港珠澳大桥香港口岸人工岛大型箱涵浮运封闭工艺

马 林

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

近年来，箱涵浮运落底安装工艺在水工领域被越来越多地采用，主要是因为施工中无需修筑围堰，施工时间更短，经济效益更优，例如浙江舟山东港二期围涂工程[1]、青岛奥运会帆船中心水工项目[2]、港珠澳大桥香港口岸人工岛项目[3]等。箱涵浮运通常有2 种做法:1)借助气囊使箱涵漂浮[4-5]，这类箱涵多为钢结构，自重不会很大；2)使箱涵封闭自漂浮[6-7]，这类箱涵多为钢筋高程结构，自重和排水体积都很大。箱涵自漂浮的前提是保证其封闭不出现渗水、漏水等病害，此时通常采用钢封门结构[8-12]。但是关于钢封门的设计与止水工艺研究较少。浮运过程中，钢封门不仅需要足够的强度抵抗外部的水压力、波浪力等外力，还需要足够的刚度抵抗外力作用下的变形。此外，若箱涵浮运线路较长，还需要优良的密水止水可靠性。本文依托港珠澳大桥香港口岸人工岛水工项目，研究箱涵封闭结构(即钢封门)的设计验算、止水做法，并对实施过程与效果进行全过程监控。

1 工程概况

港珠澳大桥香港口岸人工岛西南角的D 区是与香港机场连通的陆岛通道，宽约150 m，为超深淤泥上的砂石填筑结构(图1)，其下布置有5 道箱涵用于过水，箱涵在筑堤回填、地基处理后再开挖进行施工。其中，C1 段箱涵内底高程为-4.50～-4.06 m；C2、C3 段箱涵内底高程为-4.50～-4.11 m；C4 段箱涵内底高程为-4.500～-4.135 m；EC1 段箱涵内底高程为0.16～0.00 m。箱涵高度6.2 m，混凝土强度等级为C45。每30 m设1 道伸缩缝。

图1 香港口岸人工岛

C1～C4 为四孔箱涵，底板厚1 m，顶板厚0.7 m，总高度为6.2 m，外壁厚0.6 m，内壁厚0.5 m，总宽度22.7 m。南侧斜坡堤出水口箱涵为异形扶壁结构，高6.2 m，长约20 m，宽22.7 m。箱涵结构见图2。

图2 C1～C4 箱涵结构典型断面(单位:mm)

箱涵采用工厂预制、海上浮运、水上安装工艺。即:箱涵结构在预制厂预制→用半潜驳将箱涵节段运至现场附近的下潜坑(距离箱涵安装位置4.3 km)→用2 艘拖轮将上述节段拖运至基槽安装位置→在卷扬机集中控制系统与GPS 定位系统的帮助下完成落底着床与水下对接。

本工程C1～C4 段箱涵共有21 个预制节段，其最大长度38.2 m，最大质量约5 100 t。浮运过程中，箱涵节段须保证封闭、不渗水。施工难点如下:

1)封堵面积大。预制箱涵为开敞式构筑物，普通箱涵前后共8 孔，单孔面积为4.5 m×5.0 m；斜坡堤出水口为多面开敞结构，开敞面面积为23.0 m×5.5 m、5.5 m×10.0 m。由于堵水面积大，封闭结构与高程接缝长，紧固螺栓孔洞多，潜在漏水点多。

2)浮运路线长。箱涵下潜点距基槽安装位置约4.3 km，周边有进出机场航道，往来行驶的高速客轮造成船行波很大，箱涵封堵结构必须充分考虑波浪力和水流力，确保结构可靠、能抵御频繁外力冲击而不漏水。

3)异型结构多。预制箱涵结构形式多，异型箱涵的预埋螺栓实际位置有偏差，而封闭结构的螺栓孔又不宜过大，否则易漏水，螺栓对位难，高精度安装难度大。

2 箱涵封闭

2.1 结构设计

为使箱涵获得足够的浮力，必须对其敞开的端部进行封堵。同时，单个箱涵分为多个节段，节段之间需纵向连接，因此，箱涵节段必须保证结构稳固、无较大变形。因取材方便、加工快捷，通常采用型钢组合作为箱涵封闭结构(简称，钢封门)。采用I25 工字钢作为支撑主梁(间距1.25 m)，纵横分配梁分别采用I12 工字钢(间距0.6 m)和I12 槽钢(间距0.6 m)，面板采用10 mm 厚钢板，型钢之间采用焊缝连接，型钢与高程之间采用高强螺栓连接(图3)。结构计算时，按照最不利工况考虑，海域最大流速2 m∕s，据此计算水流阻力和波浪撞击力，同时，按照极端高潮位2.5 m 计算箱涵落底着床的水压力，所有作用分项系数均取1.5。计算结果显示，主梁最大挠度9.6 mm，次梁最大挠度0.6 mm，均满足规范要求。

图3 极端水头差工况下钢封门受力分析

因箱涵结构形式不同，中间段为普通矩形结构，两端斜坡堤段为异形扶壁结构(图4)。矩形结构直接利用高程结构壁作为钢封闭门的支撑受力部位，异形结构须补齐扶壁结构的三角形缺口部分，整体设计类似矩形结构，以满足均匀受力要求。

图4 箱涵钢封门

2.2 初步方案

钢封闭门不仅要保证高强度、小变形，还须对其止水密水效果进行补充设计，其中最重要的是做好角钢门框与高程壁接缝处、门框与钢封门接缝处、螺栓孔处的密封止水，这是箱涵浮运密封工艺的关键。经过多次讨论，堵缝密封标准工艺(图5)如下:

图5 接缝处密封工艺

1)角钢门框(L16 角钢)与高程壁、钢封门与角钢门框间缝隙，采用L 型止水橡胶条＋X-SEAL密封胶工艺；

2)连接螺栓孔处，采用钢垫片＋橡胶垫片＋XSEAL 密封胶工艺。

2.3 改进方案

基于上述工艺，在预制厂进行钢封门的密封性试验，现场发现局部有渗水、漏水现象，因此须对上述密封工艺进行改进。问题及处理措施如下:

1)角钢门框与箱涵接触不紧密。处理措施:①角钢门框分区、分块，直线段统一加工，现场统一安装；②箱涵下倒角根据实测尺寸，精确加工角钢门框拐角，单独安装(图6)；③角钢门框分块安装后，现场焊接成整体，防止门框分缝漏水。

图6 角钢门框下拐角位置

2)止水材料效果不佳。处理措施:①L 型橡胶条厚2 cm，具有较好压缩性，邵氏硬度55，能压缩至1 cm 厚以内(图7)；②所有接缝处外加1 道高强止水胶堵缝(图8)。

图7 定型加工2 cm 厚L 型止水条

图8 钢封门内外接缝均刷高强止水胶

3)预埋连接螺栓孔洞大。处理措施:①实测箱涵预埋螺母位置，在角钢门框上精确放线、磁力钻现场开孔(图9)；②采用1 cm 厚钢垫片压紧压缩性高的橡胶垫片；③所有螺栓孔系统编号，每节箱涵出运前均需钢封门密封性检测，若发现螺栓孔漏水，则记录编号，事后用止水结构胶再次堵孔；④所有M22 连接螺栓均用量程为280～760 N·m 的扭力扳手测量，确保所有螺栓扭力均＞280 N·m，保证螺栓充分拧紧，压紧垫片。

图9 现场实测后用磁力钻开孔

4)模拟实际工况，做好密封性检测。箱涵节段出运前，在同等工况下对钢封闭门进行密封性检测试验，在钢封门外侧设置整体钢桁架大模板，内部注水达6 m 高，静置24 h，检验箱涵内部漏水情况。若有漏水，则标记漏水点，待密封检测后局部处理，确保完全止水。

3 结论

1)考虑最不利工况设计箱涵钢封门，以I25 工字钢作为支撑主梁(间距1.25 m)，以I12 工字钢和[12 槽钢作为纵横分配梁(间距0.6 m)，面板厚度10 mm。计算结果表明，其主梁最大挠度9.6 mm，次梁最大挠度0.6 mm，均满足规范要求。

2)钢封门加工时，型钢交接处采用母材等强焊缝连接，型钢与高程交接处采用高强螺栓连接，采用L 型止水橡胶条＋X-SEAL 密封胶工艺；所有接缝处外加1 道高强止水胶堵缝。

3)钢封门的角钢门框根据高程结构实测结构定尺加工，L 型橡胶条厚2 cm，邵氏硬度55，能压缩至1 cm 厚以内；所有M22 高强螺栓应确保扭力均＞280 N·m。此外，钢封门安装完成后，须进行多次密水试验检查潜在渗漏点，确保完全止水后方可外运。

4)工程应用表明，每节箱涵经海上长距离浮运过程中受到波浪、水流作用，亦无明显漏水，密封止水效果良好。箱涵密封工艺为水上浮运安装起到了关键作用，具有较大的推广应用价值。