拉锚式结构干船坞位移分析和控制

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　　摘 要：本文以江苏熔盛造船有限公司海洋工程4#船坞工程位移资料和控制经验，简析长江下游地区拉锚式结构干船坞位移成因、特点及控制方法。
　　关键词：干船坞；拉锚式结构；位移；监控
　　伴随着中国对外贸易持续增长，不断兴盛的水运市场促进了中国造船业的增温，干船坞兴建大起。与传统的干船坞工程完全采用钢板桩坞墙结构不同，现在建设的干船坞工程多为拉锚式钢筋砼坞墙结构。这种坞墙采用上下完全不同的设计结构，上部全断面开挖施工，下部在拉锚形成后再进行坞室净开挖，结构安全、节省投资、建设期短。更重要的是船坞建设工程和造船生产同时进行，基本实现了造船先进国所推行的“边施工边造船、工程竣工船舶出坞”的建设目标，这种工程设计和施工方式在我国造船企业已有成功应用。
　　1.工程概况
　　江苏熔盛造船有限公司海洋工程4#船坞位于长江下游，与张家港隔江相望，该船坞平面尺寸580×139.5×13.5m，设计规模30万t级，工程采用钢筋砼拉锚式结构，坞墙上部为单孔空箱式砼结构，下部80cm厚地下防渗连续墙兼作坞室墙。拉锚墙为三排高强PHC管桩锚碇结构，两墙之间采用等级强度550直径70 mm合金钢拉杆相连，预施拉力40 kN形成总体拉锚结构。
　　工程范围内地面平坦，土层均为第四纪长江冲积层，自上而下可分为六层和分属不同层次的亚层，土层类型有：淤土、素填土、粉砂混粉土、粉土混粉砂、粉质粘土夹粉土、粉砂夹粉土、粉细砂，地下土层以软土为主，软土厚度达20 m以上，土体持续沉降较大，土体压缩性高。工程所在地地下水位较高，水位受长江潮汐影响。
　　2.施工流程及位移形
　　参照位移观测资料，结合施工流程，位移主要形成于船坞两个部位，三个施工环节。一是坞首地连墙施工完毕，坞首基坑开挖阶段，由于临时围堰内侧支撑土方减少，并伴随基坑内降水使围堰外侧水位差和土压力增大，导致临时围堰发生圆弧滑动；二是坞室空箱、锚锭形成拉锚结构坞室内部二次开挖阶段，由于土体扰动土方量减少，破坏原地形土平衡，导致坞墙向坞室内侧位移；三是空箱、锚锭间及锚锭墙外侧土方回填，使空箱、锚锭受主动土压力，导致其向坞室内侧水平位移。
　　其中，临时围堰位移对干船坞施工威胁较大，临时围堰是船坞正常施工、保护人身、财产安全的屏障。由于围堰为临时结构，船坞施工完毕后需要拆除，施工方考虑成本及拆除效率等因素，围堰防渗、稳定性能较差，考虑坞首基坑开挖深度大、工期长、长江水位上升、恶劣自然条件等不利因素组合，其施工过程中位移量较大，存在溃堤、管涌等严重后果。二三项位移量过大将导致船坞净尺寸不满足设计要求，影响其附属轨道顺直度，耽误工期、增加施工成本。
　　3.影响位移关键因素和过程控制
　　通过监测发现影响临时围堰位移的关键因素主要有：围堰内侧坡度、开挖深度及速度、基坑空置期。理论分析可得出，围堰内侧坡比越小围堤中心线距离开挖处越远，开挖风险越小，结合工程实际，围堤不可能无限制外扩，根据施工经验围堤中心距开挖外边安全保障距离应为80m左右。在坞首基坑开挖过程中可采用局部分层放坡开挖方式，即先开挖坞首基坑1/2区域，并从距围堰较近边放坡逐层开挖，减缓一次性垂直开挖对土体平衡的破坏程度，开挖完成后应全力组织钢筋绑扎、砼浇筑，减少基坑空置期，待大体积砼形成有效支撑后，采用上述办法开挖另一半。在施工过程中，围堰最大位移处位于围堰中部，在高潮位期间日位移量明显增大，坞首开挖区间所对应围堰总位移量接近50mm，达到报警临界值。
　　3.1施工因素对位移的影响
　　3.2.1坞墙前土方开挖
　　从理论上说，拉锚结构本身应该是一个稳定的力学结构，和墙前的土方支撑并无多大的关系。但为了使坞墙所受的墙后水土组合作用力有一个缓慢施加的过程，坞墙前的土方开挖不能一次到位。施工中沿深度方向平均分为三次开挖，前两次开挖后观测12 h以上。第三次开挖到位后要立即投入靠近坞墙侧的坞室底板的施工，在最短的时问内形成对地连墙的顶撑。同时，要本着“前面做一段.后面挖一段”的原则，在前段底板完成、坞墙前顶撑受力点抬高以后再进行后一段土方的开挖，不能使开挖线拉得过长，造成受力最不利工况的持续时间太长。在开挖过程中，为提高施工效率缩短工期，一般不会采用连续推进方式，此时可将三次开挖形式分段实施即在坞室内部形成锯齿式开挖。
　　3.2.2坞墙后土方回填
　　墙后回填土的先后顺序和施工质量对坞墙的位移控制影响很大，为实现最佳位移控制效果，避免出现最不利位移工况，本工程采取先进行坞墙前土方开挖，待坞室边板施工完成形成有效支撑后再分三步进行土方回填。首先，回填锚碇墙前的土方，分层压实，特别是墙边要人工平整夯实，按要求施工。然后回填锚碇墙外土方，按要求进行整平压实，最后回填靠近坞墙后的填土。以上所述的填土方法不但不会明显增加坞墙后的土压力，而且可以形成对锚碇墙向外的主动土压力，相当于预先施加了一个和位移方向相反的水平力。有利于对坞墙的水平位移进行控制。
　　3.2.3施工降水
　　由于基础施工项目多，工程量大，为满足大型施工设备的操作要求和结构的施工需要，在施工期必须进行地下水的排降。本工程结构比较独特，不能按传统的基坑满堂降水来设计和施工。在基础施工阶段，可实施全范围降水。当两道地连墙完成形成封闭以后，坞室内的地下水主要来自于土体垂直渗透，侧向没有补给水，很容易降低地下水位，而墙外的地下水位则很高，水位差大，拉锚结构在水压力的作用下发生向内位移。因此施工中要实施梯级降水，控制坞室内的降水深度，满足底板施工即可（ 一10.8 m）；在锚碇墙和坞室墙之间设二级降水井，将地下水控制在拉杆作点与下部支撑的中间（ 一2.5 m）；锚碇墙外注意地表水的抽排，维持原始地下水位（ 2.5 m）。这样的梯级降水控制了地下水位的高差， 且使坞墙、锚碇墙所受的水压力基本相同，当坞室内的底板完成，形成顶撑，坞室停止降水后再逐步停止墙后的降水。
　　4.几点体会
　　1）对于类似的拉锚结构设计，应该在充分考虑到施工中最不利工况的基础上进行有关计算，而不应按建筑物完建后的结构进行计算，这样可有效避免施工期中的有关结构安全隐患。如本文中应考虑坞首临江开挖时与临时围堰的安全距离，船坞降水深度控制等。
　　2）要充分考虑前后工序衔接和工期因素，考虑前道工序对后续施工带来的影响，现时处理好工期与质量的关系。如本文中提到的土方开挖与回填顺序可减小位移量，坞室底板采用锯齿式开挖模式，不仅能对坞墙起到良好支撑效果更能提高施工速率缩短工期。
　　3）要通过高质量的施工来保证或加大设计安全系数。如本文中提到的临时围堰深层位移监测、地连墙采用探地雷达无损检测和地连墙深层位移监测等。
　　对于建设工程而言，设计是前提，施工是关键，优良的设计不仅要在施工中得以体现，也在施工中进行了检验。合理的施工可以保证和加强设计的安全系数，及时的发现并解决问题。
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