在上海软土地区的船坞设计中常用结构形式有前板桩后拉锚式、前板桩高桩承台式及前板桩低桩扶壁式等^[1-5].前板桩后拉锚式结构轻巧施工便捷,但占地大,且整体刚度较小导致墙体变形略大,在对位移控制有较高要求时难以满足船坞使用和保护临近建筑物的需求.前板桩高桩承台式结构变形小,但长斜桩的设计使其对打桩设备要求较高且经济性略差.前板桩低桩扶壁式施工期占地范围大、基坑挖深深.上海船厂1#船坞面临施工场地狭小、周边保护建筑物多、陆上打桩设备打斜桩技术能力有限的难题,为解决这些难题,创新性地设计了前板桩宽承台减载式高桩梁板式坞墙结构.这是该结构在国内首次运用,它通过减载设计使得同等条件下其斜桩数量与长度均小于普通前板桩斜桩式结构,降低对打桩设备的要求.同时,该结构具有良好的经济性,坞墙每延米造价在8~9万元,较常用的前板桩后拉锚式、前板桩高桩承台式、前板桩低桩扶壁式坞墙结构可节省造价投资约15%~30%.其减载设计主要通过坞墙墙后减压排水系统与削坡的设置实现.减压排水系统主要通过排除地下水的方式降低地下水位,从而消除或减小地下水压力的作用.其作用如果要正常发挥需要有稳定的倒滤层且保持排水通道畅通.然而1#船坞已久弃不用且未做正常维护,难以维持这两项基本条件.墙后地下水位上升导致坞墙受力增大,对结构的安全造成不利影响.因此,若要对该船坞再利用,需计算评估其安全性是否能满足.以2022年度“长江口二号”古船整体迁移与保护项目依托,计算打捞船进、出1#坞以及后期利用该船坞建设古船博物馆时坞墙结构可能遇到的荷载工况,分析评估其坞墙结构安全性能,提出有关坞墙结构安全的合理建议,保障古船保护项目顺利实施.

上海船厂浦西分厂始建于1929年,距今已有近百年历史.如图1所示,1#与2#船坞位于杨浦滨江,并列布置于黄浦江北岸,是国内首座采用前板桩宽承台减载式高桩梁板式船坞.2014年船厂全部搬迁后,船坞一直处于闲置状态.目前1#船坞周边环境比较复杂,现有重要建构筑物包括北侧的中交集团办公大楼,西侧的麻毛仓库;拟建建筑包括东侧的字节公司大楼、北侧的天章路.2022年随着“长江口二号”古船的打捞与保护,1#船坞作为古船整体迁移的驻地而被重新启用,进而需评估打捞船进、出坞与船坞后期使用时可能存在的坞墙结构安全问题,并需兼顾对周边环境影响.

图1中1#船坞纵向长205 m,横向宽36 m,坞深约10.4 m.2#号船坞原长262 m(现已截断),宽44 m,船坞深10.9 m,2座船坞之间的坞墙共用.1# 与2#船坞结构总剖面图如图2所示,坞墙采用前板桩宽承台减载式高桩梁板式结构,中间坞墙结构两坞共用,高桩承台由上部纵向体系的面板及纵向梁系(廊道、吊车梁、纵梁、帽梁)和横向的横梁及排架结构组成.图中三角符号引出的标高单位为m,“厚”表示mm.排架纵向间距一般为4 m,每个排架由横梁、钢板桩及钢筋砼斜桩组成,斜桩的斜度 6∶1.

如图2(b)所示,板桩后减压排水结构由削坡块石护面、排水明沟、排水暗管、单向阀等结构组成.削坡块石护面的坡度为1∶2~1∶2.5,下铺设碎石混合反滤层,使地下水渗流至墙后排水沟.排水沟底每隔15 m设旋启式衬胶止回阀,止回阀排水管穿过钢板桩将水引至坞室底板两侧的纵向排水沟,最终汇集到水泵房由水泵抽排出去.根据文献[6],1#船坞墙采用上述削坡和减压排水措施后,相比一般前板桩高桩承台坞墙结构设计能够大幅降低坞墙后的水土侧压力.然而1#船坞由于闲置多年,缺少必要的维护,坞墙背后的减压排水系统已部分失效.因此若重新启用,从安全的角度出发需要对其受力工况进行计算评估.

根据1#船坞第三方检测评估报告内容,船坞的现状总结如下(见图3):

(1) 整体外观基本完好.

(2) 部分坞墙承台底部减压排水结构内排水设备堵塞,坞墙背后严重积水,积水已淹没横梁底部,最深处水深达 2 m.经观察,水面比较稳定,未随黄浦江潮位出现起伏,水体澄清透彻,推测积水应为长期雨水和地下水汇集而成.

(3) 坞墙混凝土结构外观基本完好,未发现大面积破损、露筋、断裂等影响结构安全的缺陷,外走廊边缘存在多处混凝土破损,少部分横梁存在细小裂缝.

(4) 钢板桩表面防腐涂层普遍出现剥落,附着力降低,钢板桩普遍存在不同程度腐蚀.

(5) 钢板桩接缝处多处出现渗漏水.

(6) 船坞坞墙主要结构混凝土构件劣化度均为B级或A级,船坞坞墙钢板桩劣化度均为B级或C级.

根据1#船坞现场调研与检测的结果,第三方评估单位建议措施有:

(1) 钢板桩原有防腐涂层附着力基本失效,建议原有涂层全部清除后,对钢板桩进行全面除锈,重新实施有效的防腐涂层体系.

(2) 坞墙承台底部空腔内积水不但会腐蚀钢板桩,同时亦可增加坞墙水平压力,建议抽干空腔内积水,对坞墙内排水设施进行疏通和维修,保持承台空腔排水畅通.

(3) 建议后续使用中,对船坞结构进行必要的定期检查和结构监测.

根据第三方检测的结论,从船坞安全角度考虑,1#船坞如再利用需对坞墙及排架结构受力分析进行验算与评估.船坞如重新启用,相比原设计使用工况,新增荷载主要来自减压排水失效而产生的水压力,而坞墙结构中承受水平力的主要构件为桩基与坞墙钢板桩.下面对排架体系中桩基受力进行验算与分析.

由于坞墙背后减压排水系统已部分失效,坞墙再利用时新增荷载主要来自墙后新增的水压力.为说明计算工况,这里首先对比以下3种情况下坞墙墙后水压力的大小:①原设计工况减压排水正常使用时,坞墙墙后水位标高为-0.5 m;②现状条件坞墙墙后水位在横梁下,水位标高为1.5 m,由于坞墙钢板桩接缝处漏水,水位没有持续升高;③钢板桩接缝处的渗漏修复而减压排水系统没有修复时,在长期使用中坞墙墙后可能遇到水位标高4.2 m的高水位情况.3种情况下的墙后侧向土压力基本一致(地下水水位升降对侧向土压力影响较小),不同的是水压力因水位升降存在较大差异.图4为3种情况下水压力的分布.图中:E₁为原设计的水压力分布;E₂为现状的水压力分布;E₃为长期使用可遇的水压力分布.以情况1原设计水压力为基准,则情况2与情况3水压力分别增加427.8 kN/m与821.1 kN/m,分别新增51.4%与98.7%.新增荷载比例与绝对值均较大,因此验算现状与长期使用下坞墙结构受力是有必要的.

注意到1#与2#船坞在结构上并列,受力传力相互关联,因此建模时将两个船坞都考虑进模型.为了分析船坞结构的受力和变形特性,分别采用ANSYS与PLAXIS 2D进行计算分析^[7⇓⇓-10].取船坞结构的一榀排架通过荷载结构法建立ANSYS三维有限元模型(见图5)计算其桩基轴力;考虑结构与土相互作用,通过PLAXIS 2D计算得到桩基位移.荷载结构法计算的桩基受力偏安全,而用PLAXIS计算的位移则更精确^[11-12].

计算采用的各土层参数由工程勘察报告提供,其中主要参数如表1所示.在ANSYS模型中,根据《 水运工程混凝土结构设计规范》(JTS 151-2011)计算船坞排架结构的水土压力并加载到模型上.在PLAXIS中土体选用HSS模型,对船坞结构适当简化,用板单元模拟船坞坞墙的钢板桩及船坞底板、坞墙廊道纵横梁等,用Embedded桩单元模拟廊道下、船坞底板下各种斜桩与竖桩,最后划分网格,其模型如图6所示.

根据新增荷载的分析,考虑打捞船进、出坞的短期使用与船坞今后长期使用的可能遇到荷载情况,这里计算如下4种工况:①船坞坞墙减压排水部分失效现状下,打捞船进坞时1#坞室内注水至2.6 m标高;②打捞船出坞后,1#船坞坞室再抽干;③考虑1#坞长期使用而减压排水系统完全失效(钢板桩接缝处漏水均修复),地下水可能遇到设计高水位4.2 m;④在工况3的情况下,考虑钢板桩因钢材锈蚀导致刚度折减30%.通常情况下钢板桩腐蚀后变形会增大,内力会重分布并转移至坞墙后的桩基上.1#船坞2001建成投产至今22年,按《水运工程结构耐久性设计标准》(JTS153-2015)相关公式计算,只需再经历18年,腐蚀就导致钢板桩刚度平均折减30%.

据文献[6],1#与2#船坞首次在国内采用前板桩宽承台减载式高桩梁板式结构.由于采用削坡和减压排水的设计,大大减小了结构承受的侧向水土压力,所以这种结构比起前板桩高桩承台结构和前板桩拉锚结构在控制水平位移方面有突出优势.目前1#船坞坞墙后的减压排水已经部分失效,但该结构的受力模式仍然没有变化,斜桩仍为承受水平荷载的主要构件,首先需复核各工况下斜桩抗拔承载力是否满足设计要求.根据《建筑桩基技术规范》JGJ 94—2008及地勘报告,计算的斜桩抗拔承载力设计值如表2所示,单桩的抗拔承载力设计值为830.5 kN,单桩抗压承载力设计值为 2054.3 kN.其次需考虑坞墙结构位移是否满足文保10 mm新增侧移限值的要求.本节分析横梁桩基受力与位移情况,计算上述4个工况下桩基的位移及内力结果.

首先分析桩基的受力,前述各工况下的坞墙左、右两侧横梁下桩基受力计算结果如表2所示.表中:空白表示不适用.由表可知:1#船坞左、右横梁下的竖桩基本为轴向受压构件,其轴向压力最大值在4种工况中都没有超过桩基抗压承载力设计值.左侧横梁的斜桩主要承受水平荷载因而承受拉状态,其中工况4的拉力最大值为 1081 kN,超过了设计限值830 kN;而工况3的斜桩轴向最大拉力值为 1040 kN,也超过了设计限值.对比来看,1#船坞左、右两侧桩基的受力特点差异较大.左侧桩基斜桩为抵抗侧向水土压力的主要构件,由于设置了并列船坞,中间坞墙排架结构两坞共用,其横梁下桩基以承受竖向压力为主,水平力由坞墙结构整体分担,桩基承受较小的水平力.工况1、2的壁后水压力略大于原设计使用阶段水压力,其对应的桩基轴力均小于限值,坞墙结构处于安全状态;而工况3、4水压力超原设计使用阶段水压力较多时,其对应桩基轴力均超过限值,证明了原设计减压排水设置的合理性.

然后分析桩基位移,前述各工况下的船坞桩基侧位移统计表如表3所示.对比各工况可知,当向1#船坞注水时,横梁下桩基的新增位移朝向坞室外;反之当坞室抽干且地下水位上升时,横梁下桩的新增位移朝向坞室内.其中以工况4的桩基新增侧位移最大,最大新增侧位移值为 9.858 mm.而工况1中,打捞船进坞时,1#坞室注水至2.6 m标高,桩基的最大新增位移6.151 mm,最大侧移对应的是中间坞墙横梁的竖桩.工况2的桩基新增侧位移仅为 0.1143 mm.位移分析的结果表明,打捞船进坞与出坞的两个临时工况(工况1与工况2)引起的桩基新增侧移均小于限值,因此对坞墙结构无需采取加固措施;而长期工况(工况3与工况4)桩基的新增侧位移接近文保要求的限值,尤其工况4的桩基新增侧位移值最大值为9.858 mm.

从受力和变形两个方面讨论1#船坞的安全性问题.由于1#与2#船坞本身被列入上海市文保建筑,所以对船坞新增结构变形需限制在10 mm以内;而结构受力则不应超过设计限值.

根据第4.2节计算分析的结果,工况1、2属于打捞船进、出坞的短期工况;工况3、4属于后期古船文物挖掘保护及船坞今后长期使用的工况.

对于短期安全性评估,工况1、2的桩基位移及内力都在限值范围内,因此从打捞船进出坞无需对坞墙结构进行任何加固措施即可满足施工要求.

对于长期安全性评估,在结构变形方面,工况3、4的计算结果表明,当遭遇4.2 m高地下水位的作用时,坞墙背后减压排水完全失效模式下,横梁下桩基的侧移最大值达 8.491 mm.如果再考虑钢板桩因为钢材腐蚀导致30%的刚度折损,则桩基的侧移进一步发展,水平侧移值为 9.858 mm,十分接近超过文保单位限定的10 mm限制,不排除此工况下其余结构比如坞墙位移可能超过该限值.工况3、4中桩基最大轴向拉力分别为 1040、1081 kN,均超过设计的桩基抗拔承载力限值. 说明在船坞长期使用时,若遭遇4.2 m高地下水位作用,桩基的承载力将超限值,坞墙结构安全无法保障,而维持坞墙墙后现状水位或低于现状水位都是安全的.

对于老旧船坞的再利用通常需对其现状进行详细的调研与检测,评估其工作状态,根据再利用过程中船坞的荷载条件,进行分析计算,评估其短期工况与长期工况下的工作性能,再给出合理的建议、措施及投资分析.依托2022年度“长江口二号”古船整体迁移与保护项目,对某废弃减压排水坞墙结构再利用进行分析评估发现:

(1) 船坞原坞墙结构设计受力合理,横梁下斜桩主要承受水平荷载,通过减压排水系统的设计能够大幅减小坞墙墙后的水压力.

(2) 坞墙壁后减压排水系统部分失效后再利用时,坞墙壁后荷载增量主要来自壁后未疏干的水压力.因此需对再利用过程中坞墙可能遇到的短期与长期荷载工况进行计算分析.

(3) 计算分析发现对于1#船坞,打捞船进、出坞等短期工况其受力和变形均不超限值,因此可以不考虑临时加固措施.这意味着打捞船进、出1#船坞可以节约工期和成本.

(4) 在长期工况中若遇到设计高水位,坞墙桩基的抗拔承载力会超限值,且变形也接近限值.因此若今后长期使用1#船坞,为保障船坞结构的安全性与耐久性并减轻对周边环境的影响,应结合今后对船坞再利用的情况,采取合理措施保障坞墙壁后排水通道畅通,使地下水位维持在横梁底面以下标高.