浮运箱涵式水闸新型施工工艺研究与应用

温仲奎

(浙江省围海建设集团股份有限公司,浙江 宁波 315000)

1 问题的提出

浮运箱涵式水闸闸室为钢筋混凝土预制箱涵式结构,浮运沉放。由于基本不用修筑围堰、现场施工时间短,和传统的水闸相比,具有经济、工期短等特点。浮运水闸的关键施工工序是混凝土箱涵的预制、下水和浮运沉放。

2005年,我公司承建浙江舟山东港二期围涂工程,该工程包含2座3孔×2.5m的浮运钢筋混凝土整体箱涵式水闸。水闸箱涵的预制和下水,一般需要在船坞或具有下水条件的专用场地施工。受沿海修造船市场的影响,船坞租费高涨,而且难以租到便于组织施工的船坞,如果沿用租船坞建造箱涵这一思路,不但要付出较大的经济支出,还要承担工期延误的风险。经过研究,参照浮船坞的原理,开发出在甲板驳船上预制箱涵的施工工艺。

2 工艺原理

在甲板驳船上预制箱涵的施工工艺原理:以具有一定承载能力的甲板驳船作为施工平台,在其上预制混凝土箱涵,待混凝土达到规定强度,将甲板船拖至箱涵下水地点,向船舱内注水使其沉入水下,使箱涵浮起,然后浮运沉放于水闸基础上。低潮时抽去甲板船舱内水,使其浮起。

3 施工工艺要点

3.1 甲板驳船的选择

根据预制箱涵的尺寸、重量选择合适的船体作为预制平台。船体应为型深小、船底和甲板起拱较小的甲板船。

东港二期水闸工程,拟同时预制2种箱涵见表1,总重7680 kN。经综合分析,选用了排水量1251 t,长53 m,型宽15m,型深2.3 m,设计吃水1.65 m,甲板承载能力为25 kPa的沿海无动力甲板海驳,作为预制平台。甲板布置见图1。

图1 甲板平、剖面布置示意图 单位:cm

3.1.1 甲板承载能力验算

4800÷ (20.8×9.4)=24.5 kPa≤25 kPa

2880÷ (12.7×9.4)=24.1 kPa≤25 kPa

箱涵对甲板的压力均小于甲板的承载能力,满足要求。

3.1.2 预制平台稳定性验算

预制平台满载重心计算见表1[1]。

表1 船体满载重心计算表

预制平台满载稳性验算:根据船舶技术资料经计算,结果如下[1]:

排水量 Δ=11287÷9.8=1152 t

平均吃水d=1.53 m

船首吃水df=1.43 m

船尾吃水df=1.63 m

横稳性距基线 Zm=14.12 m(纵稳性距基线 Zml=167.1 m)

重心距基线Zg=3.35 m

横向定倾高度h0=Zm-Zg=10.77 m(纵向定倾高度h01=163.75 m)

参照趸船满载时的浮游稳性要求,一般要求 h0≥0.6 m,因此该预制平台船体满载稳性符合要求。

3.2 箱涵预制

箱涵混凝土应优先选用商品混凝土、泵送入仓,既可简化现场的临时设施,又能保证混凝土的供应强度和质量。

3.2.1 选择预制停泊地点

应考虑以下因素:①陆路交通便利,便于运输混凝土、模板等材料和工具;②可方便地形成上、下预制平台(船)的临时码头,且风浪小;④涂面为泥质或沙质底质,当低潮平台搁浅时可保证船底安全;⑤距离工地较近,东港二期水闸预制停泊地点选在距水闸3 km的某码头。

3.2.2 预制平台停泊就位

一侧抛锚固定,一侧系缆与码头固定。低潮搁浅、高潮漂浮。船舷设置橡胶防护体。

3.3.3 预制箱涵平面布置和甲板找平

预制箱涵平面布置和甲板齐平,见图1。

3.3.4 混凝土箱涵预制

按常规施工方法预制混凝土箱涵,应注意以下几点:①为防止箱涵与底模混凝土粘结在一起,应在底模上铺1层沥青油毡作为隔离层;②箱涵应分3层浇筑:底板—墙体(闸敦)—顶板。每层混凝土浇筑后,利用安装上层模板、钢筋的时间加强养护,保湿养护不少于10 d。在浇筑上部混凝土时,底板混凝土强度应达到设计强度的70%,目的是利用底板的承载能力,使传递到甲板的施工荷载“均布化”。

3.3.5 混凝土箱涵封口

当箱涵混凝土强度达到设计强度的50%时,按设计要求,对箱涵上下游端面封口。当顶部混凝土达到设计强度的70%,拆除模板,准备下水。

3.3 箱涵下水

3.3.1 准备工作

3.3.1.1 选择下水地

选择下水地见图2[1],按下原则选择:

平台沉入水底,高潮时箱涵可浮起,需要的最小水深Hc:

Hc=平台船体型深D+甲板起拱高度f+混凝土底模厚度h+箱涵吃水深度d+富裕水深hp

富裕水深 hp可取0.5～0.75 m。

对应的下水地涂面高程=当天高潮位-Hc

图2 下水地选择水深计算图 单位:m

低潮时,已沉入海底的平台甲板排水口可出露,最大水深Hf:

Hf=平台船体型深D-安全高度P

安全高度 P可根据风浪大小、涂面倾斜程度等因素,取1.0～2.0 m。

所需要的高、低潮潮差△H=Hc-Hf

若实际潮差小于△H,则应接高抽水口。接高高度H抽水孔≥△H-实际潮差。

下水地应为泥质涂面,地表坡向平缓,且潮流比较小,以防止作业时平台移位过大而使水深条件超过预计。

临近工地,有系缆条件,人员上下岸方便。3.3.1.2 预制平台船舱、甲板改造

将原机舱以钢板焊接,达到水密。其余船舱分为容积基本相等前后2大舱段,每舱段中,在舱壁上、下各开一15 cm×15 cm孔连通所有船舱,开孔时的应避开龙骨和肋梁。在甲板的前后舱段的左右两侧,将原甲板人孔改装成4个抽水孔 (见图1),抽水孔接高高度按前款计算。甲板上的其他空洞按水密要求焊接密封。对甲板上的原锚机按水密要求用3 mm钢板焊接密封。甲板上其他可移动设施移除。舱内所有铁件应进行防锈处理。3.3.1.3 设备、器材准备

根据预制平台的舱容、体形,计算下沉、打捞的灌水/抽水量,然后以赶潮作业时间计算灌水/抽水强度、选定水泵型号和数量。就东港水闸工程,设备、器材如下[1]:

自航式开底驳 (作为拖轮用),240马力2艘;抛锚艇兼交通船1艘;柴油发电机(利用拖轮上的设备),50 kW 1台;潜水泵,7.5 kW、φ 150 mm 8台 (配电箱、电缆配套);潜水泵管道,φ 150 mm 200 m;尼龙缆绳,φ 22 mm、60 m/根,360 m(用于系平台、箱涵和箱涵定位);手拉葫芦,5 t 4只。

3.3.1.4 箱涵上的准备工作

在箱涵两侧面的上下游画水位标尺,并在箱涵顶部标示定位轴线、设置定位标志,再安装箱涵顶部的系缆柱。

3.3.2 箱涵下水

选择大潮期间,风浪比较小的时段进行作业。

用2艘拖轮将预制平台拖至选定的下水地,系缆(或抛锚)固定。一般浙江沿海低潮到高潮约需6～6.5 h,因此在开始涨潮时,由4个抽水孔向平台舱内灌水,使平台缓慢下沉,直至触底。应注意使平台船头、船尾水平下沉(调节前后舱段的注水量)。潮水上涨到一定潮高,箱涵浮起,用拖轮将其浮运安放或暂时移位系舶,等待下一个高潮安放。

3.3.3 打捞预制平台

落潮后,抽水孔露出水面,将6台潜水泵放入舱内抽水,直至平台浮起。继续抽干舱内海水,并以淡水冲洗、清理船舱。

3.4 箱涵浮运安放

安装前,应对水闸基坑验收,在基坑2个方向设置测量定位基准,对进基坑的航道进行清理。

箱涵浮起后,用2艘拖轮将其浮运至闸基坑安放。

箱涵送入基坑后,用4根缆绳各连接1只5 t手拉葫芦,分别固定在箱涵4角的系缆柱上,然后通过手拉葫芦收放锚绳,使水闸准确定位,固定。退朝后,水闸箱涵置于垫层上,再检查水闸位置,如定位准确,立即拆除封口木板,否则,在第2次高潮时重新定位,见图3[1]。

图3 箱涵安放平面简图

3.5 质量控制注意事项 (与常规施工方法相比)

(1)由于预制平台是浮在水面上或搁浅在涂面上,甲板为倾斜状态,因此在浇筑甲板C15混凝土找平层时,采取测量措施,保证找平面为一平面。同时在该平面上设置相互垂直的测量基准线。箱涵立模时,保证箱涵平面与基准面平行、箱涵立面与基准面垂直,以此保证箱涵的体形方正。

(2)支模、浇筑混凝土一般在船搁浅和风浪小时施工,遇风浪大,平台摆动较大,应暂停施工。

(3)模板与其支撑应连接成一体,具有一定的空间整体性,以抵抗船体的摆动造成的不利影响。

(4)箱涵基础垫层必须找平。

(5)由于箱涵基础处理方法不同,某些项目要预留沉降量。

(6)箱涵初步定位后,在退潮过程中,现场应留1组施工人员观察,发现偏移及时调整,直至箱涵落底。最低潮时,复测箱涵的轴线、高程、安装的平整度,符合设计和规范要求后,及时拆除上下游的封口板、回填两侧土石体。箱涵两侧应对称回填,同时注意不能碰撞箱涵。

3.6 安全注意事项 (与常规施工方法相比)

(1)应观察作业区潮流情况,研究潮流对箱涵下水、拖运、沉放的影响,采取相应措施。

(2)注意风浪、潮汐预报,选定良好的作业时段。

(3)拖运前制订详尽的拖、沉、浮、安装方案。核验箱涵的实际重量、吃水,施工平台的实际载重、吃水,航道的水深等,选定沉放地点。全面检查所用设备、机具的安全状况。

(4)台风期施工,应编制防台预案。

4 应用实例

本工艺于2005年首先在浙江舟山东港二期围涂工程2座水闸的施工中开发成功。随后,于2006,2007年又分别在舟山东港一期水闸改建工程、舟山六横凉帽潭二期围涂水闸工程得以应用。

舟山东港开发二期围涂工程2座水闸分别位于该围涂工程二期顺堤的0+868,2+209 m处,为3级建筑物。闸址处涂面高程-2.2,-1.7 m,地基为13 m厚的淤泥质软土地基,地基处理方法是与围涂大堤相同的塑料排水板+堆载预压法。闸室泄流孔为钢筋混凝土整体箱涵,闸底板设计高程-2.0 m。以箱涵为基础,上部建有3层水闸管理房[2]。

2座水闸闸基处理于2004年7月、10月完成塑料排水板插设,后与海堤同步抛石预压。抛填至3.1 m高程后,再预压3个月,开挖水闸基坑,完成水闸箱涵基础工程。采用本文所述施工工艺分别于2005年10月、12月浮运安装了2座水闸预制混凝土箱涵。安装箱涵时,预留了50 cm的沉降量。箱涵安装后,吊装闸门板,现浇截水墙、挡土翼墙,然后施工上部检修室、启闭室、下游泄水建筑物,最后进行启闭机和机电设备安装。2006年11月21日,水闸工程完工。经过2年多的正常运行,2009年7月13日,通过了浙江省围垦局组织的竣工验收,工程质量核定为优良。

[1]温仲奎,谢远富,刘鹏举,等.舟山东港二期围涂工程水闸施工方案[R].宁波:浙江省围海建设集团股份有限公司,2005.

[2]叶建国.舟山东港二期围涂工程水闸设计图[R].舟山:舟山市水利勘测设计院,2005.