新型钢-混凝土组合箱形浮坞门在沉管预制厂中的应用

陈良志，卢永昌，梁桁

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

浮坞门是一种浮箱式闸门，是可沉浮的箱形结构，关闭坞口时，可将它沉放到规定的坞口位置，紧靠坞门墩和坞槛上。需要打开坞口时，从浮箱里抽水，坞门便可浮起拖至一旁存放。浮坞门因其使用维修方便，不易出故障，被广泛地运用于干船坞和沉管预制厂中。

随着海洋工程的深水化和大型化以及沉管隧道的快速发展，沉管断面不断增大，相应的坞门也愈建愈高，愈来愈宽。传统干船坞为坞内水抽空，坞门只承受坞外侧的水压力，水压呈三角形分布，压力较小；而大型“工厂法”沉管预制厂需坞内蓄水[1-4]，坞内水位高于坞外，坞门高度更高，承受的水压力更大。传统干船坞浮坞门门体材料一般为全钢结构，受力形式为三边支撑，随着坞门高度和跨度加大，传统坞门结构的用料极不经济、防腐和维修均不便利；且在大水压力作用下，传统大跨度坞门体将承受巨大的水平向弯矩，坞门两侧壁也会有很大的水压力，对坞门的结构受力极其不利。

因此，本文针对大型“工厂法”沉管预制厂中浮坞门的受力特点，以港珠澳大桥岛隧工程桂山沉管预制厂深坞浮坞门为例，提出一种结构设置合理、浮游稳定性高、安全性好的钢筋混凝土与钢结构组合沉箱重力式浮坞门结构[5]，此结构受力合理、安全可靠，具有较高的工程实用价值，可在类似工程中推广使用。

1 港珠澳大桥沉管预制厂深坞坞口区工程概况

港珠澳大桥岛隧工程5 664 m的超长、深埋海底沉管隧道是当今世界同类工程中综合技术难度最大的项目。沉管隧道采用“节段式沉管”方案，标准管节的尺寸为180 m（长）伊37.95 m（宽）伊14 m（高），重约7.4万t。隧道工程需配套建设一个沉管预制场。

港珠澳大桥沉管预制厂是全球第二次、国内首次采用工厂流水线进行沉管管节预制的预制厂，并拥有世界上规模最大的深浅坞室，总体平面图见图1。深浅坞室内能同时容纳6节沉管，深坞底标高-12.8 m，浅坞底标高+3.5 m，深浅坞四周挡水构筑物顶标高+15.8 m，坞内设计蓄水水位+15.35 m。其中深坞坞口是管节出坞的咽喉，为适应管节出坞的需要，坞口设计宽61 m，高29.1 m；为满足坞内蓄水要求，在深坞坞口处设置超大浮坞门挡水结构（其典型断面图如下文图3所示），坞内蓄水至+15.35 m时，水深达28.15 m，坞外侧与外海连通，设计低水位为-0.52 m，此时坞内外水头差15.87 m；同时，浮坞门还需满足止水要求。

图1 港珠澳大桥沉管预制厂总体平面图Fig.1 General layout of immersed tunnel precast factory of HZMB

2 深坞浮坞门结构设计分析

2.1 浮坞门结构设计难点

1）深坞坞口宽度61 m，浮坞门尺寸巨大，在进行浮坞门结构设计时需考虑浮坞门的预制和安装问题。

2）为了满足坞口的止水要求，在蓄水满载期间，坞门内外设计水头差达到15.87 m，且水压为梯形分布，为传统船坞坞门荷载的3倍，对于如此巨大的荷载，保证坞门结构的安全性和稳定性是一个难题。

3）沉管出运时浮坞门需开启，应具备起浮和浮运功能，但坞门自重的增加和坞门起浮在设计中是一个矛盾体。

2.2 浮坞门结构形式分析

从坞门受力角度分析，超宽超高浮坞门若采用全钢结构则用料极不经济，防腐和维修工作量均很大，且在超大水压力作用下，大跨度坞门会产生巨大的水平向弯矩，两侧坞墩也将承担巨大的压力。从坞门预制场地的角度分析，若选用全钢结构浮坞门，则浮坞门无法在现场预制，需要在厂房内预制完毕后再浮运至深坞口，工序繁多，耗时较长。

钢筋混凝土沉箱在港口工程中是一种常规结构，在重力式码头和护岸结构中已大量采用[6]，结构技术成熟、稳定性良好、施工预制工法简单，施工质量能够得到保证。若港珠澳大桥沉管预制厂浮坞门主体结构选用钢筋混凝土箱形结构，可采用“干坞法”[7]在深坞区内进行预制。在深坞区开挖时，坞口处保留挡水岩体，深坞区内具备干施工条件，为浮坞门提供良好的预制场地；当浮坞门在深坞区预制完成后，采用倒虹吸向深坞内灌水，可对坞门进行试漏检验，确保坞门水密性后继续灌水直至坞门起浮，最后浮运至坞口处进行坞门安装。

2.3 浮坞门浮游稳定设计

浮坞门的浮游稳定性关系到坞门启闭的可操控性。从浮游稳定的角度出发，浮坞门应当具备以下基本条件和功能：

1）浮坞门平面重心位置应与形心位置重合，且应尽量降低坞门重心高度。

2）浮坞门预制过程中存在混凝土振捣密实度差异而导致的密度差异，且坞门安装就位对垂直度的要求较高，因此坞门需要配置压载水舱系统。

3）应尽量降低浮坞门自重，减小坞门吃水深度，为浮坞门预留足够的水深富余。

针对以上3点条件要求，对坞门结构进行深入分析，若坞门采用全钢筋混凝土结构，由于浮坞门尺寸较大，为降低重心高度，浮坞门需要灌注大量的压载水才能保证浮游稳定性要求，这导致浮坞门吃水过深，在浮运过程中存在倾斜搁浅的风险。为解决这一难题，需从浮坞门的结构受力机理出发，对浮坞门的结构布置进一步优化。以下分别阐述浮坞门的结构布局和压载水系统设计。

2.4 结构布局设计

将浮坞门主体结构划分为两大部分。

第一部分是钢筋混凝土箱形结构部分：浮坞门钢筋混凝土箱形结构部分下部18.6 m高范围内由40个舱格组成，上部10.5 m两侧舱格高起。

第二部分钢结构部分：高出的舱格之间靠海侧处设置10.5 m高挡水钢扶壁，挡水钢扶壁由8片弧形挡板以及每两片弧形挡板后的钢肋板构成，形成一个能挡水的拱形结构。

通过该组合结构，在保证浮坞门挡水要求的前提下，最大限度地降低了浮坞门的重心高度，同时浮坞门的自重也大大降低，从而确保坞门的浮游稳定性和吃水富余。

2.5 压载水系统设计

新型钢-混凝土组合式浮坞门沉箱分为玉耀郁4个独立大舱格，每个大舱格由10个小舱格组成，小舱格之间由准500 mm的透水孔连通，舱格分布如图2所示。在浮坞门四边舱格内分别设置1台潜水泵和1个进水孔（配置钢阀门，控制排水管启闭），进水孔和潜水泵的控制系统均设置于浮坞门顶部，操作人员可在浮坞门顶面进行操控，精确控制4个独立大舱格内压载水水位，调整浮坞门垂直度和吃水深度。

图2 新型钢-混凝土组合箱形浮坞门压载水舱系统平面图Fig.2 Ballast tank system of new steel-concrete combination floating caisson dock gate

3 结构稳定分析

3.1 浮游稳定分析

新型钢-混凝土组合箱形浮坞门进行浮运时，坞门压载水舱内压载水高度为2.5 m，根据JTJ 167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》[8]，计算浮坞门的浮游稳定性得到，浮坞门吃水11.26 m，定倾半径籽=3.753m，重心至浮心距离琢=2.821 m，定倾高度m=0.932 m，大于《重力式码头设计与施工规范》第5.2.5条规定的0.4 m，满足浮游稳定性要求。

3.2 整体稳定性分析

浮坞门在工作状态下，需承担巨大的倾覆力矩和水平滑动力。从浮坞门结构的受力机理出发，浮坞门适宜设计成重力式结构，但出于起浮及浮运功能需求，应尽量减小浮坞门的自重。因此需要对浮坞门在工作状态的受力进行深入研究分析，得到最优的解决方案。当浮坞门蓄水时，坞内的水位比坞外高15.87 m，这是解决浮坞门整体稳定性受力的关键。经过反复分析论证，采取以下措施解决坞门的整体稳定性问题：

1）与坞口底止水方案综合考虑，如图3所示，浮坞门的底部止水设置于坞内侧，切断坞内和坞外的水压，蓄水时，浮坞门舱格内的水位与坞内的水位同步上升，而由水位上升而增加的水体换为坞门的配重，将浮坞门转换为重力式结构，根据《重力式码头设计与施工规范》对浮坞门结构进行抗倾覆稳定性验算，见表1，均能满足规范要求。

图3 新型钢-混凝土组合箱形浮坞门蓄水时受力图Fig.3 Force diagrams of new steel-concrete combination floating caisson dock gate in impoundment condition

表1 浮坞门抗倾覆稳定性验算Table 1 The verification results of anti-overturn stability for floating dock gate

2）浮坞门在工作状态水平向静水压力巨大，抵抗该荷载仅仅靠浮坞门与坞口底板之间的摩擦力是不现实的，因此在进行抗剪设计时，在坞口底板上设置抗剪牛腿，浮坞门受力时与坞口底板的抗剪牛腿贴紧，将水平向静水压力传递给坞口底板。而坞口底板锚固于基岩上，可有效地抵抗浮坞门承受的水平向静水压力，如图4所示。

图4 新型钢-混凝土组合箱形浮坞门与坞口底板作用图Fig.4 The interface between new steel-concrete combination floating caisson dock gate and dock floor

4 现场实施与应用效果

2012年5月27日浮坞门进行首次浮运安装，坞门压载水高度2.5 m，吃水11 m，与理论分析计算结果基本吻合。浮坞门安装就位后，深坞坞口挡水围堰未挖通之前，将浮坞门与挡水围堰之间的海水抽干，使得坞内外形成约13.8 m的水头差，可检验浮坞门+1.0 m以下部分和坞口底板的止水效果，浮坞门的挡水和止水现场照片见图5，坞门海侧的海水被顺利排空，浮坞门的挡水和止水效果显著。

图5 浮坞门的挡水和止水现场照片Fig.5 Photo of floating dock gate waterproof

2012年9月10日，港珠澳大桥桂山沉管预制厂深浅坞首次蓄水至设计水位+15.35 m（图6），本次试验结果证明该浮坞门结构在满载蓄水期间，结构的安全性和止水的可靠性均满足要求。

图6 浮坞门蓄水满载状态现场照片Fig.6 Photo of floating dock gate in impoundment condition

截至2017年，港珠澳大桥桂山沉管预制厂完成所有沉管预制，在预制厂运营的6 a期间，浮坞门共经历了17次满载蓄水，40多次启闭作业，浮坞门的浮游稳定性、整体稳定性、结构安全性及止水效果等均表现出良好性能，保证了沉管预制工作的顺利实施。

5 结语

1） 采用钢筋混凝土箱形结构作为浮坞门的主体结构，因地制宜有效地利用了深坞坑作为浮坞门预制场地，并且利用深坞坑对浮坞门结构的水密性和止水性进行检测，有效地避免了可能存在的漏水风险。

2） 突破传统的浮坞门结构设计理念，采用钢筋混凝土沉箱组合钢扶壁的组合结构，有效地降低浮坞门结构重心，同时浮坞门内设置了压载水系统，用于调整浮坞门垂直度和吃水深度，有效地提高坞门浮游稳定性，为浮坞门反复启闭操作提供有力保障。

3） 浮坞门的底部止水设置于坞内侧，巧妙地利用蓄水产生的水压，将水压力转换为浮坞门结构的配重，有效地解决了抗倾覆稳定性问题。

4） 新型钢-混凝土组合箱形浮坞门下部采用钢筋混凝土结构，相对于全钢结构坞门，其耐久性好，且浮坞门日常维护费用低。

5） 港珠澳大桥沉管预制厂新型钢-混凝土组合箱形浮坞门结构在6 a的使用期内，主体结构经受住了反复蓄水和启闭的考验，在本工程中该结构表现出良好的水压抵抗能力和止水性能，该类型结构可在类似工程中推广使用。