適用于水上施工的船閘閘首結構與施工方法

劉 崢，章少蘭，黃 瓏

(1.中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007；2.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014)

傳統干地施工船閘閘首的結構形式一般為整體塢式結構，施工方法是：基坑開挖及支護，降排水及防滲→澆筑邊底板和中間底板，預留施工寬縫→分層澆筑廊道及邊墩→進行寬縫封澆。此方法的優點是施工工藝成熟、能有效減少邊墩產生的不均勻沉降，因此被廣泛應用于船閘閘首施工中。然而，此方法并不適用于水上施工船閘閘首。目前，大部分研究都是基于干地施工船閘閘首，對水上施工船閘研究很少。本文結合舟山某船閘工程，研究水上施工船閘閘首的結構形式和施工方法，提出適用于水上施工條件的預制沉箱與現澆混凝土相結合的新型閘首結構形式，同時考慮水下巖基的特點和閘首特殊的防滲要求，采用爆破炸礁與水下升漿混凝土相結合的地基處理方式。

1 工程概況

舟山某船閘位于舟山島以南。工程依托現有鳳凰島和皇地基島，在兩島之間圍海筑堤形成相對封閉水域。為保持港池水位恒定并提供游艇進出港池通道，在西側海堤緊靠鳳凰島處布置同等規模船閘2座，平行并靠，船閘級別為Ⅶ級，規模為雙線6 m×23 m×2.1 m(口門寬度×閘室有效長度×檻上水深)[1]。

2 工程自然條件

2.1 潮汐和潮位特征

工程區域潮波以M2分潮為主，潮汐可歸屬為非正規半日淺海潮類型。多年平均漲潮歷時為5 h 40 min，落潮歷時為6 h 45 min。潮位特征值如下(85國家高程基準面)：多年平均高潮位1.22 m，多年平均低潮位-0.83 m，多年平均年最高潮位2.31 m，多年平均年最低潮位-1.96 m，多年平均潮位0.22 m。

2.2 設計水位

工程采用設計潮位如下：校核高潮位 3.28 m，校核低潮位-2.30 m，設計高潮位2.58 m，設計低潮位-2.13 m，沉箱安放保證水位0.80 m。

2.3 潮流特征

2.4 波浪

工程區海域波浪以風浪為主，設計波要素見表1。

表1 50 a一遇設計波要素

2.5 工程地質

工程場地可劃分為4個工程地質層。第①層淤泥質粉質黏土，灰-灰黃色，層面高程-13.75～0.56 m，具有含水量、壓縮性、靈敏度都高的特點；第②層淤泥質粉質黏土，灰色，呈流塑狀，具有含水量、壓縮性、靈敏度都高的特點，工程力學性質較差，必須對其進行地基加固處理；第③層草黃色粉質黏土，可塑-硬塑狀，中壓縮性，層面高程-1.97～-16.12 m，層厚1.0～12.80 m，土質均勻；第④-2層強風化凝灰巖，黃色為主，凝灰結構，巖體破碎，巖芯呈碎石狀風化裂隙，很發育，巖質軟，易折斷，全場分布，層厚0.90～1.90 m，中偏低壓縮(變形)性，物理力學性質好；第④-3層中等風化凝灰巖青灰色、灰黃色，凝灰結構，巖體破碎，巖芯呈碎石狀、風化裂隙較發育，巖質堅硬，為硬質巖，巖石基石質量等級為Ⅲ級，全場分布，低壓縮(變形)性，物理力學性質好。船閘閘首地基土層物理力學指標見表2，相應的工程地質剖面見圖1。

表2 船閘地基土層物理力學指標

圖1 船閘基礎工程地質剖面

3 閘首結構形式與施工工藝

3.1 閘首結構形式

上閘首長度為15 m，口門寬度6.4 m，口門凈寬6 m，邊墩寬度為8.77 m，結合雙線船閘布置，閘首總寬度為33.54 m。雙線船閘之間由隔墻分開，單獨運行[2]。上閘首頂高程3.7 m，門檻高程-4.1 m，底板頂高程-6.2 m，底板后澆層厚40 cm，底板總厚度1.2 m，輸水廊道頂高程-4.8 m、底高程-6.2 m。

3.2 沉箱結構形式

雙線船閘上閘首沉箱采用預制混凝土整體式沉箱結構形式，沉箱平面尺寸為15 m×33.54 m，沉箱頂高程2.0 m，底板底高程-7.4 m，底板厚80 cm，自質量2 618 t，見圖2。

圖2 上閘首沉箱平面圖(高程：m；尺寸：mm)

沉箱中間布置雙線船閘空箱式隔墻，隔墻寬3.2 m，頂高程2.0 m。隔墻下部布置人孔，方便施工期人員通行。為確保預制混凝土與后期現澆混凝土結合牢固，沉箱預制混凝土與船閘后澆混凝土連接部位預埋插筋[3]。

3.3 沉箱施工方法

沉箱預制完成后，兩端口門封門，利用浮船塢或斜坡式氣囊下水，通過半潛駁船運至安裝場地，拖輪及起重船扶助作業，由起重船浮吊初步就位后，再向沉箱內壓水到吊浮安裝狀態，最后壓水下沉，就位后將閘室沉箱兩側設置的充氣膠囊止水帶充氣，形成臨時止水線，然后進行水下基床升漿混凝土的施工。

3.4 船閘整體施工工藝流程

船閘沉箱施工采用分節預制，水下組裝方案。船閘主體工程施工工藝流程如下：土石方開挖→基床施工→沉箱預制、運輸、就位、下沉→沉箱接縫臨時止水→沉箱加載、基床防滲、抽水→施工平臺搭設→沉箱永久止水施工→船閘水工結構現澆混凝土施工→設備安裝→無水調試→放水→有水調試→驗收。

沉箱抽水前，應對沉箱進行加載，滿足施工期不同潮位抗浮穩定要求(抗浮安全系數1.05)。當設計高潮位2.58 m時，上閘首浮力為50.21 MN，須加載26.78 MN；下閘首浮力40.64 MN，須加載20.64 MN；閘室浮力46.67 MN，須加載23.50 MN。平均高潮位1.22 m時，上閘首浮力為43.40 MN，須加載19.60 MN；下閘首浮力32.80 MN，須加載12.42 MN；閘室浮力38.62 MN，須加載15.05 MN(以上計算未計入沉箱與升漿混凝土的粘接力，浮力按100%計)。施工時應根據相應潮位資料核算加載質量。加載位置宜在沉箱底板處或中間隔墻處，且應對稱布置，避免沉箱受到較大的偏心力。

4 閘首地基處理與防滲

4.1 閘首地基處理

上閘首坐落于基巖上，主要為④-2層強風化巖和④-3層中風化巖。

經綜合考慮，對基巖頂面高出船閘基礎的部位采用水下鉆孔爆破炸礁，爆破超深按0.5 m計，超寬上閘首與閘室之間按1 m計，結構周邊按2 m計[4-5]。爆破完成后，其超深部分采用回填拋石基床作為閘首的基礎。

4.2 閘首防滲

水下施工作業環境下，如何做好閘首防滲是工程的重點，尤其是沉箱安放到位后，須抽水以便形成箱內干地施工條件，保證在高潮位時沉箱的穩定性是工程的關鍵。經過論證，工程擬采用水下升槳塊石混凝土方案，即通過布置在沉箱底板的升槳孔對拋石基床內的空隙進行壓注水泥砂漿，使水泥砂漿與級配塊石形成一定強度的固結體，同時使沉箱和固結體緊密結合在一起，形成黏聚力，從而達到較好的防滲效果，升漿處理效果見圖3。工程擬考慮待全部沉箱安放到位以及形成臨時止水線后，對拋石基床進行水下升漿混凝土施工，施工順序如下：施工平臺搭設→施工設備就位→在沉箱底板布置注漿孔及觀測孔→埋設注漿管及觀測管→鉆機鉆孔→升漿混凝土施工→質量檢查→壓水試驗→驗收。

圖3 升槳處理效果(單位： mm)

升漿混凝土施工應遵循先外后內的原則，施工方法及要求如下：

2)升漿前，首先對注漿管進行起拔、試水試驗，使注漿管與基床底面有一定距離，保證注漿管貫通良好，每個注漿管起拔的高度不大于10 cm；其次進行現場漿液性能調試，使漿液滿足可灌入要求。

3)儲漿灌下接吸漿槽，并與灌漿泵連通。施工中利用泵送通過壓漿管將砂漿壓入基床塊石空隙內，注漿壓力0.2～0.7 MPa，直到孔口徑外泄漿為止，使之形成一定強度的固結體來滿足其要求。

4)升漿混凝土強度應達到C15以上。

水下升漿混凝土施工應先進行試驗孔試驗，對注漿孔壓力、孔間距、水泥砂漿濃度等參數應通過試驗進行調整確定。

4.3 閘首止水

閘首沉箱和閘室沉箱安放到位后，如何保證不同沉箱結合成一個整體，為船閘主體創造干地施工條件是本工程的難點。經過論證，工程擬考慮布置臨時止水和永久止水兩種措施。

臨時止水：閘首沉箱與閘室沉箱間預留5 cm間隙，兩端相接處預留止水槽，槽內預埋充氣膠囊止水，沉箱沉放就位后，升槳混凝土施工前充氣形成施工臨時止水，見圖4。

永久止水：澆墻體時在相鄰墻體止水槽內二次預埋銅片止水，并用瀝青填充，形成永久止水線。

圖4 臨時止水大樣(高程：m; 尺寸：mm)

5 結語

1)預制鋼筋混凝土沉箱與現澆混凝土相結合的新型閘首結構形式適用于水上船閘施工，利用沉箱作圍堰，節約了工程造價、縮短了施工周期。

2)對水下巖基采用爆破炸礁與水下升漿混凝土相結合的地基處理方式，不僅使沉箱與地基緊密結合，達到良好的防滲效果，同時也保證了高潮位時沉箱的穩定性。

3)通過布置充氣止水膠囊形成臨時止水以及預埋止水銅片并用瀝青混凝土填充形成永久止水的方式，使閘首沉箱與閘室沉箱結合成整體，為船閘主體施工創造了干地施工條件。