后方锚拉式船坞结构设计与施工技术应用.docx

    后方锚拉式船坞结构设计与施工技术应用    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4.16m4.46m设计高水位3.40m3.70m进出坞水位2.63m2.93m设计低水位0.96m1.26m3.2.2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/m33.3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=-3.1kPa2）淤泥质粉质粘土②：c=9.1kPa，φ=14.1°，Kax=0.56，Pcx=-12.9kPa3）粉质粘土③：c=15.0kPa，φ=17.6°，Kax=0.48，Pcx=-19.6kPa4）粉质粘土④t：c=28.4kPa，φ=17.0°，Kax=0.50，Pcx=-37.6kPa5）碎石土④：c=18.0kPa，φ=36.0°，Kax=0.22，Pcx=-15.3kPa6）全风化基岩⑥：c=12.0kPa，φ=20.0°，Kax=0.44，Pcx=-14.8kPa7）强风化基岩⑦：c=50.0kPa，φ=28.0°，Kax=0.32，Pcx=-51.3kPa3.4.2墙前被动土压力系数、粘聚力系数，δ=2φ/3≤20°，Kpx=KpcosδPcx=1）碎石土④：c=18.0kPa，φ=36.0°，Kpx=8.36，Pcx=160.1kPa2）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=323.0kPa3.5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2.45m3.6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.mMG1=FwLw=6079.33*17.6=106996KN.mMR=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。