程之年 王珊珊 | 美海军朴茨茅斯船厂1号干船坞改造案例分析

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2022年5月5日，美海军朴茨茅斯船厂1号干船坞的高水位停靠区举行开放仪式并正式投入使用，该设施是美海军210亿美元“船厂基础设施优化计划”（SIOP）首批项目之一。

一、项目背景

朴茨茅斯船厂是美国海军拥有的4家船厂之一，位于皮斯卡塔夸河入海口的西斐岛上。该船厂拥有3座干船坞，其中1号干船坞是1942年建成的钢筋混凝土干船坞，最初设计用于支持二战时研制的“白鱼”级柴电动力潜艇，坞长约135.6米，宽约30米，深约9.5米。

美海军优先安排朴茨茅斯船厂1号干船坞进行升级改造主要出于以下几方面考虑。一是该船坞目前用途过于单一，1号干船坞是朴茨茅斯船厂3座干船坞中最浅的一个，坞室底板与外部平均水平面高差仅为7.62米，而现代大型潜艇的满载吃水可能超过9米。因此，该船坞目前仅能为美海军“洛杉矶”级攻击型核潜艇的维修、大修和现代化改造提供服务。二是潜艇的进出坞仅能在“天文大潮”期间，通过加装特殊的浮力辅助水箱才能进行。而浮力辅助水箱需要潜水员在水下进行安装和拆卸，既繁琐又耗时。且一旦浮力水辅助箱安装工作出现延误，则可能因为错过天文大潮时间窗口，导致维修工程拖延数月，例如计划2019年12月14日进坞维修的“圣达菲”号核潜艇，如果当天由于任何原因无法入坞，则在2020年4月前都无法入坞开展维修。三是浮力辅助水箱最初是为“鲟鱼”级核潜艇设计的，经改造后用于“洛杉矶”级核潜艇，该装置与“弗吉尼亚”级核潜艇不兼容且目前已接近使用寿命。

图1 1号干船坞与加装浮力辅助水箱的潜艇截面图

二、方案论证

为提高1号干船坞的使用效率，朴茨茅斯船厂启动了升级改造方案论证工作，备选方案包括：降低船坞底板高度、在船坞外安装提举系统，以及在船坞外新建一个高水位停靠区（英文原文为Super Flood Basin，直译为超级洪泛盆地）。

论证团队最终否定了前两个方案。对于降低船坞底板高度的方案，论证团队评估认为1号干船坞底板大部分是桩支撑并包括横向排水管道。降低干船坞底板会对坞墙产生结构性影响，基本上等同于要拆除和重建整个船坞，整个工期无法分阶段施工，因此在长达2年的时间里船坞无法使用，会对船厂业务和海军舰艇维修产生重大不利影响。对于在船坞外安装提举系统的方案，论证团队评估认为利用机械装置将潜艇抬出水面可能对潜艇艇体结构造成重大损害，且提举系统只能在潮汐高出平均海平面2.13米或更多时才能使用，本质上无法提高船坞的作业效率。

最终胜出的高水位停靠区方案是指在1号干船坞坞口外封闭出一个水池，并通过水泵来提高水池的水位。该方案类似于建设一个通航闸，不同之处在于入口处采用了船坞建设中常见的沉箱代替了通航闸建设中常见的人字型门。其优势在于：首先，工程可分阶段实施，大部分工作不影响船坞的正常使用；其次，高水位停靠区未来可根据需要改造成船坞，为船厂和海军提供额外的维修能力。

图2 高水位停靠区总体方案概念图

三、工程设计

方案确定后需要开展工程设计，重点是确定施工工艺、停靠区水位高度，以及计算相关载荷。

施工工艺：在总体方案确定后，还需要选择停靠区截流墙和入口的施工工艺。船厂、海军和相关利益方举行了一系列协调会，以及为期一周的专家研讨会来确定施工工艺，核心是尽量避免影响1号干船坞计划中的舰艇维修工作，设计团队最终选择了一种结合了蜂窝钢围堰和混凝土预制件入口的施工方案。

水位高度：停靠区水位高度的确定以1号干船坞底板标高为起点。潜艇入坞后需要安放在龙骨墩上，以分散潜艇的干重并保持对准，这些龙骨墩高约0.94米，海军操作规程要求潜艇入坞时需与龙骨墩保持0.31米间隙，海军潜艇停靠时吃水大约8.38米，综合以上条件，设计团队将设计水面高度确定为NAVD88(1988年北美垂直基准)3.1242米，这一水位比平均潮位高出约1.83米。

设计载荷：截流墙需要能够承受停靠区高水位所产生的静水压力。按附近河流水位处于极低潮状态计算，沿墙会产生每英尺44千磅的净倾覆力，总力超过2200万磅。入口采用了大型预制混凝土结构这一在桥梁和水坝建设中常见的施工工艺，这一工艺在最大程度上减少了现场施工耗时，并能满足0.3175公分的严格公差要求。整个预制件由钢筋混凝土制成，长33.5米、高18.6米、宽20.4米，结构中空以提供必要的浮力，漂浮到位后安放在10根2.4米直径的钻孔桩上，钻孔桩相比传统的桩基能承受更大的垂直和水平力。

图3 2021年7月即将安放的入口预制件

（蓝海星：程之年 王珊珊）