《浮箱式閘首施工工法》是中國交通建設股份有限公司完成的建築類施工工法，完成人是童小飛、劉瀚波、季漢忠、李天恩、劉學勇。適用於各類船閘和船塢的閘首、塢口的布局、結構設計和實施；各類結構物的（複合）基床施工、整平、填充等，結構物下的防滲體系、各類臨時圍堰的止水帷幕；各類大型沉井、沉箱、浮箱和其他大型構件的水上拖運、定位和沉放，可籍助GPS系統對定位實精確定、並通過限位裝置進行位置鎖定，也適合於有場外製作條件、水上浮運航道、6級以風浪環境的地區。
《浮箱式閘首施工工法》主要的工法特點是船閘構築物異位製作，整體安裝；永久結構與臨時圍堰相結合；浮箱沉放GPS實時監控系統軟體；浮箱式閘首穩定。
2011年9月，《浮箱式閘首施工工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009-2010年度國家二級工法。
基本介紹
- 中文名：浮箱式閘首施工工法
- 工法編號：GJEJGF304-2010
- 完成單位：中國交通建設股份有限公司
- 主要完成人：童小飛、劉瀚波、季漢忠、李天恩、劉學勇
- 套用實例：中船長興造船基地一期工程
- 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）
形成原因,工法特點,操作原理,適用範圍,工藝原理,施工工藝,材料設備,質量控制,安全措施,環保措施,效益分析,套用實例,榮譽表彰,
形成原因
浮箱式閘首是為實現船閘外閘口整體預製安裝施工方法而設計的一種新穎結構。大型浮箱內裝有閘門、閘門板、門槽、門庫存、啟閉控制設備，這些設備都按照2009年後船閘正常運行時的相對位置製造、定位，只要將浮箱整體移動安裝到設計位置，閘首各結構施工亦完成。這種施工方法避開了大量水下作業，縮短了現場施工時間。
工法特點
《浮箱式閘首施工工法》的工法特點是：
1.船閘構築物異位製作，整體安裝。
2.將永久結構與臨時圍堰相結合，結構形式新穎，布局緊湊，節約材料。
3.浮箱沉放GPS實時監控系統軟體，可即時顯示浮箱平面位置和沉放姿態，並形象地顯示在電腦螢幕上，系統界面清晰、操作性強。
4.結構基礎處理技術使浮箱式閘首穩定，實現擋水功能。
5.止水帷幕技術使閘首、閘室地下止水系統連為一體。
操作原理
適用範圍
《浮箱式閘首施工工法》涉及多項工程施工內容，主要有深水多層次複合基床施工工藝；浮箱沉放三維控制技術；浮箱沉放GPS實時監控系統；浮箱配重調平方式及選配相適應的拖輪；基床注漿止水帷幕施工工藝。
套用範圍可涉及：（1）各類船閘和船塢的閘首、塢口的布局、結構設計和實施；（2）各類結構物浮箱式閘首施工工法的（複合）基床施工、整平、填充等，結構物下的防滲體系、各類臨時圍堰的止水帷幕；（3）各類大型沉井、沉箱、浮箱和其他大型構件的水上拖運、定位和沉放，可籍助GPS系統對定位實精確定、並通過限位裝置進行位置鎖定。適合於有場外製作條件、水上浮運航道、6級以風浪環境的地區。
工藝原理
《浮箱式閘首施工工法》的工藝原理敘述如下：
- 浮箱沉放GPS實時監控系統
一、系統原理
2台RTK GPS+1台測傾儀：2台RTKGPS用於實時確定鋼浮箱的平面位置和方位，1台測傾儀確定箱體的姿態；第3台RTK GPS可以對鋼浮箱位置、方位和姿態進行覆核。
二、模型參數
系統參數：GPS天線位置（GGA格式的大地坐標）、GPS WGS84坐標到工程坐標的坐標系轉換參數（實時）、GPS天線安裝位置、鋼浮箱角點位置。
設計參數：鋼浮箱尺寸（長、寬、高）、鋼浮箱設計頂、底高程，限位墩台尺寸、限位墩與鋼浮箱之間的位置關係。
三、系統校核
參考面校核：參考面是建立鋼浮箱體坐標系的基礎，RTK—GPS天線高度量取及測傾儀初值的設定均需要依據參考面。當鋼浮箱處於正常狀態時，這個參考面是水平的，RTK—GPS天線標桿垂直於參考面。
天線間距檢核：系統自動計算的RTK GPS天線間距與實測間距進行比較，可以確定GPS天線安放正確性。
- 深水多層複合基床施工工藝
複合基床通過大頭方樁承載，以素混凝土基床連繫樁基，使樁基均勻受力，通過碎石基床找平混凝土基床，以使上部的鋼浮箱荷載能均勻分布。複合樁基施工前，在基床周圍形成水下圍堤以防止基坑回淤；通過精確安裝樁墊塊作為碎石基床整平的參考點和整平導架行走支點，可確保碎石基床達極細平效果。
- 基床注漿與止水帷幕施工工藝
通過控制拋石厚度、石塊粒徑、以期達到合適的基床孔隙率，配置有良好的流動性和注入性的水泥砂漿，並採取可靠的工法和工藝參數對基床拋石進行注漿，能完全充填基床拋石粗骨料的空隙；注漿體硬化後具有較高抗壓強度和粘結力；這樣整個基床具有足夠的耐久性和水密性。
基床下的高壓止水帷幕採用高壓旋噴排樁，旋噴樁採用新雙管法——採取高壓漿射流直接切割地層，漿射流周圍以環繞壓縮氣加以保護，切割下的土體與漿液充分摻攪，大部分漿液留在地下與切割土體凝結成為所需要加固防滲體；並適當改進工藝如增大漿壓、氣壓等可以有效克服含氣量大、腐殖物豐富的土層高壓旋噴樁難以形成的困難，形成的高壓旋噴樁樁體具有連續性良好、樁體質量穩定、抗滲性能優的特點。
施工工藝
《浮箱式閘首施工工法》的施工工藝流程及操作要點敘述如下：
- 工藝流程
浮箱在乾船塢內完成鋼結構殼體製作並完成鋼筋混凝土底板築，同步完成浮箱水下樁基和基床施工。開發、安裝和校核GPS實時監控系統，浮箱配重調平後拖輪拖帶浮箱至施工現場，通過GPS監控系統和限位墩實現浮箱精確定位，浮箱注水下沉，並最終利用潮位特性平穩坐床，沉放後對浮箱底面基床注漿及進行旋噴止水帷幕施工，最後進行浮箱分艙抽水進行結構施工；浮箱式閘首施工關鍵流程如圖1。
圖1 施工工藝流程圖
- 操作要點
一、複合基床施工工藝
1.基床構成
浮箱水下基礎由樁基加深水複合基床組成；樁基採用小直徑的管樁或方樁等，樁尖必須進入選定的持力層；深水複合由下到上依次由0.2~0.3米拋石墊層、1~2米水下素混凝土基床、0.3~0.8米的拋石基床碎石（注漿）組成。基床結構如圖2所示。
圖2 基床結構斷面
2.水下圍堤
水下圍堤主要是在混凝土基床四周形成充泥管袋圍堤，圍堤標高和高度同複合基床相同。圍堤採用吹填砂被方法實施；圍堤砂被分層實施，每層砂被厚度約0.5米，破被斷面成梯形布置，圍堤具有阻擋淤泥回積和兼作混凝土澆築時的模板功能。
3.拋石墊層
水下混凝土基床澆筑前在基槽面上拋碎石墊層，以隔離土層與混凝土，碎石粒徑為5~10厘米，拋石厚度為0.2~0.3米；拋石墊層採用抓鬥船撒拋，順流進行，並根據試拋確定合理的拋設時機和拋設密度等。
4.混凝土基床
水下素混凝分基床可根據大小可分塊依次澆築，分塊之間採用大型鋼模水上安裝，混凝土澆築採用水下導管法進行實施，素混凝土由水上大型混凝土攪拌船供應。
5.拋石基床
基床拋石粒徑為5~15厘米，厚度約0.5米，拋石方法與拋石墊層的方法相同。拋石基床的標高決定浮箱沉放標高的準確與否，故拋石厚度控制堅持寧低不高的原則。拋石完成後，潛水員在測量配合下對拋石標高進行檢測，然後採取導軌法進行拋石平整工作。
6.基床極細平
基床極細平要求標高偏差小於0.03米，需採取有效措施控制基床標高和平整度。根據複合基床構成，選定適量的樁頂安裝混凝土墊塊（支點）作為整平拋石基床架立重型鋼軌的基座，混凝土墊塊低於拋石基床0.03米，墊塊頂架立重型鋼軌。
基床沿縱向布置三道重型鋼軌，架設於預製墊塊頂部並固定牢靠。重型鋼軌上鋪設導架，導架採用鋼管制作，下口焊接刮刀，刮刀下口位置即為基床頂標高，移動導架即可實施基樁整平。導架在基床全範圍內一個來回，確保基床標高和平整度均達到極細平精度要求。
二、沉放GPS實時監控系統
為實時跟蹤並控制浮箱在拖帶沉放過程中的位置及標高情況，GPS實時監控系統對浮箱拖帶、沉放過程進行浮箱三維坐標的實時跟蹤監測，以利於控制浮箱空間姿態，GPS監控系統顯示界面見圖3。
圖3 GPS實時監控系統顯示界面
三、基床注漿止水帷幕施工工藝
浮箱底部拋石空隙及拋石與浮箱之間的空隙注漿填充，形成密實結構，浮箱底部受力均勻，避免局部應力集中.產生差異沉降。浮箱式閘首建成後需發揮擋水功能，浮箱地基土土質為粉土，為防止浮箱底部滲漏形成管涌通道，浮箱底部以下高壓旋噴形成止水帷幕，浮箱沉放到位後施工。
鋼浮箱製作時內部預設ф150鋼管作為注漿和高壓旋噴注漿套管，套管埋至浮箱底，注漿套管按梅花型布置間距3米。閘首設定兩道雙排高壓旋噴止水帷幕，呈“口”字形布置，套管間距1000毫米，排距800毫米，見圖4。
圖4 基床注漿與高噴孔位布置
基床注漿先於高壓旋噴止水帷幕施工，基床注漿壓力小而高壓旋噴壓力大，高壓旋噴作為對基床注漿的有效補充，所形成的結合體強度高，抗滲性好。
1.基床注漿
注漿沿浮箱縱向（長度方向）分三序注漿，先施工第1、4、7排、接著施工第2、5排、再施工第3、6排，每排注漿孔又跳擋進行注漿。
注漿施工選用XY-2液壓鑽機功率22千瓦x2，鑽桿外徑89毫米內徑20毫米，從預設注漿套管處下到基床頂部衝擊成孔，直至鑽頭觸及混凝土基床頂部停止成孔，進行注漿。注漿泵選用高壓砂漿泵注漿，注漿壓力0.5-0.7兆帕，水泥砂漿由鑽桿下端湧出，隨壓力的調整，水泥砂漿沿石塊孔隙散布開來。注漿壓力由低至高，終止注漿壓力不低於0.7兆帕。隨著注漿量的增加，預設套管內水位逐漸上升，直至砂漿充滿套管停止注漿，靜置半小時套管內漿液液面不下降，隨後進行下一孔注漿。
2.止水帷幕
施工技術要求高壓旋噴樁有效直徑不小於1300毫米，28天齡期強度不小於2兆帕，滲透係數＜10厘米/秒。
採取在傳統二重管法的基礎上進行工藝革新，採取高壓漿射流直接切割地層，漿射流周圍以環繞壓縮氣加以保護，切割下的土體與漿液充分摻攪，大部分漿液留在地下與切割土體凝結成為所需要加固防滲體，少量土體混合少量漿液冒出地面形成廢漿。採用此旋噴工藝開展典型試驗。試驗的主要目的確定旋噴參數、檢驗成樁直徑、鑽孔取芯芯樣強度、旋噴樁滲透係數。
高壓旋噴達到28天齡期後按規範要求選取1%的高壓旋噴樁鑽孔取芯，現場察看取芯率，取芯率可大於80%以上，並選取芯樣送檢，芯樣強度均需大於2.0兆帕。同步進行壓水試驗，要求檢測取芯孔的滲透係數小於10厘米/秒。
材料設備
《浮箱式閘首施工工法》的主要設備見表1。
序號 | 階段 | 名稱 | 數量 | 作用 |
1 | 基床施工 | 吹砂船 | 1 | 吹填水下圍堰 |
2 | 100立方米/小時混凝土攪拌船 | 1 | 水下素混凝土基床施工 | |
3 | 60起重船 | 1 | 基床施工配合 | |
4 | 200HP潛水船 | 2 | 施工配合、基床整平 | |
5 | 整平導架 | 1 | 基床整平 | |
6 | 拋石船 | 1 | 碎石墊層和拋石基床施工 | |
1 | GPS系統 | RTK CPS參考站 | 1 | 用於高精度RTK定位的參考站 |
2 | RTK GPS接收機 | 4 | 確定浮箱的位置、方位和姿態 | |
3 | 多媒體計算機 | 1 | 運行系統軟體 | |
4 | 多串口卡 | 1 | 系統採集各感測器數據的硬體接口 | |
1 | 拖帶沉放 | 1000-3000HP 拖輪 | 5 | 浮箱拖帶 |
2 | 200千瓦發電機 | 1 | 電力供應 | |
3 | 錨纜系統 | 4 | 拋錨、帶纜 | |
4 | 20噸卷揚機 | 4 | 絞纜進位 | |
5 | 限位墩墩及限位件 | 4 | 浮箱平面位置鎖定 | |
1 | 注漿高噴 | XY-2液壓鑽機 | 2 | 鑽孔、注漿 |
2 | WJG-80攪漿機 | 2 | 攪拌水泥漿 | |
3 | GP-5高噴台車 | 2 | 高壓噴旋噴樁作業 | |
4 | PP-120高壓泵 | 2 | 水泥漿體輸送、壓漿 | |
5 | YV-6空壓機 | 2 | 提供高噴氣壓 |
參考資料：
質量控制
根據《港口工程質量檢驗評定標準》，《浮箱式閘首施工工法》的主要技術質量標準為：
1.基床達極細平（±3厘米）要求。
2.浮箱一次沉放後4個角點位置誤差小於100毫米、高程誤差小於30毫米、浮箱傾斜小於1/1000。
3.旋噴止水帷幕滲透係數達10厘米/秒級、芯樣強度達2兆帕，基床注漿體強度達12兆帕。
安全措施
採用《浮箱式閘首施工工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：
1.施工人員嚴格執行國家、地方各項安全法律、法規；嚴格執行企業各項安全生產操作規程。
2.設備安裝，提供穩定的220V低電壓線路，合理設計配電線路的走向，並具備良好的保護措施。
3.對檢測儀器外部採用金屬外殼加以保護，防止受外力破壞。
4.定位系統必須通過陸上比測，數據相吻合後才能進行水上作業。
5.人工檢測作業需要爬上爬下，扶梯必須扎牢。水上作業必須穿好救生衣，戴好安全帽。
6.定位軟體系統操作事先必須通過培訓，熟悉理解整個系統後方可進行現場施工。
7.嚴禁非系統操作人員操作主控計算機，避免系統數據或各項參數的改動而造成施工錯誤。
8.對所有作業的軟體操作人員、測量技術人員等進行全面的水上作業培訓，並嚴格執行各項規定要求。
環保措施
《浮箱式閘首施工工法》的環保措施如下：
1.施工船隻嚴格執行國家有關海上法規，保護海上環境。
2.施工過程嚴格執行上海市文明施工規定，進行文明施工保護環境。
3.浮箱出運前，在船塢進行必要的構件表面清潔，禁止存在油污等污染。
4.禁止定位配套船隻施工人員向海中傾倒生活垃圾，安排固定船隻收集垃圾運至岸上進行統一安全處置。
5.如果出現海上較大規模的油品污染事件，及時通知政府有關部門進行環境保護處理。
效益分析
《浮箱式閘首施工工法》的效益分析是：
1.經濟效益
根據契約要求與前期計畫，深水複合基床和浮箱拖帶沉放應於2006年3月25日前完成，實際完成日期為2006年2月24日，節約工期29天；浮箱底注漿與高噴止水帷幕到7月31日完成，實際完成日期為2006年7月15日，節約工期16天，由此節約了水下基床處理船機台班費、高噴與注漿設備台班使用費，配合作業工人人工費和現場滯留時間，合計節約成本639270元。
同時由於基床處理、浮箱拖運沉放和高噴止水的提前，為後續施工結構施工創造了有利條件，在總工期極短的情況下減少了後續結構施工時較多趕工措施和費用。
2.社會效益
由於新技術新工藝的開發和套用，攻克了軟土地基深水複合基床、大型浮箱沉放、止水帷幕封閉等施工關鍵技術問題，很好地解決了深水複合基床的高精度、鋼浮箱沉放限位控制、閘墩一基床一地基間的施工其穩定和閘首結構永久性止水等一系列技術難題，達到了設計的技術標準，滿足了業主的工期要求。
註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算
套用實例
《浮箱式閘首施工工法》的套用實例如下：
中船長興造船基地一期工程位於長江口深水航道南港南側，北槽分流口的北側，距園沙航道875米。船閘外閘首採用大型浮箱結構兼作施工臨時圍堰和閘首永久結構，並採用樁基加複合基床作為基礎，是截至2009年中國國內最大規模的浮箱閘首結構工程。
浮箱豎向為斷面呈“U”形的鋼殼體結構，浮箱鋼殼體底板上現澆有鋼筋混凝土底板，鋼筋混凝土底板厚度2.0~4.3米。浮箱殼體平面尺寸116.5米x20.5米、高16.8米，浮箱由下游至上游分5個大艙，各艙內又分若干小艙。
浮箱基礎由樁基+複合基床組成。樁基為600毫米鋼筋混凝土預應力大頭方樁，樁頂標高-13.20米，樁尖標高-50.50米，進入⑤3-2層4米；複合基床厚度2.5米，從上至下分別為0.5米厚拋石基床、1.8米厚的C30素混凝土基床和0.2米厚的碎石墊層。
項目組開發的浮箱拖帶沉放過程GPS實時監控軟體系統能正常、有效運行，實時數據顯示在多媒體計算機螢幕上，通過圖形、文字、設備狀態顯示，反映浮箱狀態，指導工程技術人員施工，及時調整浮箱空間姿態。
中船長興一期3號線船閘的浮箱式外閘首於2006年10月30日實現閘首結構封頂，2007年2月14日浮箱開艙、橫拉門開啟，閘船注水成功，自2007年5月22日船閘投入運行以來至2009年已有2年，使用情況良好。
榮譽表彰
2011年9月，中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號，《浮箱式閘首施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。
