船塢拉錨式塢墻施工階段位移控制技術及應用

張宏利

（中交第一航務工程局有限公司，天津 300457）

0 引言

近年來，隨著造船行業的發展，旺盛的市場需求，推動船舶干塢建造市場的發展。同時，傳統的鋼板樁塢墻式干塢，因其基坑深度偏小、變形量大等缺點，逐步被懸臂地連墻、拉錨式鋼筋混凝土塢墻結構替代。該類結構，因其施工速度快，整體性好，位移控制效果好等優點，廣泛應用于各類船塢、道路及水利工程，并取得顯著的經濟效益。地下連續墻作為船塢塢墻、基坑支護結構以其良好的結構剛度被廣泛推廣應用于關鍵結構部位，由此，相應的數值計算、模型驗算等理論研究愈發深入[1-5]。

隨著干船塢基坑規模、深度需求增大，支護結構的工前模擬計算對后續支護結構的水平位移控制及結構安全尤為關鍵。當前理論研究主要采用荷載結構分析方法，并逐步向連續介質有限元分析方法發展。同時相關實驗及案例表明，通過信息化監測及數值分析，模擬計算結果能較好地吻合工程實際[6-8]。

本文將工程實踐同理論研究相結合，選定一種可靠的結構水平位移計算方式，通過預留位移量及施工監測手段，有效控制結構位移偏差，保證塢墻結構位移后干塢凈尺寸滿足要求，證實計算模型同工程實際較為吻合，為其在相近工程中的應用提供借鑒價值。

1 工程概況

本工程位于江蘇省啟東市船舶工業園內，水工項目共由1 座船塢、2 座船臺和1 座碼頭組成。其中，船塢塢室內凈尺寸為300.0 m（長）×44.8 m（寬）×12.0 m（深），塢墻下部采用現澆800 mm 厚地下連續墻（-20.0～0.3 m），上部采用現澆混凝土廊道結構，塢墻的錨碇為雙排?800PHC 管樁，上部現澆混凝土承臺結構。塢墻與錨碇間的凈距：西側為8.0 m，東側為11.5 m，北側為16.25 m。

西側塢墻的錨碇結構在C 軸—L'軸范圍內與1 號船臺東側的邊板連為一體，L'軸—P 軸的結構與其他區域的錨碇結構基本相同。典型斷面圖如圖1 所示。

圖1 西側塢墻及錨碇結構典型斷面Fig.1 Typical section of west dock wall and anchorage structure

2 塢墻位移計算

2.1 計算模型選取

船塢主基坑開挖前，先施工塢墻結構及錨碇承臺，通過張緊器將塢墻結構與錨碇承臺連接，進而開展主基坑開挖工作。在開挖時，塢墻會向自由面（基坑側）產生一定的位移，通過數值模擬基坑開挖過程中，塢墻的位移指導施工。施工期工況計算簡圖見圖2。

圖2 施工期工況示意圖（mm）Fig.2 Schematic diagram of working conditions during construction（mm）

圖2 中13 軸—16'軸為塢墻及錨碇結構，在16 軸及右側（主基坑）開挖時，13 軸—16'軸區域將產生不利斷面，故選擇該斷面進行計算。

2.2 計算模型建立

采用美國Itasca 咨詢集團公司開發的FLAC3D軟件對塢室側墻及其錨碇結構進行模擬，模擬范圍水平方向為113.2 m，垂直方向為-9.5～+4.5 m，采用六面體網格，共劃分11 400 個單元，15 708 個節點。邊界條件為4 個側面和底面均采用法向約束，地表自由。

本模型中共考慮8 種土層（見表1），以及地下連續墻、管樁、承臺、拉桿等結構物。由于兩排樁的間距分別為2.6 m 和2.7 m，因此對于基坑外的2 排樁在模型中分別建立1 個樁體，基坑底部模擬一排樁體。

表1 計算分析中的參數取值Table 1 Parameter values in calculation and analysis

土層的物理力學指標如表1 所示。

計算分析中，?80 鋼拉桿的截面直徑取75 mm，截面彈性模量206 000 MPa；基坑外的樁體混凝土強度等級為C80，其彈性模量為39 000 MPa；樁單元與土體的側向摩擦角取10°，側向黏聚力取5 kPa；地連墻與土體間的interface 單元的摩擦角取10°，黏聚力和抗拉強度取0。

計算模型如圖3 所示。

圖3 計算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the calculation model

2.3 不同工況下的計算結果

2.3.1基坑開挖至-4.0 m

第一步開挖至-4.0 m 時，塢墻錨碇結構物的最大變形量為1.7 cm，基坑外土體的變形量約為1～1.7 cm。

結構物和土體的變形云圖如圖4 所示。

圖4 開挖至-4.0 m 時結構物和土體的變形云圖Fig.4 Deformation cloud map of structure and soil when excavated to-4.0 m

2.3.2基坑開挖至-9.5 m

第二步開挖完成時（至-9.5 m），塢墻最大水平變形量約4.2 cm，位于基坑上部，其中右側800 mm 厚水平變形量約2.0～4.2 cm，左側錨碇下600 mm 厚地連墻水平變形量約為2.0～4.0 cm。因此可以判斷出：塢墻與錨碇結構位移協同，可視為整體結構。如圖5 所示。

2.3.3基坑封底后

基坑封底后，與開挖完成時相比地連墻最大變形基本沒有什么變化，但封底混凝土形成一道支撐結構，塢墻受力形式改變，結構位移受到控制，最大位移點位發生變化。

基坑封底后結構物和土體的水平變形如圖6所示。

2.4 坑外結構物施工及填土對變形的影響

坑外結構物施工及回填土時，塢墻后土體自重增加，回填土層以下土體受壓縮，對結構物產生變形影響。如圖7 所示，原地面（0.2 m 標高）最大可產生12 cm 豎向位移，結構物可產生4～6 cm的豎向位移，結構物各部分的變形較為一致。

圖7 坑外結構物施工及填土引起的總變形云圖Fig.7 Cloud map of total deformation caused by construction and filling of structures outside the pit

3 計算結果驗證

3.1 工況驗證及控制措施

根據上述計算結果，基坑開挖至基底時，結構物產生2～4.2 cm 的位移量，且在施工期間塢墻及錨碇結構位移無法避免。為滿足船塢使用凈寬需求及最終驗收通過，施工結構物時，需將該位移提前考慮。擬定控制措施如下：塢墻及錨碇結構采用預加位移方式，按照計算位移方向，反方向調整塢墻及錨碇結構偏移尺寸。

3.2 塢墻施工階段位移實測分析

為對比數值計算結果及實際工況的位移差異，施工期內對船塢塢墻及錨碇結構斷面進行監測，并結合監測數據及時調整，確保塢墻位移量可控。位移監測點布置見圖8，監測數據見圖9。

圖8 深層位移觀測點位布置圖Fig.8 Layout of deep displacement observation points

圖9 各測點位移曲線圖Fig.9 Displacement curve of each measuring point

1） 從各監測點位位移數據發現，塢墻及錨碇結構整體位移量同數值計算結果較為吻合，計算發現最大位移量發生于基坑開挖至基底，未施作封底前，位移量最大可達42 mm，實際施工期間除13 號點位外，其余各點均小于數值計算值。

2） 施工期間主動調整塢墻偏移量，按照數值計算結果，結構預留4 cm 水平位移，較好地保證了船塢凈寬尺寸控制需求。

3） 通過對比各監測點數據：13 號點位移量最大，監測點位于船塢西側，緊張器拉桿長度8 m；11 號點位移量居中，位于船塢東側，緊張器拉桿長度11.5 m；12 號點位移量最小，位于船塢北側，緊張器拉桿長度16.25 m。上述分析表明：在相同施工條件下，位移量與緊張器拉桿長度成反比關系即拉桿長度越大則位移量越小。

4 結語

本文對塢墻及錨碇結構位移量進行數值模擬分析，并在施工過程中對塢墻及錨碇結構向預加反方向位移量，以保證船塢凈寬。通過對比數值模擬計算數據及施工監測數據，驗證了該工藝能夠有效控制塢墻及錨碇結構位移量，保證船塢凈寬尺寸符合規范驗收標準。為后續船塢施工提供一定的經驗指導。特別是砂性土、淤泥質土等土基上施工船塢的位移控制有一定的借鑒意義。

后續將在此數值模擬的基礎上，增加更多不同地質條件，進一步提高塢墻及錨碇結構位移量的分析精度，能夠適用于更多的地理區域。