大体积钢混凝土组合箱型浮坞门的应用

王晓东，董洪静

0 引言

港珠澳大桥隧道工程的沉管采用工厂法预制方式，为国内首例。该预制厂主要由工厂区、浅坞区及深坞区组成，工厂区及浅坞区布置通长的纵向顶推轨道，满足沉管从工厂区向浅坞区的顶推滑移功能，用于寄存管节的深坞区与外海相连，满足管节出运安装的功能[1-3]。而当管节灌水横移期间，整个深浅坞区域形成1个连续封闭止水体，深浅坞灌水至+15 m标高，工厂区正常作业。连续封闭止水体主要由沉箱结构和原有岩体结构组成，除此外有一道大跨度自稳式横拉钢闸门止水构造将工厂区及浅坞区隔开，还需一套结构将深坞与外海隔开[4]，因此设计研发了大体积钢扶壁混凝土组合式浮坞门，在深浅坞灌水期间起到拦水围堰功能。坞区连续封闭止水体示意图见图1。

图1 坞区连续封闭止水体示意图Fig.1 The diagram of continuous closed water sealing structure in dockland

1 概述

浮坞门采用钢筋混凝土重力式箱形结构+钢扶壁组合结构形式，浮坞门沉箱长59 m，宽25.2 m，高29.1 m，重量约为1.3万t，设计吃水10.5 m[3]。整个浮坞门沉箱高度方向分为两个部分，下部18.6 m（标高-13.30~+5.30 m）范围内，由40个仓格（长度方向10个，宽度方向4个）组成；上部10.5 m（标高+5.3~+15.8 m）范围内，靠坞墩两侧仓格（共2列8个仓格）高出10.5 m，高出的仓格之间靠海侧处设置10.5 m高挡水钢扶壁[5-6]。浮坞门立体结构示意图见图2。

图2 浮坞门立体结构Fig.2 Three-dimensional structure of floating dock gate

浮坞门关闭时，通过绞缆系统将浮坞门沿规定路线从寄存区绞移至坞口区，控制仓格内压载水高度，精确地放置到坞口基础上；蓄水时浮坞门仓格内水位与坞内水位同步上升；完成坞内蓄水管节横移工作后，通过浮坞门上的排水管将坞内蓄水排出，直至坞内水位与海侧水位齐平。浮坞门开启时，使用水泵排出仓格内压载水使浮坞门起浮，最后通过绞缆系统将浮坞门绞移至寄存区。浮坞门在寄存区存放，下一批管节预制完成后，再进行下一次的浮坞门关闭，如此循环。浮坞门寄存区和坞口区平面示意图见图1，浮坞门启闭施工流程图见图3。

图3 浮坞门启闭施工流程图Fig.3 The open/close flow chat of floating dock gate

2 浮坞门压载系统

浮坞门压载系统可实现以下功能：排水起浮、灌水坐底和蓄水管节横移后坞内排水。

浮坞门的40个仓格（长5.565 m，宽5.78 m）划分为4个独立大仓格，也称调载仓。每个大仓格由10个仓格组成，仓格之间连通。在每个调载仓配有各式闸门、阀门及水泵等附属设施以实现相应功能。

排水起浮：在每个调载仓各设置1个水泵，并设置1个300 mm排水口，用于排出调载仓内的压载水，使坞门起浮。潜水泵控制开关设在顶部操作平台上。

灌水坐底：在离坞门底板8.8 m高处，每个调载仓设置1个400 mm进水口，可在操作平台上通过控制杆实现对闸门进行不同开闭角度的操作，控制坞门调载仓的灌水速度。

深坞排水：在离坞门底板11.3 m高处，设置2根800 mm的排水管，用于坞内高水位的排水，排水管靠坞侧设置阀门，控制深坞与外海的通断。

合理利用各调载仓内的进水口和排水口，控制4个独立大仓格内压载水水位，确保深坞门在排水起浮和灌水坐底过程中的水平状态。

3 浮坞门绞缆系统

深浅坞区布置卷扬机及导缆桩，坞门顶部布置系缆桩，经过合理缆绳布置，构成深坞门绞缆系统，实现深坞门在寄存区和坞口区的绞移。深坞门顶部设置6套250 kN双柱型缆桩供系泊绞缆用（南北侧各均匀布置3套），分别为1号—12号缆桩，详见图4。

绞缆系统各卷扬机钢丝绳缆绳布置如下：1号绞车缆绳L1通过H-2、H-25缆桩至2号系缆柱，2号绞车缆绳L2通过H-2缆桩至1号系缆柱上，4号绞车缆绳L4通过H-26、H-10、H-11至11号系缆柱，7号绞车缆绳L7通过H-17至10号系缆柱，8号绞车缆绳L8通过H-17、H-19至9号系缆柱，9号绞车缆绳L9通过H-21至4号系缆柱，10号绞车缆绳L10通过H-20、H-23至3号系缆柱。具体布置图见图5。

图4 浮坞门缆桩平面布置图Fig.4 Floating dock gate bollard layout

4 浮坞门启闭施工

4.1 排水起浮

完成浮坞门缆绳布置，方可进行浮坞门的排水起浮作业。排水起浮具体步骤如下：

1）根据坞门浮运时间段的海水潮位，计算深坞门临界起浮和起浮完成时仓格内水位。

计算不同潮位，浮坞门起浮时和起浮完成是浮坞门仓格内的水位情况，以便实际操作中及时控制。设海水潮位为h（h>0，m），浮坞门仓格内海水高度为H，m。

计算公式如下：

起浮时：

起浮完成后：

式中：g=10 N/kg；G1为浮坞门自重，N，本工程为1.3伊108N；G2为浮坞门仓格内压载水自重，N；F为起浮过程中的浮坞门的浮力，N；籽海为海水的密度，kg/m3，本工程取1 025；V1为浮坞门起浮过程排水体积，m3；S2为浮坞门仓格面积，m2，本工程为1 286.63；S1为浮坞门底板面积，m2，本工程为1 486.8；A为浮坞门在海平面下高度，m，本工程为13.3；B为浮运时需满足的起浮高度，m，本工程为2.5。

综上式（1）~（4）可得，

起浮时：

起浮完成后：

在确定了具体坞门启闭时间后，查阅当时海水潮位，根据式（5）、式（6）大致计算浮坞门不同起浮过程中仓格内的水位高度，以便在现场施工中做到精细控制。

2）启动坞门4台水泵排水；排水过程中，定时用水位测绳测出调载仓格内水位。

3）接近临界起浮水位时加大测量频率且关注坞门情况；起浮后，测量4个角点标高，通过水泵调整4个调载仓内水量，确保浮坞门水平。

4）坞门4个角顶标高达18.3 m，平稳起浮2.5 m后，停止排水。

4.2 绞移浮运

浮坞门排水起浮完成后，即可进行绞移浮运作业，实现浮坞门在寄存区和坞口区位置转变，从而达到坞门启闭的功能。坞门从寄存区绞拖至坞口施工流程如下：

1）坞门起浮后，调整各绞车缆绳均匀受力。

图6 浮坞门关闭流程步骤图Fig.6 The closed process diagram of floating dock gate

2）坞门处于稳定状态后，绞动4号、8号绞车缆绳，同时保持受力均匀松1号、2号、10号绞车绳，调整7号缆绳不受力，坞门向南移动。

3）坞门向南移动40 m后，调整牵引绞车，改为4号、7号绞车主拖，8号绞车辅拖，绞动4号、7号绞车，同时保持受力均匀松1号、2号、10号绞车绳，调整8号缆绳不受力，坞门向南移动，见图 6（a）。

4）坞门向南移动至至正对坞口时，暂停绞拖；将9号绞车缆绳带至坞门4号缆桩，松掉1号缆绳，见图5。

5）将8号、9号绞车转为恒张力绞拖，以6 t力绞动8号、9号绞车，2号、4号绞车保持受力均匀松缆，坞门向坞口移动，调整7号、10号绞车缆绳，辅助坞门进入坞口，移动坞门至深坞侧平齐南北坞墩时，停止绞拖，见图6（b）。

4.3 压载坐底

浮坞门绞移浮运到位后，即可在寄存区或者坞口区进行压载坐底作业，打开浮坞门进水阀，对浮坞门仓格进行灌水压载作业，把浮坞门准确地安装在寄存区或者坞口区指定的位置。

浮坞门底部0.5 m范围内四边侧面削成斜面，整个浮坞门为楔字形，该斜面表面铺设护面钢板与坞内侧和海侧坞门槛及基梁两端导向槛相匹配。浮坞门就位坐底过程中，通过四边斜面与底部坞门槛和导向槛起导向作用，保证浮坞门精确就位坐底[5]。在进行浮坞门关闭施工时，需精确把握浮坞门底部与坞门槛的位置。浮坞门底部与坞门槛匹配示意图见图6。

坞门开启施工流程为，将坞门沉箱从坞口绞拖至寄存区，步骤与坞门关闭流程相反。

5 坞口止水

坞口止水分为2个部位：坞口底部止水和坞门侧面止水。

5.1 坞口底部止水

坞口底板顶部铺设2条赘止水橡胶（高出橡胶垫3 cm），采用螺栓固定于预埋钢板上，深坞门坐底与赘止水橡胶压紧，实现双向止水。赘止水橡胶布置示意图见图7。

图7 赘止水橡胶双向止水布置示意图Fig.7 The layout of赘gasket used to double-way stealing

5.2 坞门侧面止水

坞口宽61 m，深坞门宽59 m，深坞门与两侧坞门墩之间存在1 m间距。两侧1 m空隙，通过钢闸门止水。钢闸门主体为壁厚16 mm的钢管，长28.95 m，钢管海侧焊接限位钢板、深坞侧安装吊耳以便吊装，钢管两侧分别焊接止水钢板，止水钢板侧面焊设加强肋，止水钢板海侧面通长铺设承压垫和赘止水橡胶[5]。钢闸门俯视图见图8。

图8 钢闸门俯视图Fig.8 Top view of the steel gate

钢闸门平时系存于坞门墩侧面。蓄水时，通过设置于坞门墩顶部的桅杆吊吊装。钢闸门就位后在预紧措施的作用下赘止水橡胶与坞门坞墩止水面贴紧止水。

6 结语

大体积钢扶壁混凝土组合式浮坞门有效地解决了工厂法沉管预制中深浅坞和外海的隔离，具有操作简单、安全可靠等优点。在港珠澳大桥沉管隧道沉管预制中已成功完成几十次启闭过程，施工工艺也得到了不断的提升和改进，具有广阔的推广应用前景。

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