适用于大型浮式坞门的新型坞口底板结构

黄丹苹，马勇，陈良志

0 引言

近年来，随着大型沉管隧道项目的发展，“工厂法”作为一种更先进的生产工艺，逐步应用于沉管预制。与传统的“干坞法”预制沉管不同，“工厂法”采用类似于盾构隧道管片的流水线式生产模式，利用多级船闸的工作原理，设两级坞池（浅坞区和深坞区）实现管节的检漏、舾装和出坞，可不影响预制厂房内的沉管预制工作，实现全天候、流水线作业，使得各道工序的质量更有保证[1]。但是，“工厂法”也对深坞坞门提出了更高的要求，传统的干船坞为抽空坞内水，提供干地作业条件，坞门承受坞外侧的水压力，水压呈三角形分布，水压相对较小；而“工厂法”中需坞内蓄水（坞内水位高于坞外），以实现沉管管节由浅坞区到深坞区的浮运平移，此时坞门承受的水压力呈梯形分布，其水压力约是传统干坞门的3倍。

在这种情况下，作为坞门坐底就位时的底部支撑结构，坞口底板设计面临以下问题：

1）蓄水工作时，坞门内外存在较大的水头差，坞口底板需抵抗作用在坞门上的巨大水平向静水压力；同时，需确保坞口底板与坞门之间的有效止水、以及坞口底板与地基之间的可靠防渗。

2）浮坞门体量大，坐底就位时需确保安装就位的精确度，以免坞门损坏。

3）浮坞门和坞口底板均为大尺寸刚性构件，其表面的平整度偏差难以避免，若两者直接接触，势必存在接触不均导致的应力集中问题，因而产生极大的压应力，可能导致坞门的破坏。

为了解决上述技术问题，本文结合港珠澳大桥桂山沉管预制厂项目的成功经验，介绍一种适用于大型浮式坞门的坞口底板结构。

1 工程背景

港珠澳大桥沉管预制厂是全球第二次、国内首次采用“工厂法”预制沉管管节。目前，全世界范围内仅厄勒海峡工程成功应用“工厂法”预制沉管，能查询到的厄勒海峡沉管预制厂的相关设计资料极为有限，同时国内没有相似的工程可以参考，设计过程中面临诸多技术难题。

为满足工厂化流水线生产沉管的技术要求，现场设置了深坞和浅坞两个功能区，其中深坞坞口是沉管出坞的咽喉，为适应坞内蓄水和管节出坞的需求，深坞坞口处设置了具备反复启闭功能的浮坞门结构，其典型断面见图1。浮坞门选用钢筋混凝土沉箱结构，长59 m、宽25.2 m、高29.1 m，总重量约为13 600 t[2]。蓄水工作时，浮坞门内外最大水头差为15.87 m。庞大的结构尺寸、巨大的水压荷载、多次浮运启闭的功能需求等客观条件，使得坞口底板设计过程中存在的技术难题更为突出。在这种情况下，巧妙地设计了一种具有导向和承压功能的坞口底板结构。

图1 深坞浮坞门典型断面图（蓄水工作状态）Fig.1 Typical section of floating gate(water storage working condition)

2 结构方案

深坞坞口底板包括防渗混凝土基梁（深坞内侧）、抗剪混凝土基梁（海侧）和3条支撑混凝土基梁，5条混凝土基梁之间采用混凝土连系板或连系梁连接[2]，具体结构详见图2。

为满足坞口底板的功能需求，采取以下措施：

1）浮坞门的坐底支撑基础

在对应浮坞门沉箱纵向隔板位置设置支撑基梁，两端的支撑基梁由防渗基梁和抗剪基梁兼顾；为保证5条梁的整体性，彼此之间采用连系板或连系梁连接。

为了适应浮坞门底面和坞口底板的不平整度，消除两者之间因接触不均导致的应力集中问题，在基梁顶部对应浮坞门纵横隔板交叉处设置缓冲垫，每个缓冲垫由多个0.5 m伊0.5 m伊0.09 m的橡胶垫组成，橡胶垫的布置见图3。

图2 坞口底板典型断面图Fig.2 Typical section of base plate of dock entrance

图3 橡胶垫布置图Fig.3 General arrangement of rubber buffer

根据现有的预制工艺条件，平整度偏差可控制在5 mm以内，考虑到橡胶的抗压强度约为10 MPa，设计要求橡胶垫的压缩变形能力需满足以下条件：5 MPa面压作用下压缩变形在20 mm左右[3]。通过采用有限元软件ANSYS对橡胶垫与浮坞门之间的相互作用进行数值模拟，得到作用在橡胶垫上的最大面压为2.53 MPa[3]，考虑浮坞门底板存在5 mm的平整度偏差，则作用在橡胶垫上的最大面压为：

橡胶垫平均压应力限值：滓c=10 MPa>滓=3.76 MPa，满足设计要求。

C40混凝土轴心抗压强度：fc=19.5 MPa>滓=3.76 MPa，满足设计要求。

2）抵抗坞内蓄水工作时作用在浮坞门上的水平向静水压力

在坞内蓄水工作状态，浮坞门承受巨大的水平向静水压力，抵抗该荷载仅靠浮坞门与坞口底板之间的摩擦力难以实现，因此在海侧设置了抗剪基梁，其顶部设置抗剪牛腿，高0.59 m，沿坞口纵向通长布置（长61 m）。浮坞门受力时与抗剪牛腿贴紧，将水平向静水压力传递给坞口底板。

为了确保坞口底板的抗滑能力，抗剪基梁底部设置抗剪凸榫，嵌入微风化岩层，凸榫高1.5 m。同时，在抗剪基梁、支撑基梁及连系板底部设置12排准32锚杆，一端锚入基础底板，一端嵌入基岩中，沿坞口纵向间距为1 m，沿坞口横向间距为1.5 m，在基岩中的锚固长度为2.5 m，从而将底板锚固在基岩上，用于增强坞口底板的抗滑能力。

抗剪基梁顶部抗剪牛腿按照GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》[4]第10.8条规定进行设计，相关计算结果见表1。

表1 抗剪牛腿强度复核Table 1 The verification results of strength of shear corbel

坞口底板的抗滑稳定性按照JTS 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》[5]第2.5条相关规定进行验算，见表2。

表2 坞口底板抗滑复核Table 2 The verification results of sliding stability of base plate

3）与基岩之间完全嵌固止水

在坞口内侧设置防渗基梁，其底部设置1.0 m高的混凝土凸榫，嵌入底部微风化岩层，用于增加坞口底部的渗径长度，减小渗水量，满足结构的防渗要求。

防渗基梁与相邻支撑基梁之间设置11条连系梁，用于将二者连成整体，连系梁长4.195 m，宽2 m，高0.91 m（顶标高-13.39 m）；同时，连系梁之间设置倒滤井，用于消散渗透水压，减小扬压力对坞口底板的不利影响。

4）与浮坞门紧密接触，实现两者之间的密封止水

坞门与坞口底板之间采用赘止水橡胶进行止水，赘止水橡胶设置于靠坞内侧的防渗基梁顶部，沿坞口纵向通长铺设，两端延伸至坞门墩两侧与坞口侧止水结构密封连接，从而形成完整的止水面。因蓄水工作时坞内水位高于外侧，底止水橡胶应尽量布置在靠坞内侧，使作用在坞口底板上的扬压力主要由坞外侧水位引起，从而减小浮托力，增加坞门的稳定性。

如图4所示，设计要求赘止水橡胶高出橡胶垫3 cm[2]，保证就位坐底时坞门底板与止水橡胶压紧密封止水，同时，橡胶垫的布设，可确保止水橡胶不会产生过大的压缩变形，避免其损坏。

图4 深坞坞口底止水断面图Fig.4 Typical section of bottom water-sealing for entrance of deep-water dock

5）导向功能

为保证坞门安装就位的精确度，防渗基梁、抗剪基梁与支撑基梁上分别设置导向槛；防渗基梁与抗剪基梁上的导向槛沿坞口纵向通长布置，抗剪基梁上的导向槛由抗剪凸榫兼顾；支撑基梁上的导向槛在靠近坞门墩的两侧沿坞口横向布置。各导向槛上的导向面倾斜向下，坡度为2颐1，相对的导向面呈倒八字布置；同时，在坞门底板的四周边沿进行削角，形成与导向槛倾斜度一致的斜面，在坞门坐底安装时，只要坞门定位在导向槛围成的楔形凹槽上方，即可按导向面自动滑至安装位置，此措施可将坞门的定位偏差放宽至50 cm，在保证安装精准度的同时，降低了操作的难度。

3 使用效果

桂山沉管预制厂自交工投产以来，使用状况良好，运行高效，有力地保证了港珠澳大桥岛隧工程的实施。至今坞内蓄水、浮坞门启闭共计20余次，浮坞门和坞口底板的使用一切正常，启闭操作简便高效，结构牢固、止水效果良好，已圆满完成全部沉管（共计33节）的出坞任务。

4 结语

本文介绍的新型坞口底板结构，对大型浮动式坞门具有良好的适用性，其最大的结构优点是选用橡胶垫作为承压缓冲装置，可有效地避免大体积混凝土构件之间的刚性接触；导向槛的巧妙设计，化拙为巧，即可保证安装精度又可降低操作难度；同时，防渗基梁和抗剪基梁的设计，可有效保证防渗效果和抗滑稳定性[6]。在港珠澳大桥桂山沉管预制厂的使用效果良好，充分验证了这种坞口底板结构的合理性和可行性，对大型浮动式坞门的发展具有重大意义，应用前景广阔。

[1]“工厂法”沉管预制厂建设关键技术研究[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2012.Research of key technologies on construction of casting yard for tunnelelementswithfactory-methodpattern[R].Guangzhou:CCCCFHDI Engineering Co.,Ltd.,2012.

[2]港珠澳大桥岛隧工程桂山沉管预制厂工程水工结构施工图设计说明[R].广州：中交第四航务工程勘察设计院有限公司，2011.Detail design statement of marine structure of castingyard for tunnel elements in Guishan of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island andtunnelproject[R].Guangzhou:CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,2011.

[3] 马勇，黄丹苹，陈良志.用于大型浮式坞门的橡胶垫结构设计[J].中国港湾建设，2017，37（8）：60-63.MA Yong,HUANG Dan-ping,CHEN Liang-zhi.Structural design of rubber buffer for large-scale floating gate[J].China Harbour Engineering,2017,37(8):60-63.

[4]GB 50010—2002，混凝土结构设计规范[S].GB 50010—2002,Code for design of concrete structures[S].

[5]JTS 167-2—2009，重力式码头设计与施工规范[S].JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay[S].

[6] 卢永昌，梁桁，陈良志.具有导向和承压功能的坞口底板：中国，ZL 2013 2 0775708.5[P].2014-07-09.LU Yong-chang,LIANG Heng,CHEN Liang-zhi.Base plate of dock entrance with functions of guidance and supporting:China,ZL 2013 2 0775708.5[P].2014-07-09.