多用途半潜驳坐底基础结构设计与施工.pdf

中国港湾建设China Harbour EngineeringDesign and construction of bottom resting foundation structure ofmultipurpose semi-submersible bargeLIU Jin-qiu1,REN Xu-long2*,DONG Wen-feng2,WANG Shu-qing2（1.Tianjin Shenji Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China;2.No.5 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First HarborEngineering Co.,Ltd.,Qinhuangdao,Hebei 066002,China）Abstract：As a necessary temporary facility of port engineering,the prefabrication yard is designed with a single ship type forthe supporting components of the shipping wharf bottom resting foundation.After the transformation from the prefabrication yardto the factory,the selection range of ships corresponding to the shipping wharf is small,and the shipping capacity of thecomponents is limited.Taking the shipment of 3 500 t caissons and 5 000 t caissons as examples,the bottom resting foundationdesign of the shipping wharf was carried out based on two ship types:berthing semi-submersible barge 9 and semi-submersible barge 11.An adjustable bottom resting foundation was designed based on the concept of assembly.Acomprehensive evaluation was constructed from the aspects of foundation design,construction,and other aspects combined withon-site application.It is found that the multipurpose semi-submersible barge bottom resting foundation meets the matchingrequirements of the same shipping wharf for different ship types,and is a type of bottom resting foundation structure suitable forlarge-scale port engineering prefabrication yard components for factory production.It has broad application prospects for theconstruction of large component prefabrication yards such as caissons in other port engineering at home and abroad.Key words：engineering technology;multipurpose semi-submersible barge bottom resting foundation;fabricated;caissonshipping wharf;steel box girder摘要：预制场作为港口工程必备临建设施，其配套构件出运码头坐底基础均按单一船型设计，预制场向工厂化转型后出运码头对应船舶可选择范围小，构件出运能力局限性较大。以3 500 t沉箱、5 000 t沉箱出运为例，按靠泊半潜驳9号、半潜驳11号两种船型进行出运码头坐底基础设计，采用装配式理念，设计可调整坐底基础，从基础设计、施工等方面结合现场应用情况进行了综合评价，表明多用途半潜驳基础满足同一出运码头对不同船型的匹配性，是一种适用于工厂化生产的大型港口工程预制场构件出运船舶坐底基础结构形式，对于国内外其他港口工程沉箱等大型构件预制场建设具有广阔的应用前景。关键词：工程技术；多用途半潜驳坐底基础；装配式；沉箱出运码头；钢箱梁中图分类号：U674.183；U655.34；U655.54文献标志码：A文章编号：2095-7874（2023）09-0034-05doi：10.7640/zggwjs202309007多用途半潜驳坐底基础结构设计与施工刘金秋1，任旭龙2*，董温峰2，王书庆2（1.天津深基工程有限公司，天津300222；2.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066002）第43卷第9期2023年9月Vol.43No.9Sep.2023收稿日期：2023-06-20作者简介：刘金秋（1966），男，河北冀州人，高级工程师，执行总经理兼总工程师，港口与航道工程专业。*通讯作者：任旭龙，E-mail：0引言自1954年我国第一座沉箱重力式码头建设以来，沉箱出运下水经历了起重船吊运下水、斜坡滑道溜放下水、搭岸半潜驳运载下水、坐底半潜驳运载下水1等几种方式的变革。60余年来，沉箱重力式码头已随着港口工程的发展走向外海、深水区及大型跨海桥梁建设，配套预制场建设也朝着工厂化、标准化发展2，回顾重力式沉箱码头建设历史，采用半潜驳出运沉箱下水工艺的预制场，其出运码头及坐底基础基本只针对一种船型，2023年第9期由于预制沉箱规格不一致，出运船舶能力发生较大变化，要求其坐底基础承载能力及标高均随之调整。本文综合考量沉箱预制出运情况，以3 500 t和5 015 t沉箱为例进行北部湾预制场半潜驳坐底基础设计。2设计2.1参数确定1）水文条件北部湾预制场地处广西壮族自治区钦州市钦州港大榄坪港区规划9号泊位位置，场地西部为潮间带，涨潮时被浸没，退潮后局部露出水面，场地东部为围堰回填地段，原地面高程为6.1耀6.5m；港区潮汐为非正规全日潮，平均潮差为3.5 m，平均高潮位为4.68 m，极端高潮位为5.77 m。根据潮汐表，按乘潮保证率为80%考虑，确定乘潮水位为3.62 m3。2）地形地质条件北部湾预制场位于钦州盆地南西翼，属于近岸围堰回填，场地地形较平缓、稳定，周边地段未发现临空界面、塌陷等不良地质作用，未见区域性断裂通过，勘察未发现活动性断层和新构造运动的痕迹。地勘揭露地层自上而下分布为：填土层、细砂、角砾、淤泥质黏土、中风化泥质粉砂岩4，典型地质断面见图1。当所承接的预制任务发生变化，沉箱的工况同出运能力不匹配时，需要进行较大的改造调整，产生较多的施工成本。半潜驳坐底基础作为港口工程陆上预制场构件出运船舶靠泊承载基础之一，其主要由抛石基床、钢筋混凝土条形基础或钢箱梁条形基础构成，且多数基础施工均为水下作业方式，施工条件较为复杂，施工难度较高。受乘潮水位、船舶型深及吃水限制，船舶更换将引起较大的工程量变化，产生高额费用，本文从基础结构入手，充分应用装配化理念，优化条形基础形式，提出一种简易拆装基础，在简化改造工序、缩减工期的同时，节约了改造成本，优化后的半潜驳基础在中交一航局北部湾预制场成功应用，效果良好。1项目背景北部湾预制场依托钦州港大榄坪港区9号、10号自动化集装箱泊位工程建设，首期承担钦州港9号和10号泊位、防城港钢铁基地204206号泊位及防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位等共计70个沉箱的预制任务，各沉箱规格见表1。工程名称沉箱尺寸预制数量/座沉箱重量/t出运船舶出运时间钦州港9号、10号泊位23.92 m伊15.8 m伊21.0 m333 500半潜驳9号2021-0409防城港钢铁基地204206号泊位24.96 m伊14.3 m伊17.6 m262 750半潜驳9号2021-122022-04防城港企沙港区赤沙作业区2号泊位29.0 m伊17.1 m伊27.9 m115 015半潜驳11号2022-0812表1各工程预制沉箱规格一览表Table 1List of specifications of prefabricated caissons for each project淤于盂榆虞S泥质粉砂岩Q4al角砾Q4al淤泥质黏土Q4al细砂Q4ml填土ZK96.38ZK76.21ZK86.4018.2016.0013.8010.801.50840-4-8-123.00N=12.00N=16.00N=13.00N=14.00N=2.00N=13.00N=25.00N=69.0018.9016.5015.1013.103.308.90N=2.00N=2.0019.9016.9014.80图1典型地质断面图Fig.1Typical geological cross-section刘金秋，等：多用途半潜驳坐底基础结构设计与施工35中国港湾建设2023年第9期3）船舶参数半潜驳9号总长58 m，型宽34 m，主体型深4.6 m，满载吃水4.0 m；半潜驳11号总长82.6 m，型宽42 m，主体型深5.5 m，满载吃水4.2 m。2.2高程设计高程设计作为预制场的重要内容之一，其控制高程为码头前沿顶高程、坐底基础高程和出运轨道顶高程，主要根据潮汐、波浪、泊位性质、装卸工艺、陆域高程及防汛等要求确定，由于出运码头处于金鼓江入海口位置，掩护条件较好，受波浪影响较小，其高程设计按照上水控制标准5确定。1）码头前沿高程码头前沿高程基本标准值E=设计高水位+富余高度，富余高度按码头掩护条件取1.0耀2.0 m，则码头前沿高程基本标准值为5.68耀6.68 m。码头前沿高程复核标准值E=极端高水位+设计超高值，设计超高值按码头掩护条件取0耀0.5m，则码头前沿高程复核标准值为5.77耀6.27 m。综合考虑周边场地地形标高，码头前沿高程设定为6.3 m。2）半潜驳9号坐底基础顶高程坐底基础高程设计主要考虑乘潮水位、半潜驳满载吃水以及沉箱出运时半潜驳底板至基础的富裕水深（按0.5 m取值），经计算，半潜驳9号坐底基础顶高程为-0.88 m。3）出运码头轨道顶高程出运码头轨道高程考虑半潜驳9号型深、甲板以上轨道超高值，由半潜驳基础高程反推确定，取超高值为0.1 m，则出运码头顶高程为3.82 m。4）半潜驳11号坐底高程半潜驳11号高程确定按乘潮水位和出运码头高程双控设计，二者比较取低值。按乘潮水位控制计算，半潜驳11号坐底高程=乘潮水位（3.62 m）-满载吃水（4.2 m）-富裕水深（0.5 m）=-1.08 m。按出运码头高程控制计算，半潜驳11号坐底高程=出运码头轨道顶高程（3.82 m）-半潜驳11号型深（5.5 m）-甲板以上轨道高度（0.2 m）=-1.88 m。综合比较，取半潜驳11号坐底高程为-1.88m。2.3基础通用性设计由上述可知，在出运码头标高不变的情况下，半潜驳9号与半潜驳11号坐底基础高程相差1.0m，要同时满足2种船型坐底靠泊需要，其坐底基础必须具备可调性，引用装配理念，采用叠合梁来解决坐底高程矛盾的问题。装配式可调坐底基础由抛石基床、钢筋混凝土坐底梁、钢箱梁3部分组合而成，钢箱梁置于顶层，其标高满足半潜驳9号坐底需要，钢筋混凝土梁安装在底部，其顶标高满足半潜驳11号坐底需要。坐底基础设计为条形基础，主梁按出运轨道位置设置，主要承载船舶所传递的荷载，副梁布置在主梁两侧，辅助主梁进行荷载传递，并起到稳定船舶的作用。综合船舶型宽、船舱结构及甲板上轨道布置情况，主梁按轨道位置设置，间距8.0 m；副梁分别按照半潜驳9号和半潜驳11号纵舱壁位置设置，由于半潜驳11号纵舱壁至船侧壁水平距离较大，因此增加2道副梁，用于抵抗舱室压水形成的不平衡力矩。按上述原则，共布置通用主梁2道，半潜驳9号副梁2道；半潜驳11号布置副梁4道，其中2道利用半潜驳9号副梁。基础平面布置图见图2。出运船舶变化引起基础调整时，仅需要方驳图2半潜驳坐底基础平面布置图（mm）Fig.2Floor plan of semi-submersible barge bottom resting foundation（mm）（b）半潜驳11号（a）半潜驳9号出运码头前沿线出运轨道副梁（钢箱梁）副梁（钢筋混凝土梁）副梁（钢筋混凝土梁）主梁（钢筋混凝土梁）钢箱梁基础半潜驳11号轮廓出运码头前沿线出运轨道副梁主梁（混凝土梁+钢箱梁）半潜驳9号轮廓副梁36窑窑2023年第9期表2半潜驳基础最不利荷载工况Table 2Most unfavorable load conditions of semi-submersible barge foundation船舶名称满载排水量/t船体自重/t台车重量/t半潜驳载重/t单条基础重量/t主梁数量/道 副梁数量/道最不利工作状态半潜驳9号6 7282 598854 21545.122半潜驳载重由主梁承担，船体自重由主梁和副梁共同承担半潜驳11号14 0395 9781008 161314.424表3荷载及基床厚度计算表Table 3Calculation table of load and foundation bed thickness船舶名称主梁荷载/kN副梁荷载/kN基础长度/m主梁线荷载/（kNm-1）副梁线荷载/（kNm-1）地基承载力/kPa抛石基床厚度计算值h/m半潜驳9号24 0708 66053.0454.15163.40140.001.01半潜驳11号43 94914 94565.5670.98228.17140.002.01吊机对顶层钢箱梁进行拆除、安装，即可实现坐底基础的互换调整，而无需对底部抛石基床进行再处理，简化了改造工序，大幅缩减改造时间。半潜驳坐底断面图见图3。（b）半潜驳11号（a）半潜驳9号半潜驳9号抛石基床主梁副梁半潜驳11号抛石基床主梁图3半潜驳坐底断面图Fig.3Sectional view of semi-submersible barge bottom resting foundation2.4基础结构设计2.4.1钢箱梁钢箱梁设计为梯形断面，顶宽1.376 m，底宽2.0 m，高1.01 m，单块钢箱梁长6.0 m，框格梁结构，采用Q235钢板焊接，底板厚度14 mm、顶板和肋板厚度12 mm、挡板厚度10 mm；为保护船底钢板，钢箱梁顶部安装沥青浸渍过的枕木，用厚度10 mm的钢带固定。为满足安装要求，钢箱体底面对应每个舱格留设准5 cm进水孔1个，外腹板上部留置准3 cm排气孔1个，两种均按梅花形布置，进行局部加强处理。钢箱梁结构图见图4。2.4.2钢筋混凝土梁钢筋混凝土梁采用矩形断面，设计混凝土强度等级为C30，基础坐落在抛石基床上，考虑弹性地基对基础的影响，单块梁长按6.0 m设计，其宽度为钢筋混凝土梁底宽+400 mm。由于上层钢箱梁基础和混凝土基础均为刚性结构，考虑施工误差造成的基础不贴合情况，在混凝土梁顶面增加1层枕木，进行钢箱梁传递应力的二次分配。2.4.3抛石基床抛石基床采用10耀100 kg块石基床，其下为细砂层，地基承载力特征值为140 kPa。抛石基床作为条形基础应力扩散的主要媒介，其厚度直接影响着条形基础的整体稳定性，因此抛石基床的设计主要对象为厚度的确定。考虑半潜驳作业最不利工况，基础厚度设计时将2道副梁按1道主梁考虑，则各荷载情况见表2。由于主梁和副梁间距较小，考虑主梁和副梁在荷载作用下的相互影响，基床厚度按主梁和副梁线荷载组合控制，基床厚度计算情况见表3。副梁图4钢箱梁结构断面图（mm）Fig.4Section view of steel box girder structure（mm）2 0001 376312312沥青浸泡过的枕木Q235 啄=14 mmQ235 啄=12 mm刘金秋，等：多用途半潜驳坐底基础结构设计与施工37中国港湾建设2023年第9期由表3可知，半潜驳基础基床厚度由半潜驳11号荷载控制，经计算，确定基床厚度为2.01 m。3半潜驳基础施工工艺流程半潜驳基础施工分2部分进行，1）水下作业部分，即基槽开挖、基床抛石、基床夯实整平及基础安装；2）陆域预制部分，即钢箱梁和混凝土梁的预制。半潜驳坐底基础施工总流程见图5。4施工关键技术4.1基床抛石基床抛石采用“反铲+平板运输船+定位方驳”的工艺组织施工，采用网格法定位抛投，抛填过程中勤测水深，及时掌握抛填面的变化情况。根据施工经验，预留8 cm夯沉量，块石抛填完成并对抛石面进行简易粗平后，进行基床夯实处理。4.2基床夯实基床采用重锤夯实法进行夯实，夯击能为80耀100 kJ/m2，夯击4遍。夯实完成后测量基床标高，并根据夯沉量进行块石补抛和粗平处理。4.3基床整平基床整平采用细平、极细平处理方案。细平时，将块石间不平整部分用二片石填充，二片石间不平整部分用碎石填充，碎石规格选用2耀4cm，碎石成层厚度不超过5 cm。细平处理完成后对基础安装位置进行极细平处理，极细平采用导轨刮道法进行，细平宽度为“1.0 m+基础宽度+1.0m”，碎石规格同细平碎石规格，极细平后高差不得超过2 cm。4.4坐底基础预制钢筋混凝土基础在场内就近预制，基础顶面平整度为控制关键，确保枕木安装后能够完全贴合，避免出现集中应力造成枕木断裂破坏；钢箱梁在车间内加工制作，严格控制各板块间焊缝质量，并做好钢箱梁的防腐处理，防止在海水中锈蚀破坏。4.5坐底基础安装基础安装采用定位方驳配合方驳吊机进行安装，按照测放好的基线位置首先安装钢筋混凝土基础，基础安装缝隙按3耀5 cm设置，底层基础安装完成后进行基础平整度、顺直度检查，再继续二层基础安装作业。需注意，方驳吊机作业时浪高不得超过0.5 m，风力小于5级（臆10.7 m/s）；基础安装过程中严格控制安装精度，纵横位置偏差不超过2 cm。4.6半潜驳压载半潜驳压载是基础施工后在使用前必不可少的关键环节，主要目的在于消除基础施工中的残余沉降量。半潜驳就位后，连接陆域钢轨，开启压载泵，向各水仓压水，压载重量为出运构件重量，如果压水载重小于出运构件重量，则采用固体载荷补充；压载时间不少于72 h，根据沉降观测情况确定停止压载时间。待基础沉降稳定后，调整半潜驳钢轨与陆域纵移道平齐。5应用效果分析5.1结构稳定，可靠度高半潜驳基础施工完成后进行了半潜驳压载试验，鉴于首期预制沉箱重量为3 500 t，压载水重量按3 700 t控制，压载后基础沉降量为5 cm。压载后，根据陆上轨道标高，进行了半潜驳钢轨安装。沉箱出运施工过程中进行基础沉降监测，截至目前累计移运沉箱36次，基础累计沉降1 cm，钢轨高差在电驱顶运一体台车调节范围内，满足施工要求，未发生二次调轨情况。5.2半潜驳基础对船舶的适应性明显提升对传统陆上预制场半潜驳坐底基础进行了升级，取消了基础改造对抛石基床进行二次处理的工序，直接对顶层钢箱梁进行拆装作业，实现了不同型深半潜驳坐底需求。本文所述钢筋混凝土基础及钢箱梁基础均为单块整体结构，能够满足2种型深的船舶坐底使图5半潜驳坐底基础施工工艺流程图Fig.5Flow chart of construction process of semi-submersible barge bottom resting foundation坐底基础梁预制基床夯实处理基床抛石基线定位测设基槽开挖方驳驻位、下道水下作业部分基床整平施工准备基础压载坐底基础安装基线定位验收陆上预制部分合格（下转第72页）不合格38窑窑中国港湾建设2023年第9期用，基础同船舶的适应性还存在一定程度的局限性，后续研究中对国内半潜驳型深及吃水能力进行统计，分级分层进行条形基础的装配，可进一步扩大坐底基础对船舶的适应能力。6结语本文针对传统水工配套预制场半潜驳坐底基础对船舶适应性低的缺陷，依托实际工程进行适应性扩容研究，充分引用装配理念，设计施工了水下装配式可调基础，通过基础的拆装组合，满足了不同船舶坐底的能力。这一技术的升级，有效地扩大了预制场构件出运船舶的选择范围，能够较好地兼顾船型变化，在国内外中长期工厂化沉箱预制场建设中具有推广意义，经济效益显著。参考文献：1中港一航局二公司.陆域预制沉箱采用半潜驳出运下水新工艺J.中国港湾建设，2000，20（5）：12-17.No.2 Engineering Company CHEC Tianjin Port Construction Cor原poration.New technology of launching caissons prefabricated onland using semi-submerged bargeJ.China Harbour Engineering,2000,20(5):12-17.2袁承斌，顾强，侍忠标.水工建筑物预制装配化的必要性和必然性J.江苏水利，2020（7）：52-55.YUAN Cheng-Bin,GU Qiang,SHI Zhong-biao.The necessity andinevitability of prefabrication and assembly of hydraulic structuresJ.Jiangsu Water Resources,2020(7):52-55.3钦州港大榄坪港南作业区7#10#泊位项目经理部.沉箱预制场建设专项施工方案R.2020.Qinzhou Port Dalanping Port South Operation Area Berth No.7-No.10 Project Management Department.Special constructionscheme for caisson precast yard constructionR.2020.4钦州市地质基础工程公司.岩土工程勘察报告R.2020.QinzhouGeologicalFoundationEngineeringCompany.Geotechnicalinvestigation reportR.2020.5JTS 1652013，海港总体设计规范S.JTS 1652013,Design code of general layout for sea portsS.到适合本工程的施工方法，最终达到成本最低、工期最短、安全系数最高、对环境影响最小的综合效果，同时也为将来施工类似工程积累一定的相关经验。该方法具有技术先进、安全可靠、质量可控、效率高、投入低的特点，在后续类似水工项目中均具有较高的推广应用前景。7结语沉箱安装作为码头主体建设最重要工序之一，其施工质量关乎整个码头施工的安全，通过对沉箱安装工艺的研究，有效地缩短了施工时间，节约了施工成本。为后续外海无掩护施工水域沉箱安装提供了宝贵经验，并可以进行推广应用。参考文献：1林万君.大窑湾一期工程前四个泊位的施工特点和主要技术措施J.港口工程，1996，16（4）：1-5.LIN Wan-jun.Construction characteristics and main technicalmeasures of the first four berths of Dayaowan Phase I ProjectJ.Port Engineering,1996,16(4):1-5.2JTS 1672018，码头结构设计规范S.JTS 1672018,Design code for wharf structuresS.3刘德进.大批量大型沉箱在恶劣海况下的出运与安装J.中国港湾建设，2006，26（2）：57-59.LIU De-jin.Transportation and installation of large caissons inlarge scale in atrocious sea conditionsJ.China Harbour Engineer原ing,2006,26(2):57-59.4刘宝河，李建明，柷业浩，等.半潜驳艏倾下潜加起重船吊扶出运大型沉箱工艺J.中国港湾建设，2009，29（4）：46-48，54.LIU Bao-he,LI Jian-ming,ZHU Ye-hao,et al.Technology oflarge-scale cassion shipped by semi-submersible barge with trimby bow and crane shipJ.China Harbour Engineering,2009,29(4):46-48,54.5贾海虹.吊浮沉箱的受力分析J.港口工程，1996，16（4）：25-30.JIA Hai-hong.Force analysis of suspended caissonJ.Port Engi原neering,1996,16(4):25-30.6中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口工程设计手册M.北京：人民交通出版社，2001：149-187.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.Port engineering designmanualM.Beijing:China Communications Press,2001:149-187.7陆云鹏，张华强，方育平.洛比托港重力式码头工程施工及沉降位移观测J.中国港湾建设，2012，32（4）：100-103.LU Yun-peng,ZHANG Hua-qiang,FANG Yu-ping.Constructionof gravity wharf in Lobito Port and settlement and displacement ob原servationJ.China Harbour Engineering,2012,32(4):100-103.8JTS 2572008，水运工程质量检验标准S.JTS 2572008,Standard for quality inspection of port and water原way engineering constructionS.（上接第38页）72窑窑