接縫處密封工藝

1)角鋼門框(L16 角鋼)與高程壁、鋼封門與角鋼門框間縫隙，采用L 型止水橡膠條＋X-SEAL密封膠工藝；

2)連接螺栓孔處，采用鋼墊片＋橡膠墊片＋XSEAL 密封膠工藝。

2.3 改進方案

基于上述工藝，在預(yù)制廠進行鋼封門的密封性試驗，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)局部有滲水、漏水現(xiàn)象，因此須對上述密封工藝進行改進。問題及處理措施如下:

1)角鋼門框與箱涵接觸不緊密。處理措施:①角鋼門框分區(qū)、分塊，直線段統(tǒng)一加工，現(xiàn)場統(tǒng)一安裝；②箱涵下倒角根據(jù)實測尺寸，精確加工角鋼門框拐角，單獨安裝(圖6)；③角鋼門框分塊安裝后，現(xiàn)場焊接成整體，防止門框分縫漏水。

圖6 角鋼門框下拐角位置

2)止水材料效果不佳。處理措施:①L 型橡膠條厚2 cm，具有較好壓縮性，邵氏硬度55，能壓縮至1 cm 厚以內(nèi)(圖7)；②所有接縫處外加1 道高強止水膠堵縫(圖8)。

圖7 定型加工2 cm 厚L 型止水條

圖8 鋼封門內(nèi)外接縫均刷高強止水膠

3)預(yù)埋連接螺栓孔洞大。處理措施:①實測箱涵預(yù)埋螺母位置，在角鋼門框上精確放線、磁力鉆現(xiàn)場開孔(圖9)；②采用1 cm 厚鋼墊片壓緊壓縮性高的橡膠墊片；③所有螺栓孔系統(tǒng)編號，每節(jié)箱涵出運前均需鋼封門密封性檢測，若發(fā)現(xiàn)螺栓孔漏水，則記錄編號，事后用止水結(jié)構(gòu)膠再次堵孔；④所有M22 連接螺栓均用量程為280～760 N·m 的扭力扳手測量，確保所有螺栓扭力均＞280 N·m，保證螺栓充分?jǐn)Q緊，壓緊墊片。

圖9 現(xiàn)場實測后用磁力鉆開孔

4)模擬實際工況，做好密封性檢測。箱涵節(jié)段出運前，在同等工況下對鋼封閉門進行密封性檢測試驗，在鋼封門外側(cè)設(shè)置整體鋼桁架大模板，內(nèi)部注水達6 m 高，靜置24 h，檢驗箱涵內(nèi)部漏水情況。若有漏水，則標(biāo)記漏水點，待密封檢測后局部處理，確保完全止水。

3 結(jié)論

1)考慮最不利工況設(shè)計箱涵鋼封門，以I25 工字鋼作為支撐主梁(間距1.25 m)，以I12 工字鋼和[12 槽鋼作為縱橫分配梁(間距0.6 m)，面板厚度10 mm。計算結(jié)果表明，其主梁最大撓度9.6 mm，次梁最大撓度0.6 mm，均滿足規(guī)范要求。

2)鋼封門加工時，型鋼交接處采用母材等強焊縫連接，型鋼與高程交接處采用高強螺栓連接，采用L 型止水橡膠條＋X-SEAL 密封膠工藝；所有接縫處外加1 道高強止水膠堵縫。

3)鋼封門的角鋼門框根據(jù)高程結(jié)構(gòu)實測結(jié)構(gòu)定尺加工，L 型橡膠條厚2 cm，邵氏硬度55，能壓縮至1 cm 厚以內(nèi)；所有M22 高強螺栓應(yīng)確保扭力均＞280 N·m。此外，鋼封門安裝完成后，須進行多次密水試驗檢查潛在滲漏點，確保完全止水后方可外運。

4)工程應(yīng)用表明，每節(jié)箱涵經(jīng)海上長距離浮運過程中受到波浪、水流作用，亦無明顯漏水，密封止水效果良好。箱涵密封工藝為水上浮運安裝起到了關(guān)鍵作用，具有較大的推廣應(yīng)用價值。