適用于大型浮式塢門的新型塢口底板結構

黃丹蘋，馬勇，陳良志

0 引言

近年來，隨著大型沉管隧道項目的發展，“工廠法”作為一種更先進的生產工藝，逐步應用于沉管預制。與傳統的“干塢法”預制沉管不同，“工廠法”采用類似于盾構隧道管片的流水線式生產模式，利用多級船閘的工作原理，設兩級塢池（淺塢區和深塢區）實現管節的檢漏、舾裝和出塢，可不影響預制廠房內的沉管預制工作，實現全天候、流水線作業，使得各道工序的質量更有保證[1]。但是，“工廠法”也對深塢塢門提出了更高的要求，傳統的干船塢為抽空塢內水，提供干地作業條件，塢門承受塢外側的水壓力，水壓呈三角形分布，水壓相對較小；而“工廠法”中需塢內蓄水（塢內水位高于塢外），以實現沉管管節由淺塢區到深塢區的浮運平移，此時塢門承受的水壓力呈梯形分布，其水壓力約是傳統干塢門的3倍。

在這種情況下，作為塢門坐底就位時的底部支撐結構，塢口底板設計面臨以下問題：

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

2）浮塢門體量大，坐底就位時需確保安裝就位的精確度，以免塢門損壞。

3）浮塢門和塢口底板均為大尺寸剛性構件，其表面的平整度偏差難以避免，若兩者直接接觸，勢必存在接觸不均導致的應力集中問題，因而產生極大的壓應力，可能導致塢門的破壞。

為了解決上述技術問題，本文結合港珠澳大橋桂山沉管預制廠項目的成功經驗，介紹一種適用于大型浮式塢門的塢口底板結構。

1 工程背景

港珠澳大橋沉管預制廠是全球第二次、國內首次采用“工廠法”預制沉管管節。目前，全世界范圍內僅厄勒海峽工程成功應用“工廠法”預制沉管，能查詢到的厄勒海峽沉管預制廠的相關設計資料極為有限，同時國內沒有相似的工程可以參考，設計過程中面臨諸多技術難題。

為滿足工廠化流水線生產沉管的技術要求，現場設置了深塢和淺塢兩個功能區，其中深塢塢口是沉管出塢的咽喉，為適應塢內蓄水和管節出塢的需求，深塢塢口處設置了具備反復啟閉功能的浮塢門結構，其典型斷面見圖1。浮塢門選用鋼筋混凝土沉箱結構，長59 m、寬25.2 m、高29.1 m，總重量約為13 600 t[2]。蓄水工作時，浮塢門內外最大水頭差為15.87 m。龐大的結構尺寸、巨大的水壓荷載、多次浮運啟閉的功能需求等客觀條件，使得塢口底板設計過程中存在的技術難題更為突出。在這種情況下，巧妙地設計了一種具有導向和承壓功能的塢口底板結構。

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

2 結構方案

深塢塢口底板包括防滲混凝土基梁（深塢內側）、抗剪混凝土基梁（海側）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]，具體結構詳見圖2。

為滿足塢口底板的功能需求，采取以下措施：

1）浮塢門的坐底支撐基礎

在對應浮塢門沉箱縱向隔板位置設置支撐基梁，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。

為了適應浮塢門底面和塢口底板的不平整度，消除兩者之間因接觸不均導致的應力集中問題，在基梁頂部對應浮塢門縱橫隔板交叉處設置緩沖墊，每個緩沖墊由多個0.5 m伊0.5 m伊0.09 m的橡膠墊組成，橡膠墊的布置見圖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

根據現有的預制工藝條件，平整度偏差可控制在5 mm以內，考慮到橡膠的抗壓強度約為10 MPa，設計要求橡膠墊的壓縮變形能力需滿足以下條件：5 MPa面壓作用下壓縮變形在20 mm左右[3]。通過采用有限元軟件ANSYS對橡膠墊與浮塢門之間的相互作用進行數值模擬，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：

橡膠墊平均壓應力限值：滓c=10 MPa>滓=3.76 MPa，滿足設計要求。

C40混凝土軸心抗壓強度：fc=19.5 MPa>滓=3.76 MPa，滿足設計要求。

2）抵抗塢內蓄水工作時作用在浮塢門上的水平向靜水壓力

在塢內蓄水工作狀態，浮塢門承受巨大的水平向靜水壓力，抵抗該荷載僅靠浮塢門與塢口底板之間的摩擦力難以實現，因此在海側設置了抗剪基梁，其頂部設置抗剪牛腿，高0.59 m，沿塢口縱向通長布置（長61 m）。浮塢門受力時與抗剪牛腿貼緊，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，抗剪基梁底部設置抗剪凸榫，嵌入微風化巖層，凸榫高1.5 m。同時，在抗剪基梁、支撐基梁及連系板底部設置12排準32錨桿，一端錨入基礎底板，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，在基巖中的錨固長度為2.5 m，從而將底板錨固在基巖上，用于增強塢口底板的抗滑能力。

抗剪基梁頂部抗剪牛腿按照GB 50010—2002《混凝土結構設計規范》[4]第10.8條規定進行設計，相關計算結果見表1。

表1 抗剪牛腿強度復核Table 1 The verification results of strength of shear corbel

塢口底板的抗滑穩定性按照JTS 167-2—2009《重力式碼頭設計與施工規范》[5]第2.5條相關規定進行驗算，見表2。

表2 塢口底板抗滑復核Table 2 The verification results of sliding stability of base plate

3）與基巖之間完全嵌固止水

在塢口內側設置防滲基梁，其底部設置1.0 m高的混凝土凸榫，嵌入底部微風化巖層，用于增加塢口底部的滲徑長度，減小滲水量，滿足結構的防滲要求。

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

4）與浮塢門緊密接觸，實現兩者之間的密封止水

塢門與塢口底板之間采用贅止水橡膠進行止水，贅止水橡膠設置于靠塢內側的防滲基梁頂部，沿塢口縱向通長鋪設，兩端延伸至塢門墩兩側與塢口側止水結構密封連接，從而形成完整的止水面。因蓄水工作時塢內水位高于外側，底止水橡膠應盡量布置在靠塢內側，使作用在塢口底板上的揚壓力主要由塢外側水位引起，從而減小浮托力，增加塢門的穩定性。

如圖4所示，設計要求贅止水橡膠高出橡膠墊3 cm[2]，保證就位坐底時塢門底板與止水橡膠壓緊密封止水，同時，橡膠墊的布設，可確保止水橡膠不會產生過大的壓縮變形，避免其損壞。

圖4 深塢塢口底止水斷面圖Fig.4 Typical section of bottom water-sealing for entrance of deep-water dock

5）導向功能

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

3 使用效果

桂山沉管預制廠自交工投產以來，使用狀況良好，運行高效，有力地保證了港珠澳大橋島隧工程的實施。至今塢內蓄水、浮塢門啟閉共計20余次，浮塢門和塢口底板的使用一切正常，啟閉操作簡便高效，結構牢固、止水效果良好，已圓滿完成全部沉管（共計33節）的出塢任務。

4 結語

本文介紹的新型塢口底板結構，對大型浮動式塢門具有良好的適用性，其最大的結構優點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件之間的剛性接觸；導向檻的巧妙設計，化拙為巧，即可保證安裝精度又可降低操作難度；同時，防滲基梁和抗剪基梁的設計，可有效保證防滲效果和抗滑穩定性[6]。在港珠澳大橋桂山沉管預制廠的使用效果良好，充分驗證了這種塢口底板結構的合理性和可行性，對大型浮動式塢門的發展具有重大意義，應用前景廣闊。

[1]“工廠法”沉管預制廠建設關鍵技術研究[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，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制廠工程水工結構施工圖設計說明[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，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，陳良志.用于大型浮式塢門的橡膠墊結構設計[J].中國港灣建設，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，混凝土結構設計規范[S].GB 50010—2002,Code for design of concrete structures[S].

[5]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設計與施工規范[S].JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay[S].

[6] 盧永昌，梁桁，陳良志.具有導向和承壓功能的塢口底板：中國，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.