板式支护在干船坞工程建造中的运用

张燕

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063；2.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200063）

0 引言

干船坞是修造船厂中重要的水工建筑物，是其修造船能力赖以实现的基础设施。传统做法是在船坞坞口外水域设置围堰[1-2]形成陆域干施工环境，坞口、泵房及坞室等采用整体现浇结构。近些年，受制于前沿航道、岸线布置、已建厂房及公用管沟等周边环境条件，地下工程中常见的板式支护基坑法施工[3-4]逐渐运用于干船坞工程建造中。借助于板式支护体系灵活的平面布置形式以及整体刚度较大，可以应对拟建船坞工程场地的浅层软土和周边复杂环境条件。目前，已在多个干船坞项目施工中取得了成功实践，本文将结合一些项目的具体运用进行分析研究。

1 在船坞坞口建造中的运用

近年来，基于单位建造成本和航运成本方面的考虑，船舶呈现大型化趋势，干船坞的尺寸也随之水涨船高。船坞坞室的宽度在40～120 m之间；长度在200～550 m之间。庞大的平面尺寸，若整坞采用临时围护的形式来建造，则工程费用较高，且新建船坞场地较常规民用建筑基坑的周边环境条件相对宽松，坞室结构可采用大开挖后现浇建造，或者坞墙兼做施工期围护墙体形成坞坑，由此板式支护较多运用于坞口建造中。

以长江口某船坞为例，该船坞有效尺度长×宽×深为360 m×103 m×12.6～13.6 m，南北向布置，见图1。

船坞坞口前沿线突出新建一线大堤约13.0～31.0 m。新防汛大堤北侧约70～100 m为老大堤，两堤之间为吹填区，地形平坦，标高在5.00 m左右。新大堤以南为水域，有抛石分布，泥面标高0.4～-7.6 m。坞口位置自然泥面标高在0.0 m左右，坞口外30 m范围内泥面坡度约为1∶6。坞口水域泥面表层有0.5 m淤泥和约5 m厚流塑状淤泥质粉质黏土。陆域地基土主要由饱和黏性土、粉性土和砂土组成，见表1。

老大堤北侧为新征用的农田，环境条件较好。坞口上游约147 m为使用中的三号码头，下游约116 m处为工厂10万吨级浮船坞，该浮船坞是工厂修船生产保障所需，厂区内没有其它合适的岸线可供其临时停靠。

若采用土坝围堰方案，由于坞口前沿水深较深，浅层土体地基承载力低，造成土围堰的体量庞大，坝体总宽度在100 m以上。堰体与上下游的码头及浮坞平面安全距离不足，影响工厂正常生产。围堰土方工程量大，施工周期长，工程经济性差，在设计初期阶段即排除了该方案。

若采用较为常规的双排钢板桩围堰[1-2]，坞口前沿为直线段，两侧通过圆弧段与大堤连接，外排钢板桩平面长度达370 m，内排320 m，堰体宽度15 m。围堰外侧采用块石护坡，内侧设17.9 m宽水泥土搅拌桩加固体，直壁开挖形成坞坑。

该方案的双排钢板桩用钢量大、堰内土体加固方量大，施工工期长，工程造价高。双排钢板桩围堰的总体变形在以往工程中普遍较大，由于它与下游浮船坞位置较近，易对其进出坞安全产生不利，施工风险较难控制。

考虑拟建场地区域已建有新老两道长江大堤，且场地大部已吹填至标高5.00 m左右。通过对土围堰与双排钢板桩围堰进行方案比选后发现，限于地质和周边环境条件，本工程围堰设计不宜过多占用坞口前沿水域，但可以充分利用现有场地地坪较高的特点，在新大堤外侧适当垫高整平形成临时施工平台，从而船坞主体结构的施工均在陆上进行，坞口及泵房结构采用板式支护开挖施工，总体施工难度与水上施工相比大大降低。板式支护运用较钢板桩围堰降低近3 000万元的造价，土方填筑工程量也小于前述方案，加快了项目整体施工进度。

项目最终采用板式支护方案建造坞口及泵房结构。先清除大堤堤脚处的抛石障碍物，在坞口前沿线外侧约10 m处填筑编织袋吹填砂导堤，并设抛石棱体护脚、抛石护面。坞口基坑位置与后方场地平整后接平，基坑后方及两侧20 m范围场地卸土平整至标高3.0 m，形成船坞坞口基坑工程的施工平台，见图2。

坞口基坑平面呈矩形，长138.5 m，宽39.5 m，一般位置开挖深度14.65 m，泵房处为18.45 m。

图2 坞口基坑平面图Fig.2 Plan of dock entrance foundation pit

围护墙[3]采用钻孔灌注桩排桩，桩径φ1 000～1 200 mm，桩长38～43 m。为保证围护排桩施工质量，采用低掺量的三轴水泥土搅拌桩先行改良土体，再将围护灌注桩套打于水泥土搅拌桩内。基坑外侧即为长江，水力补给丰富，故围护桩外排再打设1排高掺量的三轴水泥土搅拌桩形成封闭。见图3。

图3 坞口基坑剖面图Fig.3 Section of dock entrance foundation pit

支撑平面布置[4-5]采用对撑加角撑的方案。主撑平面间距一般为7 m，竖向布置4道支撑，泵房落深处布置5道支撑，其中除第1道为钢筋混凝土支撑，其余均为型钢支撑。

立柱采用φ700钢管，立柱桩充分利用坞口工程桩，将钢管立柱和预制管桩一起施打至设计标高。泵房处及坞口前沿对坑内土体采用高压旋喷桩加固，和坞口底板下的永久止水帷幕结合施工。

整个坞口基坑的施工较为顺利，围护墙体实际变形是理论计算变形的两倍左右，见图4。基坑内未产生大面积渗漏现象，坞口结构的永久止水节点处理相当成功。

图4 围护墙位移对比图Fig.4 Comparison chart of enclosure wall displacement

2 在船坞整体建造中运用

在周边环境变位要求比较严苛，船坞平面尺寸合适的时候，板式支护整体施工船坞成了最好的选择。

该工程为国外某新建船厂2座船坞[6-8]，平面尺寸为100 m×28 m和90 m×28 m，深度均为11 m。两坞之间净距15 m，坞口并列朝东。现状岸线在拟建船坞及码头的前沿线后方约5～15 m。周边环境比较复杂，本新建厂区的南北侧均为正在营运的相邻工厂。船坞南侧一组已建的龙门吊轨道与拟建坞壁线平行距离约29 m，平行距离坞壁线约25 m有一条运营中的400 kV电气隧道，直径2.4 m，埋深约13 m。电力公司要求任何形式的开挖引起的隧道位移控制不得超过5 mm。西侧和北侧均为本厂新近投入使用的厂房，距离坞壁线分别约为37 m和51 m。见图5。

本工程地质条件较特殊，厂区为滩涂吹填成陆，回填土平均层厚3～5.5 m，其下是厚度5 m的海泥层，海泥层下方主要由粉质黏土、砂质黏土组成，以上土层平均标贯击数约为2～9击。再往下为标贯大于50的中风化砂岩。岩面平均埋深为19 m，埋深最浅处为17 m，距离泵房最深的开挖面仅2 m左右。土层力学性指标见表2。

图5 船坞平面图Fig.5 General layout of dry dock

表2 土层力学性指标参数表Table 2 Soil layer mechanical index parameter table

鉴于坞口外即为主航道，坞口可采用板式支护独立施工。坞墙结构除场地条件较好的北侧可以采用单锚板桩结构外，其余侧坞墙采用双排桩承台结构。

双排桩承台结构的前排桩采用φ1 219×14钢管与NSP-IVw钢板桩的组合桩，钢管底部嵌岩，后排桩采用φ900灌注桩。双排桩之间采用搅拌桩加固，顶部采用钢筋混凝土承台连接。

按当地法规要求[7-8]，所有结构设计应按照地质条件最差的钻孔参数取值，采用有限元程序进行计算。计算结果显示：开挖到坞坑底时坞墙最大位移为55 mm，隧道结构最大位移11.4 mm；中间坞墙最大位移为45 mm，单侧船坞灌水时上部胸墙位移增量为18.6 mm。

上述坞墙方案的结构变形较大，导致相邻隧道结构最大位移均超过限值[7]，不能满足环境保护要求，且使用阶段坞墙位移也难以满足上部吊车的安全使用要求[1]。方案不可行。

考虑到本工程总体平面尺寸不大，可参照民用建筑地下结构板式支护来施工整个船坞结构，在基坑内现浇扶壁式坞墙结构及坞口整体式“U”形结构，既可解决船坞施工期间对电力隧道的保护要求，又能满足使用阶段坞墙吊车的运行。

本工程基坑平面呈矩形，长111.5 m，宽84 m，见图6（a），坞室一般开挖深度12.2 m，坞口泵房处最大开挖深度16.4 m。

图6 支撑平面布置图Fig.6 Support floor layout

根据工程当地市场的询价结果，嵌岩地下连续墙和灌注桩单价是国内的数倍。为了控制工程造价，围护墙体采用了创新的、较为经济的嵌岩钢管桩和钢板桩组合结构。

根据坞室和坞口开挖深度的不同，本工程的围护墙采用2种形式：坞室采用钢管桩（φ1 219×14）与钢板桩（NSP-IVw）组合断面。钢管桩打至强风化或中风化岩面，钢管桩底增设φ1 100嵌岩段。坞口采用钢管桩（φ1 016×12）与钢板桩（FSPIV）组合断面，桩底设φ900嵌岩段。见图6（b）。

本工程的嵌岩钢管桩和钢板桩组合墙，既是船坞基坑工程的挡土、止水的围护墙体，又兼做船坞结构的永久止水帷幕，有效降低了工程造价。在坞口段临水面，在钢管桩的外侧另增设1排D800高压旋喷桩止水帷幕，底标高同嵌岩桩。

支撑平面布置采用对撑加角撑的形式。坞室部分竖向布置2道支撑，坞口部分竖向3道支撑，泵房位置局部4道支撑。对撑采用钢筋混凝土结构，其余均为双拼H700×300的型钢支撑。

支撑下方采用钢格构立柱，立柱桩为φ850钻孔嵌岩桩。

为控制围护墙变形，继而有效控制电力隧道及已建厂房的位移，在基坑南侧和西侧采用φ700双轴水泥土搅拌桩坑内裙边加固。

经过总包单位的精心施工和监理单位的严格监管，本工程的实测位移和二维有限元计算结果相当接近。围护墙体的计算最大位移为48 mm，实测34 mm。电力隧道的计算最大位移4 mm，实测3 mm；厂房实测最大沉降20 mm，均在预控安全范围之内。该工程已于2016年5月竣工投产，使用正常，受到建设方的好评。

3 结语

船坞工程是岩土力学、结构力学、水力学等多学科交叉的应用学科。目前我院已经在船坞坞口、驳岸以及船坞整体建造中成功运用了多个板式支护结构体系。下阶段如何将板式支护体系进一步合理运用于干船坞工程施工建造，需要不断地总结已完成工程中的经验、教训，学习推广各种新工艺、新技术，突破以往常规思维模式，从而提升船坞工程学科的总体技术水平。