板式支護在干船塢工程建造中的運用

張燕

（1.中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術研究中心，上海 200063）

0 引言

干船塢是修造船廠中重要的水工建筑物，是其修造船能力賴以實現的基礎設施。傳統做法是在船塢塢口外水域設置圍堰[1-2]形成陸域干施工環境，塢口、泵房及塢室等采用整體現澆結構。近些年，受制于前沿航道、岸線布置、已建廠房及公用管溝等周邊環境條件，地下工程中常見的板式支護基坑法施工[3-4]逐漸運用于干船塢工程建造中。借助于板式支護體系靈活的平面布置形式以及整體剛度較大，可以應對擬建船塢工程場地的淺層軟土和周邊復雜環境條件。目前，已在多個干船塢項目施工中取得了成功實踐，本文將結合一些項目的具體運用進行分析研究。

1 在船塢塢口建造中的運用

近年來，基于單位建造成本和航運成本方面的考慮，船舶呈現大型化趨勢，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；長度在200～550 m之間。龐大的平面尺寸，若整塢采用臨時圍護的形式來建造，則工程費用較高，且新建船塢場地較常規民用建筑基坑的周邊環境條件相對寬松，塢室結構可采用大開挖后現澆建造，或者塢墻兼做施工期圍護墻體形成塢坑，由此板式支護較多運用于塢口建造中。

以長江口某船塢為例，該船塢有效尺度長×寬×深為360 m×103 m×12.6～13.6 m，南北向布置，見圖1。

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

老大堤北側為新征用的農田，環境條件較好。塢口上游約147 m為使用中的三號碼頭，下游約116 m處為工廠10萬噸級浮船塢，該浮船塢是工廠修船生產保障所需，廠區內沒有其它合適的岸線可供其臨時停靠。

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，影響工廠正常生產。圍堰土方工程量大，施工周期長，工程經濟性差，在設計初期階段即排除了該方案。

若采用較為常規的雙排鋼板樁圍堰[1-2]，塢口前沿為直線段，兩側通過圓弧段與大堤連接，外排鋼板樁平面長度達370 m，內排320 m，堰體寬度15 m。圍堰外側采用塊石護坡，內側設17.9 m寬水泥土攪拌樁加固體，直壁開挖形成塢坑。

該方案的雙排鋼板樁用鋼量大、堰內土體加固方量大，施工工期長，工程造價高。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，易對其進出塢安全產生不利，施工風險較難控制。

考慮擬建場地區域已建有新老兩道長江大堤，且場地大部已吹填至標高5.00 m左右。通過對土圍堰與雙排鋼板樁圍堰進行方案比選后發現，限于地質和周邊環境條件，本工程圍堰設計不宜過多占用塢口前沿水域，但可以充分利用現有場地地坪較高的特點，在新大堤外側適當墊高整平形成臨時施工平臺，從而船塢主體結構的施工均在陸上進行，塢口及泵房結構采用板式支護開挖施工，總體施工難度與水上施工相比大大降低。板式支護運用較鋼板樁圍堰降低近3 000萬元的造價，土方填筑工程量也小于前述方案，加快了項目整體施工進度。

項目最終采用板式支護方案建造塢口及泵房結構。先清除大堤堤腳處的拋石障礙物，在塢口前沿線外側約10 m處填筑編織袋吹填砂導堤，并設拋石棱體護腳、拋石護面。塢口基坑位置與后方場地平整后接平，基坑后方及兩側20 m范圍場地卸土平整至標高3.0 m，形成船塢塢口基坑工程的施工平臺，見圖2。

塢口基坑平面呈矩形，長138.5 m，寬39.5 m，一般位置開挖深度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

圍護墻[3]采用鉆孔灌注樁排樁，樁徑φ1 000～1 200 mm，樁長38～43 m。為保證圍護排樁施工質量，采用低摻量的三軸水泥土攪拌樁先行改良土體，再將圍護灌注樁套打于水泥土攪拌樁內。基坑外側即為長江，水力補給豐富，故圍護樁外排再打設1排高摻量的三軸水泥土攪拌樁形成封閉。見圖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，將鋼管立柱和預制管樁一起施打至設計標高。泵房處及塢口前沿對坑內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合施工。

整個塢口基坑的施工較為順利，圍護墻體實際變形是理論計算變形的兩倍左右，見圖4。基坑內未產生大面積滲漏現象，塢口結構的永久止水節點處理相當成功。

圖4 圍護墻位移對比圖Fig.4 Comparison chart of enclosure wall displacement

2 在船塢整體建造中運用

在周邊環境變位要求比較嚴苛，船塢平面尺寸合適的時候，板式支護整體施工船塢成了最好的選擇。

該工程為國外某新建船廠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。現狀岸線在擬建船塢及碼頭的前沿線后方約5～15 m。周邊環境比較復雜，本新建廠區的南北側均為正在營運的相鄰工廠。船塢南側一組已建的龍門吊軌道與擬建塢壁線平行距離約29 m，平行距離塢壁線約25 m有一條運營中的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挖引起的隧道位移控制不得超過5 mm。西側和北側均為本廠新近投入使用的廠房，距離塢壁線分別約為37 m和51 m。見圖5。

本工程地質條件較特殊，廠區為灘涂吹填成陸，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黏土、砂質黏土組成，以上土層平均標貫擊數約為2～9擊。再往下為標貫大于50的中風化砂巖。巖面平均埋深為19 m，埋深最淺處為17 m，距離泵房最深的開挖面僅2 m左右。土層力學性指標見表2。

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

表2 土層力學性指標參數表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獨立施工。塢墻結構除場地條件較好的北側可以采用單錨板樁結構外，其余側塢墻采用雙排樁承臺結構。

雙排樁承臺結構的前排樁采用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連接。

按當地法規要求[7-8]，所有結構設計應按照地質條件最差的鉆孔參數取值，采用有限元程序進行計算。計算結果顯示：開挖到塢坑底時塢墻最大位移為55 mm，隧道結構最大位移11.4 mm；中間塢墻最大位移為45 mm，單側船塢灌水時上部胸墻位移增量為18.6 mm。

上述塢墻方案的結構變形較大，導致相鄰隧道結構最大位移均超過限值[7]，不能滿足環境保護要求，且使用階段塢墻位移也難以滿足上部吊車的安全使用要求[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構板式支護來施工整個船塢結構，在基坑內現澆扶壁式塢墻結構及塢口整體式“U”形結構，既可解決船塢施工期間對電力隧道的保護要求，又能滿足使用階段塢墻吊車的運行。

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

圖6 支撐平面布置圖Fig.6 Support floor layout

根據工程當地市場的詢價結果，嵌巖地下連續墻和灌注樁單價是國內的數倍。為了控制工程造價，圍護墻體采用了創新的、較為經濟的嵌巖鋼管樁和鋼板樁組合結構。

根據塢室和塢口開挖深度的不同，本工程的圍護墻采用2種形式：塢室采用鋼管樁（φ1 219×14）與鋼板樁（NSP-IVw）組合斷面。鋼管樁打至強風化或中風化巖面，鋼管樁底增設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φ900嵌巖段。見圖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、止水的圍護墻體，又兼做船塢結構的永久止水帷幕，有效降低了工程造價。在塢口段臨水面，在鋼管樁的外側另增設1排D800高壓旋噴樁止水帷幕，底標高同嵌巖樁。

支撐平面布置采用對撐加角撐的形式。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。對撐采用鋼筋混凝土結構，其余均為雙拼H700×300的型鋼支撐。

支撐下方采用鋼格構立柱，立柱樁為φ850鉆孔嵌巖樁。

為控制圍護墻變形，繼而有效控制電力隧道及已建廠房的位移，在基坑南側和西側采用φ700雙軸水泥土攪拌樁坑內裙邊加固。

經過總包單位的精心施工和監理單位的嚴格監管，本工程的實測位移和二維有限元計算結果相當接近。圍護墻體的計算最大位移為48 mm，實測34 mm。電力隧道的計算最大位移4 mm，實測3 mm；廠房實測最大沉降20 mm，均在預控安全范圍之內。該工程已于2016年5月竣工投產，使用正常，受到建設方的好評。

3 結語

船塢工程是巖土力學、結構力學、水力學等多學科交叉的應用學科。目前我院已經在船塢塢口、駁岸以及船塢整體建造中成功運用了多個板式支護結構體系。下階段如何將板式支護體系進一步合理運用于干船塢工程施工建造，需要不斷地總結已完成工程中的經驗、教訓，學習推廣各種新工藝、新技術，突破以往常規思維模式，從而提升船塢工程學科的總體技術水平。