干坞施工工艺

干坞施工工艺

一、 工艺概述

干坞是预制管段的场地，通常坞内设有混凝土拌和站以及骨料、水泥、钢材等各种原材料的堆放场地与仓库、各种机械加工车间已经完善的交通、供电、防火与防洪等设备与机械。干坞主要包括固定干坞和移动干坞两大类。移动干坞就是在可移动的船舶（半潜驳）上预制管段，在管段预制完成后，半潜驳潜到水下，将管段与船舶分离开来。固定干坞是要先修建一基坑用作制作管段的场地，管段制作完毕后进行干坞放水，然后打开坞门将管段浮运出坞。一般说来制作一个半潜驳代价高昂，但如果承包商本身拥有半潜驳，那采用移动干坞则可以降低工程成本。固定干坞 (又称为岸上干坞）根据与隧址的关系又分为轴线干坞和异地干坞，目前我国已建成的沉管隧道多采用固定干坞方案；少量采用移动干坞。在国外也有利用造船厂作为干坞进行工厂化制作沉管管段的（适用于在一定区域存在大量的沉管隧道需要修建的情况）。干坞是修建沉管隧道的关键工序之一，通过对各种干坞方案（移动干坞、轴线干坞和异地干坞）综合比选，研究不同干坞方案在不同环境中的适用性及其优缺点，进一步确定经济、合理的干坞方案，对于沉管隧道的修建具有重要的意义。

1 、干坞位置选择原则

干坞至隧址的航道应具备足够的水深和宽度，确保管段的良好起浮与拖运条件，便于管段浮运和缩短运距。

干坞附近应具备浮、存、系泊若干节预制管段的水域。

干坞所在场地的地质条件要好，即场地土应具有一定的承载力，不会产生过大或不均匀沉降，能满足巨型混凝土管段的制作要求，同时周边支护结构或边坡防渗体系、技术措施简单、工程量小，造价低。

交通运输及材料来源要方便，具有良好的外部施工条件。

征地拆迁费用较低，具有可重复利用的开发价值。

能尽量缩短工期和降低造价，确保其造价合理。

干坞周边应该有足够的场地，并可满足以下要求：堆放与储藏骨料、水泥、钢材等各种原材料，具备停放各种机械设备和机械与材料加工的场地，干坞周边可设混凝土拌和站（能就近获取商品混凝土可不考虑混凝土拌和站）。

干坞所在地的地理环境要好，可适用于大范围开挖的需求，场地面积的大小应能满足预制所有管段的工期需要。

如在该地区内已有适当规模的码头或船厂，需对其规模和使用条件做出调查，经过方案比选与论证后，可考虑采用移动干坞方案。

2 、干坞的设计与施工原则

干坞的设计和施工，必须确保基坑和其内管段制作的安全，并保证邻近结构的施工安全；

干坞设计应与管段制作要求、施工工艺流程密切配合，保证管段制作质量、满足管段起浮、栖装、出坞要求；施工、运用期间满足防汛要求；

干坞设计以安全可靠、确保质量、技术先进、经济合理为原则；

坞底平整度、均匀性和承载力满足设计要求；

干坞边坡稳定，坞内排水畅通，坞底干燥无水；

施工方法的选择应在对工期、使用期限、环境保护、质量、经济等因素综合分析后作出；

坞门的设计应在保证坞门结构安全的基础上，应能防洪、便于管段浮运并方便拆除（或爆破）。

3 、干坞比选

干坞的规模及平面布置形式与场地条件、设备安装、施工方案有直接关系，并受制于管段的几何尺寸、管段的制作、交通运输、管段拖运时的走向等因素。在系统全面考虑施工步骤之后，再确定管段在坞内的布置形式，使坞内空间得以充分利用，从而尽可能地缩小施工场地。

在干坞的设计过程中，施工总工期和施工安全性起着决定性的作用。经过对工期、造价以及施工安全性等因素进行系统分析，比较各个方案的优缺点及可行性，综合各个方案的优点，进一步比选优化，确定相对最优的方案。干坞设计中，平面布置的优化是一个重要的设计过程。方案比选主要针对以下方面展开：

移动干坞与固定干坞进行比选；

将干坞建造在隧道轴线上与将干坞建造在隧道轴线外进行比选；

制作一个干坞与制作多个子坞进行比选；

干坞规模的比选：就一次制作全部管段、多批次预制、干坞需重复利用进行比选。

图 1-1   移动干坞预制管段示意图

4、移动干坞

移动干坞方案就是修造或租用大型半潜驳船作为可移动式干坞，在移动干坞上完成管段的预制，然后利用拖轮将半潜驳船拖运到隧道附近已建好的港池内下潜，实现管段与半潜驳船的分离，再将管段浮运到隧道位置完成沉放安装工作。移动干坞和固定干坞对比，它主要具有以下几方面的优点：

省去了固定干坞本身的建造时间，有利于节省工程工期。

在半潜驳上进行管段的预制，相对与固定岸上干坞来说，可以大大节省岸上施工场地的占用，尤其当施工场地紧张时更具优势，可以避免或者减少土地拆迁。

管段预制完成后，可以通过半潜驳运载管段到隧道附近，由于半潜驳的吃水深度比管段浅较多，可以大大节省航道的疏浚费用，有利于降低工程造价。但是移动干坞也可能会遇到以下几个方面的主要问题：

目前半潜驳市场的数量有限，施工工期长。移动干坞方案所需的最基本设备半潜驳除了要满足管段预制所需的平面尺寸、船体刚度、载重能力等要求外，还要满足能够注水下潜使船面下潜到水面以下不小于 10m 的功能。

造价太高。当管段几何尺寸小、长度较短、节数不多（一般不多于 4 节）时，移动干坞方案在造价上具有一定的优势；但是当管段较长、几何尺寸大、节数较多时，其造价优势不复存在。

移动干坞预制管段停泊处以及隧址移动干坞下潜分离管段处的疏浚工程可能会因为水域深度而影响造价。

可能会对航运产生不利影响

水上作业多，施工难度相对增大，施工组织管理与天气等对工期的影响更显著。

图 1-2   半潜驳停靠码头预制沉管施工实景

图 1-3   半潜驳拖航示意及现场拖行实景

5、轴线干坞

轴线干坞就是将干坞布置在隧道轴线岸上段主体结构位置。国内已建成的广州珠江沉管隧道，宁波甬江沉管隧道、宁波常洪沉管隧道、广州生物岛至大学城沉管隧道与洲头咀沉管隧道都采用轴线干坞方案。轴线干坞方案的主要优点是：

将干坞与隧道岸上段相结合，减少了施工场地的占用，同时岸上段和干坞共用了一部分基坑开挖和支护，可以减少一部分工程费用。

管段从坞内拖出后，直接沿隧道纵向浮运，减少了管段浮运航道疏浚费用。但轴线干坞也可能会存在以下几方面的不足：

由于干坞和岸上段主体结构相干扰，不能形成管段与岸上段平行施工作业。

管段沉放只能从一端往另一端进行，与两端往中间对称沉放方案相比，将增加沉管段和轴线干坞岸上段的施工工期。

在大多数情况下干坞工程规模远大于岸上段结构工程规模，轴线干坞方案节省的工程费用也很有限。

由于通常轴线干坞的施工期相对其他形式的干坞来说施工期限要长，导致工程造价上的优势不明显，只有当干坞开挖量不大，或者说综合效益比较好的情况，采用轴线干坞是个良好的选择。

轴线干坞的岸上段预留出较大的地下空间难以利用。

6、异地干坞

异地干坞也就是在隧道轴线以外选择合适的位置建造干坞制作管段。异地选址修建干坞的备选方案的最大优点是岸上段结构、管段制作以及基槽开挖等关键性的工序都可以实现并行作业，从而可以最大限度地节省工期。

在干坞的比选中除了以上方面考虑外，还应结合本小节前面的 “干坞位置选择原则”与“干坞的设计与施工原则”进行考虑，并应结合以下几个方面的因素进行考虑：

干坞规模的确定

在满足工期需要的同时尽量缩减干坞规模以节省工程投资。

干坞深度及围堰高程的确定

干坞的坞底高程取决于浮运时的水位高程、管段的高度、管段浮起时的干舷高度、管段浮起时底部到坞底的最小安全距离、干坞底部基础厚度等因素。

工程地质、水文地质条件与干坞结构形式

根据工程地质、水文地质条件科学合理的干坞结构形式可以在造价与工期（效益）之间取得最佳平衡。

异地干坞所选场地及其交通条件等各个方面也对工期和工程造价产生严重的影响。

如果选择异地干坞，则需要优化支护、边坡防渗体系及坞口设计以尽可能的减少工程，避免大量回填与拆迁，降低工程总造价。

7、管段预制工厂

采用工厂化预制管段的工厂预制的理念，就是利用预应力连接，然后将完工的施工段移出浇注车间，即所谓的 “预浇注、预应力和推进”的方式。

管段预制工厂优点

采用工厂化预制管段具有如下几个方面的优点：

⑴可实现管段连续快速流水线预制，有利于提高生产效率；

⑵少占用土地；

⑶缩短管段浇注工期，降低综合造价；

⑷浇注施工不受天气与气候的干扰和影响；

⑸有利于控制温度环境，可降低管段浇注的初期裂缝风险。

工厂场地选择

管段预制工厂的场地选择，通常主要需要考虑以下问题：

⑴预制工厂距离沉管隧道沉放现场的距离；

⑵管段生产规模；

⑶有较好的管段浮运条件；

⑷具有较好的预制工厂场地（便于高低水池与浇注车间的布置），为了防止洪水等的影响，通常要求浇注车间高于海平面和洪水位，便于管段预制的连续流水线施工；

⑸所选工厂区域具备良好的交通条件（公路、铁路、海运）；

⑹综合造价。

管段工厂化制作系统

管段工厂化制作主要包括管段现场预制系统、顶推系统、预应力系统、导向系统、支承系统与控制系统。

管段预制系统：首先在拼装车间制作钢筋笼，然后将沉管管段的内模板伸进钢筋笼内，内、外模板形成浇注床，在浇注床进行浇注段的混凝土浇注，待养护 48 小时后，将浇注段推离浇注床，使浇注床为接受下一浇注段的钢筋笼就位做准备，直到多个浇注段的长度满足设定管段长度，通过预应力形成管段。

支撑系统：通常支撑系统包括桩（传递荷载到深层地基）、横向支撑、滑梁（为管段提供临时支撑，起到基础的作用；为管段滑行降低摩擦力；为液压顶推系统引起的纵向推力提供轨道荷必要的反作用力）和液压支撑（调节沉降，降低管段产生裂缝的风险，并为管段沿滑梁推进时提供平稳的支撑）。

顶推与导向系统：在管段预制好后，需要将完工的管段推如到高蓄水位区 /高水池，通常顶推系统有多组液压系统（千斤顶，通常情况下，为了减少裂缝的产生，可以采用多组小型液压千斤顶）组成。在液压导向系统和移动滑梁配合下，将完工的管段送入高水位蓄水池。

管段预制工厂的布置

有关管段预制工厂的场地选择方面已经在第二节进行了选择，当选择好了场地，修建好了预制工厂后，就可以在浇注车间的生产线上进行沉管隧道管段连续制作，管段工厂化制作的施工平面布置简图见图 1-4。

图 1-4   工厂化生产沿生产线方向的纵向剖面示意图

通常浇注车间位于工厂的一端，常采用海堤 /河岸围成，在干坞分未两个部分，即海平面以上的高蓄水区和与海/河平面齐平的低蓄水区。通过抬高水面，隧道管段可从高蓄水区浮运到低蓄水区并最终运送到运输水道（河流或海湾）。在蓄水池的每一端都有坞门进行控制。浇注车间与高蓄水区通常用滑行闸门隔开，而低蓄水区用浮运门与海湾/河面隔开，从浇注车间到蓄水区，隧道管段的运输靠滑行轨道来完成，

管段出坞流程

在流水线上浇注管段的过程如下：在浇注好第一施工段后，拆模，使荷载从模板传递到承载支撑系统，然后采用千斤顶将管段向前推，给后一施工段的浇注让位，开始下一管段的浇注，当多个浇注段达到预定的管段长度时形成一节管段，再将管段推移到高蓄水区（此时可以准备下一管段的相关施工与组合），通常在高蓄水位区为管段托运与沉放做好相关准备，包括浇注平衡与压重的混凝土，安装与检查相关预埋件与辅助件、安装临时预应力设备，进行预应力张拉，安装隔板、测量设备荷通风管。做好上述准备后，可将管段沿滑行轨道浮运到低蓄水位区（通常水比较深），打开浮运门 /坞门，将管段托运出坞，再通过设定的水道浮运到已经施工好的隧道基槽进行沉放。

图 1-5   工厂化生产管段出坞示意图

综合来看，除了以上方面外，岸上干坞是在陆地上施工，施工相对简单、风险小、质量更有保证；移动干坞适合于中小型沉管隧道，水上作业多、风险大，需要更好的进行组织管理，并做好各种水上作业预案。

八、干坞深度

干坞的深度，应能满足管段制作后顺利浮运出坞的工程需求，因此干坞深度应既能保证管段在低水位时露出顶面拖运过程中不撞伤管段底部，又能保证高水位时围堰上及周边安全。

二、 作业内容

干坞施工涉及土方开挖、多种支护结构的施工及循环蓄、排水，主要施工内容有：土方开挖、灌注桩和连续墙、锚杆（索）、基底处理和止推墙等。

三、 工艺流程图

图 3-1 干坞施工工艺流程图

四、 工艺步骤

1、土方开挖

在进行土方开挖以前，先在坡顶设置了截水沟汇集地表水，防止在施工过程中有过多的地表水下渗到土体内，影响边坡的稳定。土方开挖遵循 “竖向分层、水平分区、先边后中、先支后挖”的原则，垂直按支护锚杆和锚索排距进行分层；水平按从两端向中间进行分区，并按挖掘机的工作区域进行每一层的细部分区；同一层开挖时先从两边的边坡开始，再向中间开挖。每层两边边坡开挖至设计锚杆（索）底下 0.5m 时，及时按设计施作支护结构，确保锚杆（索）的锚固力达到设计的 70%后，才进行下一层开挖施工。开挖过程中及时施工入坞便道，当开挖距基底以上 200mm 时的土石方以人工开挖为主，避免超挖，以保持基底土体的原状结构。为防止雨水浸泡，及时对基底与边坡进行封闭支护，减少坡脚土的暴露时间，并做好基坑内的降排水工作。

图 4-1 土石方开挖施工示意图

在确定干坞边坡坡度时，要进行抗滑稳定性的详细验算，要特别注意干坞内室抽排水时边坡稳定性问题，边坡内部土体水位及干坞内室水位差与边坡土体渗透性、边坡表面混凝土层隔水性及排水孔布置等息息相关，在边坡施作时应给予必要考虑。

对于有较大边坡范围的干坞工程，边坡两侧因受到与之垂直方向结构的约束，抽排水过程对其影响较边坡中部明显减小。

2、锚杆（索）施工

锚杆

锚杆作为锚杆格梁＋喷锚支护的一部分，采用注浆方式锚固。注浆材料采用水泥砂浆，砂浆灰砂比为 0.8～1.5，水灰比为 0.38～0.5，施工中要求注浆体 28 天无侧限抗压强度不小于 30MPa。注浆前，及时进行清孔；锚杆施作完成后，通过“L”型钢筋构件与钢筋网焊接牢固，确保最终将钢筋网所受的力传递到锚杆上。

锚索

锚索主要是通过将锚索一端锚固到内部较稳定的土体上，另一端通过施加预应力把力传递到腰梁上从而实现支护受力作用。一般采用二次注浆方式加强锚固力，第一次注浆是重力式注浆，注浆压力一般为 0.4～0.6MPa，并应该在浆液中加一定的早强剂。第二次注浆为压力式注浆，在第 1 次注浆后的 9～10h 后进行，二次注浆的压力为 2.0～2.5MPa。在水泥浆强度达到设计强度的 70%后才对锚索进行张拉。张拉时采用分级进行，每级应持续５分钟，分级记录锚索的伸长值，按设计荷载锁定锚索。

3、灌注桩和连续墙施工

灌注桩

灌注桩在土方开挖前施工，采用冲击钻成孔，桩底采用扩孔器扩大，采用跳孔的顺序进行施工。施工顺序为：平整场地 →测量放线→埋设护筒→钻机就位→钻孔→验孔、清孔→钢筋笼安装固定→安放导管→水下混凝土灌注到设计顶面标高→拔护筒→钻机移位进行下一根桩施工。

连续墙

地下连续墙施工采用液压抓斗辅以冲击钻成槽，钢筋笼现场整体加工成形，吊机吊装到位，最后进行水下混凝土灌注。连续墙的施工主要有导墙结构、成槽施工、清孔、钢筋笼安装和水下混凝土灌注。关键点为：调整泥浆性质、液位高度来防止槽壁的坍塌；加强精度控制，保证成槽的垂直度；采用刷壁器等预防连续墙渗漏水。

4、坞底处理

图 4-2   胶合板基底结构图

对于固定干坞，管段浇筑时作用在干坞底部坞基的附加荷载比起原来所受的荷重要小的多，除了特殊情况，一般不用考虑由于地基的承载能力不够而引起的破坏下沉。

基坑开挖时基底的平整度较差，管段起浮时需设置助浮层，因此需进行坞底基础换填处理。为了增强地基承载力，保证基底的稳定，在坞底设置明沟、盲沟和集水井来降低坞底的水位并用水泵将水排出干坞来实现坞内降水。

5、止推墙施作

止推墙设置于接口段管段主体结构的两侧的围护结构断面变化处。止推墙一般与素混凝土防渗墙和二次围堰素混凝土填充墙设置在同一断面上，在进行止推墙的钢筋绑扎前，在连续墙的相应位置植入钢筋。最终，植筋、止推墙钢筋和主体结构的钢筋都连结在一起形成一个整体。

六、干坞的坞门

全部管段分批施作后同时出坞的轴线干坞，坞门可以采用钢板桩、土堰、钻孔灌注桩或相结合形式，拖运出坞时将破除坞门即可；也有专门设置浮箱式闸门的工程案例。

五、 质量控制说明

干坞边坡稳定，出、入坞道路满足设备、物料运输要求；坞内排水畅通，坞底干燥无水；坞底平整度、均匀性和承载力满足设计要求；采用位移检测装置进行边坡的稳定性检测，采用渗压计算等进行坞体渗透性检验，采用荷载试验进行坞底承载力及沉降特性测试，采用水准仪及括尺进行坞底平整度检测，采用密度计算等方法坞底密实度检测，采用钢筋法、荷载抽样法等方法进行坞底均匀性检测，采用水准仪、经纬仪等坞体尺寸检测。

六、 工艺装备

表 6-1
主要施工机具表（参考 ）

七、 作业组织

表 7-1 劳动力配置表（参考 ）

八、 安全生产保证措施

⑴成立专门的安全管理组织机构。设安全负责人一名，安全员两名。

⑵所有设备必须有年审记录，相关安全资料齐全，机况良好。

⑶运输起运前，对承运车辆和相关索具进行认真的检查，消除事故隐患。

⑷设备装车时，设备重心必须与车辆中线重合，捆扎牢固。

⑸大件运输前在公路管理处路政大队办理准运手续，运输时请保安公司护送。

⑹注意空中障碍，设备上设置滑竿，另配备挑线人员。

⑺大件车辆经过市区道路，确保设备不与道旁的树木相撞。

⑻大件吊装在白间作业，大件吊装下井为防止摆动，必须用绳子牵引人力进行控制方向。

⑼组装过程中须派专人进行指挥。

⑽高空作业时必须系好安全带。

⑾吊装时，起重机吊钩下严禁站人。

⑿根据工地的情况，布置安全防护设施和统一的安全标志。

⒀各种吊、运、组装机具，必须在使用前组织试吊、试运行。

⒁吊装作业中严禁超载。

⒂起重作业人员要严格执行《起重作业安全操作规程》，确保作业人员的安全。

⒃干坞基坑在开挖过程中要根据开挖进度及时施做支护措施，确保施工安全。

⒄各种工程车辆出入施工现场需遵守施工现场的交通规定，限速行驶。

⒅对干坞基坑的变形及水位变化情况进行实时监测，加强动态预报。