某船厂船坞设计关键技术

顾宽海 ，程泽坤

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.大连理工大学，辽宁 大连 116023）

1 背景

某船厂船坞工程是废除现船坞新建2座船坞的改扩建项目，是工厂生产发展的核心设施。工程建设规模不大，但环境条件和自然条件复杂，尤其是坞口区域建设条件极差，技术难度大。在如此复杂的环境条件和自然条件下建设船坞在我国属于首次，工程建设中的许多技术问题无规范指导或类似工程经验借鉴。为确保工程安全、可靠、顺利的实施，设计围绕水上基坑建造坞口、坞墙结构、船坞止水、高灵敏土地基加固等一系列关键技术问题进行研究，从而保证了工程顺利实施。

工程建设所取得的应用成果，为在有限岸线和狭窄空间以及复杂地质环境条件下设计、建造船坞提供了宝贵经验。本文重点介绍该船坞设计中的关键技术。

2 工程特点

1） 业主要求

船坞建设期间，要求不影响邻近的船台和2号码头的使用。

2） 环境条件

由于船坞的布置受到西侧船台东侧2号码头、北侧厂区道路等已建构筑物制约，两坞口伸入海域约60 m，2号坞坞口离现有船台横移区约21.98 m，1号坞坞口离已建的东侧高桩梁板结构的2号码头仅16.8 m，因此环境条件较复杂。平面位置布置见图1。

3） 地质条件

根据本工程地质报告，船坞前半部分坐落于软土上，后半部分坐落于岩基上，其中坞口处水深约-6.5 m，土层从上到下分别为：②淤泥质粉质黏土、③粉质黏土、⑤粉质黏土、⑧含黏性土砾砂、⑨强风化凝灰岩、⑩中风化凝灰岩。其中，灰色、饱和、流塑、具高压缩性的②淤泥质粉质黏土厚约20 m，土的重度为17.85 kN/m3，固快黏聚力标准值为13.8 kPa，内摩擦角为8.7°，且灵敏度为5.4的高灵敏土，其下除几m厚的其它土层外，即为倾角达21°左右的岩基层，地质条件极差。

4） 地质水文条件

根据本工程地质报告，⑨强风化凝灰岩渗透系数K=（1~4）×10-4cm/s，⑩中风化凝灰岩的渗透系数K=（9~15）×10-5cm/s，⑨层和⑩层属中透水层，与海水相联系，水力连通性较好，地质水文条件差。

5） 施工条件

由于环境条件的制约，不仅影响坞口、部分坞墙主体结构尺寸的设计，而且使得坞口、部分坞墙的施工不得不在水上进行，施工随时会受到波浪和水流影响，影响因素较多，施工条件复杂，增加了一定的施工难度。

3 技术方案

3.1 平面布置

根据总体的建设要求，新建2座船坞并列布置在厂区船台与2号码头之间，船坞轴线垂直现有厂区2号码头布置，坞口朝西南，二坞坞壁线净距离20 m，坞顶地坪标高+3.05 m，中间设50 t门座式起重机1台。其中，1号船坞位于东边，有效尺度为200 m×30 m×13.30 m，底板面标高为-11.25 m；2号船坞位于西边，有效尺度为158 m×21 m×11.25 m，底板面标高为-8.20 m。两座船坞共用1座水泵房，位于二坞之间坞口门墩的后侧100 m处，其平面尺度为20 m×24 m。

3.2 结构方案

船坞主体结构均采用设减压排水的轻型分离式结构，其中，坞口主体结构为钻孔灌注桩基础上“山”字型整体式结构，坞口建造不设大围堰，采用水上钢板桩基坑围护法施工，基坑尺度为83 m×18 m×14.75 m；坞墙根据不同地质和环境条件分别采用双排钻孔灌注桩坞墙结构、前板桩高桩承台拉锚坞墙结构、衬砌式和半扶壁式坞墙结构4种组合；坞室底板分别采用桩基上的现浇大板结构和岩基上的现浇大板结构。

图1 船坞平面位置图Fig.1 Location map of dock plane

坞口区域的总体施工顺序要求是：水上钢板桩基坑围护施工→水上施工坞口、驳岸、坞口后沿的坞墙→待坞口、驳岸和坞口后沿的一定范围的坞墙形成挡水、止水体系后→撤除1号坞口围护体，关闭坞门→大面积开挖1号坞室基坑，施工坞室底板→待一定范围的1号坞室底板施工完成后，强度达设计强度的90%以上，再拆除2号坞口基坑围堰，关闭2号坞门，再大面积开挖2号坞室基坑，施工坞室底板。

3.3 技术难点

本工程具有建设规模不大，但技术难度大的特点，在设计过程中存在以下难点：

1）水上深基坑建造坞口；

2）狭窄空间和复杂地质条件下的坞墙设计；3）复杂地质水文条件下的止水设计；

4）高灵敏度软土地质条件下的地基加固。

4 关键技术

4.1 复杂地质和海洋环境条件下的水上深基坑建造坞口设计

船坞坞口处在海域中，地质条件极差，环境条件复杂，施工条件差，采用何种坞口建造方案是工程最为关键的技术问题，它直接影响到整座船坞的建设周期、总体造价及工程的成败等问题。

根据国内外常用的建坞技术，在有条件时坞口建造一般优先采用独立的临时围堰进行干施工。由于本工程坞口处水深较深，淤泥质粉质黏土层厚约20 m，地质条件极差，如采用堤坝式或双排及格形板桩式等大围堰方式，围堰工程量较大、总造价劣势明显，加之受坞口与相邻的船台及码头太近的因素影响，根本无法提供足够的场地空间来修筑大围堰，且围堰建造在高压缩性的淤泥质软土层上，存在岸坡稳定的安全隐患，也不经济。因此，为解决建造坞口大围堰面临的空间狭窄和软土地基的问题，设计选择了适合本工程且有施工实例的、较新颖的整体钢壳沉箱方案和水上钢板桩基坑围护方案进行综合比较。

整体钢壳沉箱方案是将采用预制的整体式钢壳沉箱作为坞口结构的外模板，坞口混凝土在该钢壳内干施工浇筑。钢壳沉箱按照坞口主体结构的尺度进行制作，其结构是采用类似于船体的钢板焊接的水密箱体，在船坞内或船台上制作并下水，下水前预先浇注部分坞口底板混凝土，下水后水上浮运至施工现场，定位后浇注部分混凝土并灌水下沉至预先处理好的基床上，并通过在不同隔仓间抽水继续浇注部分混凝土，待抗浮满足要求后抽干沉箱内的水，干施工完成坞口主体结构钢筋混凝土的施工。根据拟定的船坞主体结构尺度，两坞坞口共用1座钢壳沉箱，其尺度为：长×宽×高=83 m×18 m×16.35 m，预制钢壳总重量在1 800 t左右，方案剖面图见图2。整体钢壳沉箱方案虽具有结构整体性好，适宜空间狭窄施工的优点，但存在基坑开挖深度深，放坡范围很大，局部还需加固岸坡，加固方量多达1.7万m3，开挖方量达5万m3；且存在基础处理工序多，受回淤影响，尤其基床整体性和防渗质量不易保证，施工难度大，风险大等不足[1]。

水上钢板桩基坑围护方案[2]是将陆上直立式开挖施工地下建筑物的板式基坑围护施工工艺应用于水上的方法，本基坑最大开挖深度从设计高水位算起为14.75 m，基坑平面尺寸为83.2 m×18.2 m。利用围护先建坞口，后利用坞门挡水干施工后方坞室。水上钢板桩基坑围护方案在软土地基上有类似成功经验，中船长兴造船基地一期工程中一较大基坑平面尺寸为128 m×30 m，最大开挖深度14.78 m，相对而言，本工程的周边环境及地质条件更加复杂，方案剖面图见图3。水上钢板桩基坑围护方案具有工期相对较快、造价相对较低、有类似成功经验的优点。

综合比较后设计推荐水上钢板桩基坑围护方案。

水上钢板桩基坑围护方案的难点：

1）海上深基坑的围护结构承受较大的静水压力，其坑底埋深范围内土体主要是淤泥质土，需提高被动区土压力；

2）有别于陆上基坑，海上基坑还要承受波浪的反复作用，导致基坑随波浪来回摆动，需保证基坑正常使用及结构稳定；

3）水上防渗有别陆上，一旦止水失效，很难修复，造成严重经济损失；

4）工程周边环境及地质条件复杂，施工难度大；

实验测试仪器：芬兰造16导Mega6000型便携式肌电图测试仪。表面电极片：一次性Ag-Cl电极片。测试肌肉：左右侧下肢腓肠肌、胫骨前肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、臀大肌、阔筋膜张肌、股二头肌。测试指标：IEMG。采用频率：1 000Hz。同步动作捕捉设备：SONY-HDR-1E摄像机。分析软件：与Mega6000配套的MegaWin2.4。表面电极粘贴部位：沿肌纤维走向粘贴至骨骼肌收缩时的最粗隆处，参考电极粘贴至测试电极连线的中垂线处，与测试电极成正三角形，电极片中心间距为20mm左右。

5）对于此种新式结构计算模式的不确定性，需选择针对此种非对称结构的计算工具。

图2 整体钢壳沉箱方案剖面图Fig.2 Section map of a whole steel shell caisson scheme

图3 水上钢板桩基坑围护方案Fig.3 Foundation pit support scheme of waterfront steel sheet pile

在充分分析上述技术难点的基础上，设计为确保施工期坞口及基坑结构的安全、稳定，除了参照常规基坑工程分析计算外，在考虑基坑周边水、土荷载不平衡情况下，利用ANSYS和PLAXIS软件分别建立不同施工开挖工况下的三维和二维整体模型，进行数值分析，研究不同工况条件下的基坑变形、稳定情况。在数值分析结果的基础上，综合本基坑诸多影响因素，在设计方案中采取了加强基坑稳定的技术措施，具体措施如下：

1）针对坞口区域软土地基的高压缩性特点，为减少围护墙钢板桩的变形和提高坑底下土体的土抗力，在坑内采用格栅型高压旋喷桩对被动区现有的土层进行地基加固，加固体深度为4 m，置换率约60%。

2）为保持整个围护体系周边荷载的平衡，必须尽可能使围护墙外侧周边的泥面标高保持一致，内侧护坡顶标高设计为-0.50 m，临海侧护坡顶标高设计为-2.80 m。水下抛填护坡结构主体采用袋装砂或袋装碎石，护坡表面抛块石层以保证抛填棱体在涨落潮水流及波浪作用下的稳定性。

3）为增强止水效果和抗风浪的整体稳定性，在临海侧和东侧的围护墙外围距离3.5 m附加了一排20 m长的PU12钢板桩，该排钢板桩通过顶部的圈梁兼挡浪墙连成一体，两排钢板桩之间回填砂，以增强基坑迎水面的刚度，减少在波浪作用条件下围护体变形及其对基坑整体稳定性的影响，即采用水上抗风浪基坑围护结构[3]。

4）为确保设计意图的有效实施，即保证施工工况与设计工况一致，制定了坞口区域主要施工顺序。

4.2 双排钻孔灌注桩坞墙结构创新设计

本项目的总平面布置受到复杂环境条件的制约，使得1号船坞东坞墙不得不伸入地质条件复杂的海中40 m，且与已建的东侧高桩梁板结构的2号码头仅16.8 m距离，坞墙建造的空间狭窄和自然条件恶劣。为此，要解决在狭窄空间和恶劣自然条件下建造坞墙结构的技术问题。

经分析，该坞墙需具有在施工期作为止水围堰，在使用期作为挡水、挡土结构，且需自立等特点，国内外常规的拉锚板桩坞墙、扶壁式坞墙等结构均已不适用，若采用传统的拉锚板桩坞墙结构，设置锚碇的距离不够，锚碇系统也不可坐落于水上，若采用大开挖的扶壁式坞墙结构，空间太小，无法设置临时围堰进行干施工。若采用较新型的半重力式格型地下连续墙坞墙方案，该结构虽适合于狭窄空间建造，但由于本坞墙建造在水中，且岩基面较浅，不适合地连墙的施工。根据上述设计条件，综合考虑影响建造此坞墙诸多因素，该段坞墙结构设计采用新型的具有自立、变形小、施工适应性强等特点的双排钻孔灌注桩坞墙结构[4]，这在国内尚属首例，具体位于1号坞东坞墙从坞口往坞尾40 m范围，结构断面如图4所示。

考虑桩的入土深度较浅，桩端采取嵌岩，排桩之间回填山皮土，坞墙侧壁采用400 mm厚钢筋混凝土衬砌，为确保坞墙有效止水和避免双排桩间土体的流失，前排板桩后和后排板桩前及两侧板桩后均设2～3排φ800 mm@600 mm的旋喷桩止水墙。为确保坞墙永久安全稳定，对双排板桩范围内淤泥质土进行旋喷桩加固处理。

该结构设计的核心技术就是确保结构在不同使用条件下的安全性和适应性，对结构计算方法、排桩间的土压力、土参数灵敏度分析、结构计算模型、结构设计、施工及监测要求等进行了研究。掌握了在狭窄空间内、复杂地质条件下应用双排钻孔灌注桩坞墙结构的特性以及设计关键技术，极大丰富了坞墙结构的设计类型。

4.3 坞口底板下止水墙的设计技术

船坞工程的坞口处在地质条件复杂的软土区，地质水文条件差，以及由于坞口在坞室底板浇筑时坞口主体结构作为挡水围堰使用，而使用期在坞室底板、坞墙的顶撑作用下作为永久结构使用，导致其使用期和施工期的受力条件差异较大，结构变形差异也较大，使得坞口底板下的止水墙设计成为关键技术问题，即需要解决因止水墙沉降与主体结构底板脱开漏水和因坞口止水墙深度不够而形成坞口与坞室间渗水通道等技术问题。

图4 双排钻孔灌注桩坞墙结构剖面图Fig.4 Section map of the double-row bored pile dock wall structure

结合坞口的地质水文条件和坞口主体结构的情况，在两坞口底板下沿底板周边设置与坞墙侧壁止水墙形成封闭的止水墙，止水墙采用高压旋喷桩加帷幕灌浆止水墙，要求旋喷桩止水墙穿过②淤泥质粉质黏土层，进入强风化岩0.5 m，以防旋喷桩止水墙在淤泥层产生沉降，旋喷桩规格为2排φ1 000 mm、排距0.8 m、孔距0.8 m，梅花形布置。同时，为防止因岩层倾斜和中透水性特点，通过⑨层和⑩层的岩层形成较短的渗水通道，要求在高压旋喷桩止水墙下设3排帷幕灌浆止水墙，进入岩层一定的深度，具体深度根据压水试验结果确定，如试验结果大于2.0×10-5cm/s，则加大帷幕深度，直至压水试验结果满足设计标准为止。帷幕灌浆施工要求分三道工序进行，遵循逐渐加密原则。

为改善常因坞口底板的水平变位与半刚性旋喷桩止水墙的变形不协调，在旋喷桩与底板之间的节点产生裂缝而漏水的问题，对旋喷桩止水墙与坞口底板间的节点作了改进，主要在接头处设置了一定宽度的止水片等构造措施，即使旋喷桩与底板产生了裂缝，因止水片增加了渗径，也能达到止水目的。即采用半柔性止水节点法[5]，见图5。

图5 半柔性止水节点图Fig.5 Node drawing of semi-flexible water stop

4.4 高灵敏度软土的地基加固方法

船坞工程前半部分坐落于软土上，其中前板桩高桩承台拉锚坞墙结构设计是关键内容之一。其中坞墙锚碇系统的锚碇板位于厚达15 m的灰色、饱和、流塑、高压缩性的②淤泥质粉质黏土层上，在自重、拉杆拉力的长期作用下，锚碇系统的变形、沉降均难以满足坞墙稳定的使用要求。根据建筑地基规范，搅拌桩加固方法适用于正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基[6]，具有施工简单、速度快、振动小、造价低等优点。鉴于工程②层土分布广而厚、地质条件差的特点，设计在锚碇板墙采用格栅型搅拌桩加固方案。

通过国内外类似加固的方法比较、地质条件的分析、土参数的敏感性分析、加固深度对结构的影响分析等，最终确定加固体宽6.85 m，深9.2 m，并进行现场施工试验，给出水泥水掺量、水灰比、搅拌头提升速度等施工关键参数，确保28 d无侧限抗压强度不小于1.2 MPa的要求，最终保证了坞墙结构安全。

5 结语

某船厂船坞工程通过在传统设计方法的基础上进行多项设计技术创新，较成功地解决了在有限岸线和狭窄空间以及复杂地质环境条件下建造船坞遇到的诸多设计施工技术难题，为今后类似工程提供了宝贵参考经验。但仍有不少建设经验需进一步的深入总结，特提出如下建议：

1）本船坞工程处在复杂地质和海洋环境条件下，坞口围堰采用水上钢板桩基坑方案、局部东坞墙采用新型的双排钻孔灌注桩坞墙结构方案是合理、可行的，由于建设条件的复杂性、模拟手段的局限性以及受设计人员认知能力的限制等，建设过程中及时根据现场的监测资料作进一步分析、修正及完善设计施工是非常重要的。

2）本船坞工程设计中涉及多种复杂的空间结构，均采用m法进行了计算，如水上钢板桩基坑围护结构、钻孔灌注桩基础上的坞口结构、新型的双排钻孔灌注桩坞墙结构等，应注意不同设计条件下，不同的规范对m值选取的规定，以及注意计算工况与实施施工工况的一致性问题，确保计算的合理性，最终保证工程的顺利实施。

3）本船坞工程设计中涉及结构类型多，建设过程中一定要注意不同结构类型施工质量控制的特点，例如，旋喷桩及搅拌桩加固体工程，在开展大面积施工前，一定要进行现场施工试验，以便得到合理施工工艺参数，便于施工控制；旋喷桩止水墙和基岩的帷幕灌浆，同样要事先进行渗透试验。

[1] 浙江某船厂船坞工程初步设计[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2011.Preliminary design of dock for a shipyard project in Zhejiang[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2011.

[2]李小军，顾倩燕.中船长兴造船基地水工建筑物设计关键技术[J].水运工程，2009（8）44-49.LIXiao-jun，GU Qian-yan.Key technology of hydraulic structure design in CSSCChangxing Shipbuilding Base[J].Port&Waterway Engineering，2009（8）：44-49.

[3] 程泽坤，顾宽海.水上抗风浪基坑围护结构：中国，2012201529 26.9[P].2012-12-19.CHENG Ze-kun，GU Kuan-hai.The structure of waterfront antiwave foundation pit support：China，201220152926.9[P].2012-12-19.

[4] 顾宽海，程泽坤，沈斌，等.双壁钻孔灌注桩高桩承台坞墙结构：中国，201220119259.4[P].2012-11-28.GU Kuan-hai，CHENG Ze-kun，SHEN Bin，et al.The dock wall structure of high pile cap of double-row bored pile：China，201220119259.4[P].2012-11-28.

[5] 顾宽海，程泽坤，沈斌，等.坞口底板与底板下旋喷桩止水帷幕间的止水结构：中国，201220119255.4[P].2012-12-05.GU Kuan-hai，CHENG Ze-kun，SHEN Bin，et al.Water stop structurebetween thewaterproof curtainsof jet groutingpilesunder the base plate and the bottom of the dock entrance：China，201220119255.4[P].2012-12-05.

[6] 龚晓南.地基处理手册[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.GONG Xiao-nan.Foundation treatment manual[M].Version 2.Beijing：China Architecture&Building Press，2008.