摘要：本文从设计、施工角度对烟台打捞局航修站改造工程后方锚拉式船坞结构进行了系统研究与分析。通过与重力式扶壁结构进行对比和工程实施过程中要点总结，在结构受力计算、船坞建造施工、竣工使用、工程造价等方面对锚拉式船坞结构的应用进行了综合评价。该种结构形式的船坞具有地质条件适应性强，施工效率高，工期短，占用工作面少，环保，造价均衡等优点，是一种适用于场地受约束条件下的新型干船坞结构设计方案，是建设单位、施工单位认可度较高的船坞结构形式，在干船坞设计及施工领域具有广阔的应用前景。
关键词：锚拉式船坞结构；航修站改造；应用
0引言
随着世界经济的发展和国际贸易的增长，世界海运量持续增加，大量旧船需要更新，船舶维修市场容量以年均10%的速度增长，中国修造船业长期居世界前列，占世界市场的份额达到15%以上，存在巨大的发展潜力和上升空间。面对新的发展机遇和国际、国内发展形势，国内不少造修船企业对造船基础设施予以重点投入，新建和扩建各种形式干船坞，为发展造修船业务提供了有力保障。为此，烟台打捞局对其航修站进行改造，新建一座20000吨级修船干船坞，以扩大船舶修造厂的修船能力以及拓展海洋石油平台维修市场。
一般情况下，干船坞施工是在建造了临时止水帷幕及施工围堰之后，排干基坑内的水再实施基坑开挖，最后进行坞体结构施工，即所谓“干法施工”。烟台打捞局航修站改造工程受船厂生产工作面的制约、地质条件的限制及总工期的要求，施工单位提出将原设计方案中坞墙扶壁结构变更为排桩锚拉式结构，同时缩小原临时止水范围，使整个船坞的工作量大幅减少，对船厂工作面的影响降至最低，工期得以提前，工程质量得到保障，竣工后的船坞使用效果良好。
1项目背景
烟台打捞局航修站改造工程位于烟台市芝罘岛烟台打捞局船厂基地内，原建3000吨级船舶下水滑道，因规模较小，不能满足船厂生产需要，新建2万吨级干船坞1座及相关的配套工程，主要承揽修造船业务。船坞平面尺度210m*53m，深11.6m，坞顶高程+5.0m，坞底板高程-6.6m～-6.75m。
图1.船坞设计效果图
2方案比选和确定
2.1扶壁式结构方案
中交第二航务工程勘察设计研究院的初步设计方案为重力式扶壁结构，如图2、图3所示。该结构形式为国内干船坞施工常见，扶壁立板厚度800mm，顶宽4.4m，底宽11.8m、底板厚1.0m。扶壁结构的深基坑采用约1:1.5放坡开挖，临时止水轴线按基坑坡顶外延3.0m，距地面构建筑物3.0m规整布置，单排旋喷墙孔距600mm，直径800mm，咬合200m，低压升浆孔距按1.0m布置。
图2.扶壁式船坞断面图
图3.扶壁式船坞止水帷幕（外侧临时止水+内侧永久止水）
图4.锚拉式船坞横断面图
图5.锚拉式船坞止水帷幕（坞口临时止水+永久止水）
2.2锚拉式结构方案
锚拉式船坞结构如图4、图5所示，仅坞墙与第一方案不同，其余均采用相同结构，船坞坞墙主要由双排灌注桩+桩间止水旋喷桩+现浇廊道+后方锚拉系统组成，为一种新型的柔性结构干船坞。
2.3方案比较、确定
2.3.1施工影响范围
烟台打捞局船厂的造修船生产任务饱满，场地使用面积受限，业主特别提出船坞施工不得影响船厂生产的要求。扶壁式船坞涉及到基坑大范围放坡开挖，经计算，临时止水线的施工部位距离坞室前沿线约35m，已严重影响到船厂的陆域生产业务。锚拉式船坞将基坑自然放坡改为基坑侧壁排桩支护，使基坑大开挖转变为排桩内的垂直断面开挖以及锚碇墙处分段浅开挖，施工工作面大范围缩减，对船厂生产的影响也大大减少。
2.3.2基坑稳定性
坞坑开挖深度约13米，场区地质情况较差，②层为软、流塑状态的淤泥质粉质粘土，分布范围广，厚度大。采用扶壁式结构基坑大开挖，不宜按约1：1.5作自然放坡，同时止水帷幕在基坑开挖抽水后，内侧、外侧的水头差约为11m，一旦边坡处的淤泥质土滑入基坑，而止水帷幕的抗弯能力较差，在水、土压力作用下极易造成断裂，失去止水作用。因此，基坑开挖时必须采取软基处理措施，对边坡进行防护。采用锚拉式结构由坞壁排桩兼做基坑支护桩，可以有效避免出现边坡稳定性的问题。
2.3.3结构受力
扶壁式结构为重力式挡墙坞壁，结构整体性好，耐久性好，但对基底承载力要求较高，地质适应条件差，易发生不均匀沉降，因此坞墙施工前需对部分软弱基础进行处理；锚拉式船坞结构轻盈，施工不受地质条件影响，使用阶段可发挥柔性结构适应性能强的特点。同时，采用排桩支护体系，前排桩可发挥挡土墙及截水墙的双重作用，后排桩发挥廊道支撑及对前排桩的遮帘作用，结构受力更协调、合理，但是耐久性稍差。
2.3.4开挖回填方量
扶壁式结构基坑土方开挖量大，后方石料回填量大，而锚拉式船坞为垂直断面开挖，可大大减少开挖、回填方量。
2.3.5临时止水工程量
扶壁式结构需进行大范围的临时止水施工；锚拉式结构将临时止水帷幕线内移，与前排坞壁桩施工为一体，实现临时止水与永久止水的有效结合，减少了止水帷幕总长度。
2.3.6施工环保
因施工场区淤泥层分布广，如采用扶壁式大开挖方案将造成大量淤泥开挖、外运及弃放，对周边环境产生较大破坏；采用锚拉式结构后，大大减少了淤泥质土层的挖运方量，响应施工环保要求。
2.3.7工期
扶壁式结构需先进行外侧临时止水施工，待完全闭合且强度达到设计要求后，方可进行坞坑土方开挖，再进行内侧永久止水及扶壁结构施工；采用锚拉式排桩支护结构后，排桩作为坞墙结构的一部分，开工后，即可流水进行坞壁灌注桩、桩间旋喷桩、现浇廊道及后方锚拉系统的施工作业，坞墙及上部结构的施工开始时间大大提前，总工期减少。
2.3.8效益对比
两种方案仅坞墙结构发生了改变，坞底板、边墩泵房、灌排水系统等结构均相同。对两种方案涉及的坞墙、止水、开挖及回填等变更项目进行造价对比如下：
（1）扶壁式结构
（2）锚拉式结构
扶壁式结构涉及坞墙、止水、开挖及回填总造价约为4603万元，锚拉式结构涉及灌注桩、止水、衬砌坞壁、锚拉结构、开挖及回填总造价约为4799万元，锚拉式结构比扶壁式结构总造价提高了4%。
2.3.9方案确定
锚拉式结构虽然施工造价略提高，但相差幅度不大，与扶壁式结构造价基本持平，且能够满足业主提出的不影响船厂生产的要求，产生的隐形效益巨大。综合考虑地质条件、结构受力、施工进度、质量、安全环保、工程造价、社会效益等方面，本工程最终采纳了锚拉式结构的方案。
3坞墙受力及渗流量验算
3.1坞墙受力模型
坞墙结构由Ф1000@1150灌注桩排桩结构+锚碇墙+钢拉杆锚碇体系组成，如图6、图7所示，近似为板桩结构验算模型，现浇廊道作为板桩上部胸墙、导梁，前轨道梁下设廊道撑桩，整体为框架结构，框架底板考虑对板桩墙的卸荷作用。坞墙顶面高程+5.00m，前沿底高程按坞室开挖后排水明沟板底高程计-8.05m。坞室底板与坞壁分离，不考虑底板对坞壁的支撑作用，不考虑后排廊道撑桩的遮帘作用。
图6.坞壁结构平面图
图7.坞墙结构断面图
3.2基本参数
3.2.1水位
坞内 墙后
极端高水位 4.16m 4.46m
设计高水位 3.40m 3.70m
进出坞水位 2.63m 2.93m
设计低水位 0.96m 1.26m
3.2.2工程地质
（1）地质：
（2）渗透：
第①碎石素填土层中，与海水联系密切，水位随潮汐涨落而变化，第②层淤泥质粉质粘土属弱透水层，第③层碎石层其孔隙为粘性土充填，属弱透水层。
室内渗透系数成果统计表
3.2.3使用荷载
地面使用荷载：20kPa，廊道顶10kPa。
引船、系靠荷载发生在坞内有水时，不为控制工况，不计。
3.2.4结构
二级水工建筑物，设计基准期50年。
3.2.5材料重度
钢筋混凝土：γ=25kN/m3、γ'=15kN/m3。
棱体：石碴，γ=17kN/m3、γ'=11kN/m3，φ=40°。
水：γ=10.25kN/m3。
3.3特征地质钻孔
地质勘察报告，按照软弱土层②淤泥质粉质粘土最厚的钻孔，主要土层④碎石土层顶面高程较低的钻孔，主要土层⑥碎石土层顶面高程较高的钻孔进行特征选孔。
下面以西坞壁ZK12孔软土层最厚，代表长约75m的坞壁段进行验算，其它特征孔验算同理。
3.4土压力参数
场地采取夯实处理，墙前被动土压力和墙后主动土压力均采用固结快剪指标，墙后地下水位取极端高水位4.46m，墙前水位取计算泥面高程-8.05m，不计-8.05m以上坞室底板及垫层荷载。
3.4.1墙后主动土压力系数、粘聚力系数，δ=φ/2
，Kax=Kacosδ。
粘聚力Pcx=
。
（1）素填土①：c=3.0kPa，φ=28°，Kax=0.32，Pcx=-3.1kPa。
（2）淤泥质粉质粘土②：c=9.1kPa，φ=14.1°，Kax=0.56，Pcx=-12.9kPa。
（3）粉质粘土③：c=15.0kPa，φ=17.6°，Kax=0.48，Pcx=-19.6kPa。
（4）粉质粘土④t：c=28.4kPa，φ=17.0°，Kax=0.50，Pcx=-37.6kPa。
（5）碎石土④：c=18.0kPa，φ=36.0°，Kax=0.22，Pcx=-15.3kPa。
（6）全风化基岩⑥：c=12.0kPa，φ=20.0°，Kax=0.44，Pcx=-14.8kPa。
（7）强风化基岩⑦：c=50.0kPa，φ=28.0°，Kax=0.32，Pcx=-51.3kPa。
3.4.2墙前被动土压力系数、粘聚力系数，δ=2φ/3≤20°
，Kpx=Kpcosδ。
Pcx=
。
（1）碎石土④：c=18.0kPa，φ=36.0°，Kpx=8.36，Pcx=160.1kPa。
（2）全风化基岩⑥：c=12.0kPa，φ=20.0°，Kpx=2.93，Pcx=51.1kPa。
（3）强风化基岩⑦：c=50.0kPa，φ=28.0°，Kpx=5.11，Pcx=323.0kPa。
3.5各土层土压力计算
如图8.板桩模型受力分布图所示，对Z12特征孔各土层土压力进行了计算，其中合力值、合力位置由CAD查询命令“_massprop”获取。
图8.坞壁板桩模型受力分布图
桩后主动土压力Fa=9212KN，对拉杆锚碇点A作用距14.6m；墙前被动土压力Fp=114559KN，对拉杆锚碇点A作用距21m；墙前静水压力Fw=6079.33KN，对拉杆锚碇点A作用距17.6m；廊道后方主动土压力F1=249KN，对拉杆锚碇点A作用距1.2m；廊道卸荷板F2=（27.5+20）*0.7=33.25KN，对拉杆锚碇点A作用距0.35m；廊道顶板均布载F3=10*5.4=54KN，对拉杆锚碇点A作用距3.4m；底板浮托力均布载F4=32.9*（6.1-1.2）=161.2KN，对拉杆锚碇点A作用距2.45m。
3.6踢脚稳定性验算
前墙入土深度应满足下式要求：
MG1=FaLa+F4L4=9212*14.6+161.2*2.45=134890KN.m
MG1=FwLw=6079.33*17.6=106996KN.m
MR=FpLp+F1L1+F2L2+F3L3=114559*21+249*1.2+33.25*0.35+54*3.4=2406233KN.m
结构重要性系数γ0=1.0，
作用分项系数γG1=1.35，γG2=1.05，
抗力分项系数γR=1.25，
验算结果：前排桩桩尖高程-20.0m设计荷载远小于抵抗荷载，满足踢脚稳定性要求，实际核算该桩尖高程-15.0m时即可满足本特征孔位入土深度需求。全部桩尖取-20.0m，桩入土深度加深后会改善桩身内力分布，减小桩头弯矩和位移，故采用-20.0m一致。
3.7渗流量验算
按设计要求灌注桩采用砼标号C35，渗透等级W6，即渗透系数约为0.5*10-8cm/s，旋喷桩结构渗透系数K≤1.0×10-6cm/s。
在衬砌坞壁施工前，坞墙的止水结构仅为灌注桩和桩间旋喷桩组合的结构，桩间最短渗径如图9所示L=617mm。按照1.0×10-6cm/s的渗透系数计算，水头差ΔH=3.4-（-8.05）=11.45m，平均水力坡度i=ΔH/L=11.45/0.617/2=9.28，船坞坞墙结构一昼夜的总体渗水量为V≤K•i•A•t=1.0×10-6×10-2×9.28×(440×11.45)×3600×24=40.4方/d，坞壁渗水量满足施工需求。
同理，衬砌坞壁按照C30W8砼设计，坞墙结构施工完毕后，最短渗径如图10所示，L=1200mm，按照1.0×10-6cm/s的渗透系数计算，水头差ΔH=3.4-（-6.75）=10.15m，平均水力坡度i=ΔH/L=10.15/1.2/2=4.2，坞墙结构一昼夜的总体渗水量为V≤K•i•A•t=1.0×10-6×10-2×4.2×(440×10.15)×3600×24=16.2方/d，坞墙渗水量满足船坞正常使用需求。
图9.施工阶段最短渗径 图10.使用阶段最短渗径
4施工工艺介绍
4.1工艺流程
锚拉式船坞施工工艺流程为：
图11.工艺流程示意图
4.2主要分项施工
4.2.1坞壁灌注桩施工
坞壁灌注桩为排桩设计，直径1000mm，间距1150mm的钻孔灌注桩，环坞室三面线性布置，共395根。灌注桩施工时严格按照桩位放样、护筒埋设、成孔、钢筋笼安放、混凝土灌注的工艺流程进行。
在制定灌注桩施工组织计划时，按照1#、5#、9#、3#、7#、11#、2#、4#、6#、8#……的方式跳位分序间隔施工，先进行奇数号桩位跳位，再进行偶数号桩位施工，保证每个桩位钻孔时两侧受限约束一致，避免了孔倾斜及串孔等问题。成孔深度、孔径、孔斜、钢筋笼质量等均须满足设计及规范要求，每道工序经三级验收合格后方可进入下道工序。
4.2.2旋喷桩施工
在每两根坞壁灌注桩之间设计为直径800mm的旋喷桩，旋喷桩体90d龄期强度≥2.0MPa，渗透系数为≤10-6cm/s，坞墙部分高压旋喷桩与坞壁灌注桩理论“咬合”厚度为250mm，孔距为1150mm；坞口底板、边墩及泵房处旋喷桩距为600mm，桩体之间理论“咬合”厚度200mm，该处旋喷应按跳孔分序施工，待邻孔结构达到设计强度50%后，方可进行本孔施工。旋喷桩的孔距﹑水泥用量﹑注浆压力﹑提升速度均做试验确定，桩体垂直度偏差≤1/150，孔位偏差≤20毫米。
4.2.3廊道及锚拉体系施工
廊道标准段长度为20.6m，为尽快形成后方锚拉体系，根据墙后施工水位，现浇廊道共划分为廊道底板、中层及廊道顶板3层施工。后方锚拉系统主要由钢拉杆、锚碇墙及锚碇块石组成，施工时先进行浇筑后方锚碇墙，砼强度达到设计要求后，再进行钢拉杆组装并张拉，最后实施锚碇块石及土方回填。
4.2.4临时止水围堰施工
沉箱临时围堰是隔离外海与陆上施工的重要截水部位，是临时止水的关键工序之一。堰顶设8m宽施工通道、浆砌块石胸墙(子埝)，沉箱顶标高为+2.4m，抛石基床厚2.0m，基槽底标高为-9.0m，基床以下部分为粉质粘土层。施工方案经多次专家论证，最终采用基槽以下的粉质粘土层采用高压旋喷墙，块石基床中采用低压升浆，沉箱结合腔接口灌注水下混凝土，胸墙变形缝中设橡胶止水带的方案进行施工。
4.2.5坞坑开挖
锚拉式船坞在临时止水、后方锚拉系统施工完毕后进行坞坑土方分层逐步开挖，并定期做好坞壁前沿线的位移观测记录。根据设计图纸要求，坞壁结构预留了5cm（顶部7cm+底部3cm）侧向位移，施工时应予以严格监控，如开挖过程中坞壁顶部侧向位移大于7cm，应立即停止坞室内开挖，分析位移的原因并采取补救措施。
4.2.6坞壁、底板施工
衬砌坞壁最小厚度20cm，为大面积薄壁结构，需在灌注桩侧壁植筋并绑扎钢筋网片，砼表面要求具有较高的垂直度及平整度，采用大片钢模板支立，解决好模板的底口、顶口及侧方加固是该分项施工的难点，施工时模板顶口采用在灌注桩桩身植筋加固，底口采用混凝土内预埋圆台螺母的方式进行加固处理。
坞室底板设计为减压排水式，底板结构自上而下为60cm混凝土大板+10cm砼垫层+30cm级配碎石结构，先进行底板基础人工清槽，避免机械对原状土的扰动，以保证底板基础承载力，再完成底板下的减压排水设施的铺筑，然后浇注混凝土垫层，分块绑扎钢筋、支立模板，浇注底板钢筋混凝土。
图12.廊道形成后的衬砌坞壁施工
4.2.7坞口边墩、泵房施工
坞口边墩、泵房主要由东西坞墩、坞口部分、前池、门槛、出水廊道、流道层、水泵层、电机层组成，均属于大体积混凝土结构。施工时，应重点对混凝土入模工艺及大体积混凝土的防裂问题加以控制。
图13.坞壁形成后的坞室底板施工
4.2.8沉箱围堰拆除
船坞主体结构施工完成后，即可进行堵口围堰的拆除施工。根据业主需求，围堰沉箱需全数无损拆除，以投入到后续浮筒码头的建设施工使用。沉箱围堰拆自上而下进行，分别为上部浆砌挡浪墙拆除、端头现浇方块爆破拆除、沉箱结合腔钻孔切割、箱内抽砂及起重船沉箱吊除。
图14.竣工后的锚拉式船坞观感质量良好
5锚拉结构船坞实施效果
5.1结构稳定，可靠度高
锚拉式船坞结构稳定，可靠度高，船坞整体尺度验收满足规范要求，坞壁前沿线最大侧向位移6.5cm＜7cm（设计要求），满足了设计及使用要求。
5.2船坞渗流量小，止水效果良好
灌注桩+桩间旋喷桩的永久止水组合结构止水效果优良。实测船坞整体日平均渗流量约200方/天，远小于设计渗流量，其中大部分为坞室底板下方的排水减压系统正常排出的地下水，永久止水结构渗流量极少，远超预期止水效果。
5.3锚拉式结构解决了作业面问题
锚拉式船坞成功解决了施工工作面影响船厂生产的问题。施工过程中，除后方锚碇系统分阶段、浅层、边开挖边回填外，其余全部实现了深基坑垂直开挖的效果，大大减少了船坞施工的影响范围，满足了业主提出施工不影响船厂正常生产的要求。
5.4工期缩短
锚拉式船坞施工工期缩短。原设计扶壁式船坞结构的合同工期为两年，由于采纳了锚拉式结构的设计施工方案，主体结构提前开始施工，总体工程一年半完成，大大缩短了工期。
6效益评估
6.1施工效率
锚拉式船坞可多工序同时展开施工，施工效率高，省去了原来大范围的临时止水，减少了施工影响范围，缩短了工期。根据测算，锚拉式船坞结构较扶壁式结构缩短工期约为四分之一，业主能够提前投产使用。
6.2经济效益
原扶壁式结构涉及止水、坞墙、开挖及回填总造价约为4603万元，锚拉式船坞涉及止水、灌注桩、衬砌坞壁、锚碇结构、开挖及回填总造价约为4799万元，锚拉式船坞比扶壁式船坞总造价提高了4%，虽然工程造价略有提高，但变化幅度相对不大，该种形式的结构在工期、质量、工作面、施工环保带来的潜在效益不可估量。
6.3社会效益
锚拉式船坞结构类似于土建结构的深基坑排桩围护体系，二者均采用垂直排桩支护及截水方式，受力防渗协调合理，可靠度高，在深基坑施工领域，具有重要的借鉴意义。
7结语
在水工建筑物的设计与施工过程中，干船坞建设涉及到深基坑开挖，而在土地资源日趋紧张、船厂生产任务饱满且不允许停滞的条件下，干船坞的基坑往往不具备大面积开挖的条件。为此，从干船坞设计角度变更重力式扶壁结构为锚拉式结构，能够节约土地资源，并减少大面积开挖带来的施工影响，还能够适应现场不良地质条件，可谓一举多得。在施工阶段，针对该种结构，施工单位可提前介入船坞主体结构的施工，为后序分项的开展创造了有利条件，缩短了工期，节约了成本，为建设单位和施工单位均带来利益，可谓双赢。
随着修造船业的发展与升级，后方锚拉式船坞能够很好地适应船厂的实际建设及使用需求，并在干船坞建造中占据了一定的比例，其设计、施工理念引领了水工建筑行业的技术潮流，在基础设施建设领域具有重要的推广意义和广阔的应用前景。
参考文献
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[2]港口工程灌注桩设计与施工规程(JTJ248-2001)中华人民共和国交通运输部2001
[3]板桩码头设计与施工规范(JTS167-3-2009)中华人民共和国交通运输部2009
[4]龙莉波.深基坑逆作法中的排桩维护梁板代撑技术[D].上海:上海建工集团,2013.
论文作者:廉强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：船坞论文; 结构论文; 廊道论文; 底板论文; 基坑论文; 船厂论文; 沉箱论文; 《基层建设》2019年第12期论文;