超高壓氣囊在大型沉箱出運中的應用與分析

高 翔

(廈門中駿集團有限公司，福建廈門 361006)

0 前言

沉箱出運的傳統(tǒng)方式主要有以下5種:①在場地的臺座上制造，利用滑道出運;②利用干船塢、浮船塢或土塢制造并出運;③在場地上的臺座制造，利用座底浮塢作為運載工具，運載沉箱出運;④在場地上的臺座制造，利用半潛駁作為運載工具，運載沉箱出運;⑤在岸壁臺座上制造，用大噸位起重船吊運。對于選擇何種方式出運，與沉箱結(jié)構(gòu)尺寸及數(shù)量，當?shù)氐淖匀画h(huán)境、水文地質(zhì)條件，能夠取得的設(shè)備和設(shè)施的資源情況以及工期要求等因素有關(guān)，一般需通過經(jīng)濟技術(shù)比較確定。

近幾年隨著港口建設(shè)規(guī)模趨于大型化，大型重力式碼頭單件沉箱重量高達2 000 t左右甚至更高，由于預制場條件等客觀原因的限制，上述5種傳統(tǒng)方法無法完全滿足大型沉箱的出運作業(yè)。自2003年以來，國內(nèi)部分工程采用超高壓氣囊技術(shù)進行大型沉箱出運作業(yè)，取得了較好的效果。筆者將結(jié)合廈門港東渡港區(qū)21#泊位施工中采取的超高壓氣囊方式出運沉箱的施工技術(shù)進行總結(jié)與分析。

1 工程概況及氣囊工作原理

1.1 工程概況

廈門港東渡港區(qū)21#泊位工程水工主體采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共有沉箱11件，外型尺寸:1 750 mm×1 440 mm×17 800 mm，單件自重為2 080 t。由于沉箱重量較大且受到預制場地生產(chǎn)作業(yè)等條件的限制，經(jīng)過調(diào)研周邊類似工程以及嚴謹?shù)姆治黾罢撟C，認為本工程可采用超高壓氣囊方式出運沉箱。

1.2 氣囊工作原理

氣囊出運沉箱的工作原理與滾筒搬運重物的工作原理比較相似，在沉箱底部與地面之間墊若干個氣囊并充氣頂升起沉箱，通過外力牽引沉箱使氣囊向前滾動，從而使沉箱產(chǎn)生移動，達到搬運沉箱的目的。氣囊與地面為面接觸，受力面積大且相對均勻，單位面積受力小，對場地適應性強。出運碼頭前沿設(shè)斜坡段，以使通道與前沿出運碼頭高程銜接。

2 氣囊的主要參數(shù)計算及選型

2.1 氣囊類別、規(guī)格及承載力(表1)

2.2 承載力計算

承載力計算公式:Q=P×S，式中Q為承載力;P為氣囊內(nèi)壓力;S為承載面積之正投影面積。氣囊為柔軟彈性體，在使用過程中其形狀受多種因素影響而改變，承載面積與承載力也相應變化，當沉箱底面和地面處于水平時，壓在構(gòu)件下的氣囊的橫截面呈正扁圓形，氣囊的承載力可參見表1。

2.3 摩擦系數(shù)

因為氣囊在硬質(zhì)地面滾動，故依據(jù)有關(guān)規(guī)范滾動摩擦系數(shù)取f=0.05。

2.4 氣囊的選擇

根據(jù)沉箱出運方向選擇氣囊長度，再確定頂升高度(工作高度)為0.4 m，由此計算承載面積，并按氣囊的允許壓力計算出氣囊所需的最短總長度，最后確定氣囊根數(shù)及擺放位置。氣囊承載面寬度B與氣囊直徑D和氣囊工作高度H有關(guān)，氣囊受壓變形后，其截面可視作由直徑為H的2個半圓和長度為B、H的方型組成。根據(jù)沉箱平面尺寸、底膜工字鋼間距及工作高度要求，本次沉箱平移選擇直徑D=1.0 m，工作高度H=0.4 m的超高壓滾動氣囊。

表1 氣囊主要參數(shù)

氣囊長度:L=L0+2 ×0.866 D=14.4 m+2 ×0.866 ×1 m=16.132 m;

工作高度:H=400 mm;

承載面寬:B=3.141 59(D-H)/2=3.141 59× (1.0 m-0.4 m)/2=0.942 m;

承載面積:S=B×L0=0.942 m ×14.4 m=13.565 m2;

單根氣囊承載力:F=S×P=13.565 m2×0.3 MPa=407 t;

所需氣囊的數(shù)量:N0=K×G/F=1.3×2 080 t/407 t=6.6根≈7根;

因平移轉(zhuǎn)換時實際受力氣囊數(shù)量比正常狀態(tài)少1根，故取N=8根;

氣囊之間的間距:中心間距:2 072 mm;凈間距:730 mm。

2.5 氣囊結(jié)構(gòu)形式

氣囊骨架材料為錦綸簾子布，囊嘴為鋁合金鑄件，氣囊直徑1.0 m、長16.13 m，充氣壓偏后承壓面寬0.942 m、工作高度 0.4 m，8 根(K=1.3，轉(zhuǎn)換時7根)氣囊共搬運一個沉箱。氣囊結(jié)構(gòu)型式及剖面示意圖見圖1。

圖1 高壓氣囊布置圖

2.6 氣囊承載力校核

D=1.0 m，7根氣囊時(轉(zhuǎn)換狀態(tài)):單根承載力 F=2 080 t× 1.3/7=386.3 t，氣囊內(nèi)壓強 P=386.3 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.285 MPa ＜0.30 MPa;D=1.0 m，8 根氣囊時(正常狀態(tài)):單根承載力 F=2 080 t×1.3/8=338.0 t，氣囊內(nèi)壓強 P=338.0 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.249 MPa ＜0.30 MPa。

2.7 氣囊間距校核

氣囊之間的中心距離應保證沉箱的結(jié)構(gòu)強度，同時還應防止氣囊之間壓疊一起，一般用以下公式校核:

3.141 59×D/2-0.5＜L/(N-1)＜6(經(jīng)驗公式)。

L/(N-1)=14 m/(8-1)=2 m均能滿足上式要求。

2.8 氣囊的擺放

根據(jù)沉箱出運的方向擺放，氣囊通長方向垂直于沉箱移動方向，對稱擺放。氣囊擺放見示意圖2。

圖2 沉箱氣囊擺放示意圖(單位:mm)

3 氣囊的牽引系統(tǒng)及充氣系統(tǒng)

3.1 牽引系統(tǒng)

1)氣囊充氣達到工作高度后，卷揚機牽引，氣囊滾動，沉箱移動，由兩臺8 t卷揚機通過滑輪組在沉箱移動的方向兩側(cè)同步牽引。為確保沉箱移動過程中的穩(wěn)定性，在沉箱移動的反方向上采取同樣的牽引系統(tǒng)進行沉箱移動保護。沉箱牽引速度控制在2.5 m/min左右，牽引鋼絲繩的捆綁點距地面1.5 m左右。氣囊牽引力約為沉箱重量的5%，可隨著牽引高度的降低而減少。前沿坡道坡度為1.94%。沉箱牽引及過駁見圖3所示。

圖3 沉箱牽引、過駁示意圖

2)預制廠3#出運碼頭，沉箱下滑力和卷揚機鋼絲繩的牽引力按下式計算:

下滑力Fc=G×sin a-u×G×cos a-G/g×V/T式中a為坡道傾角;u為坡道摩擦系數(shù);V為移動速度;T為剎車時間。

牽引力F≥K×Fc/Nc×cos b

式中K為安全系數(shù)取1.2;Nc為鋼絲繩道數(shù)，b為牽引鋼絲繩與坡道之夾角。

反拉卷揚機牽引力按下式計算:Fd=G×sin a+u×G×cos a(a為坡道傾角)。

3.2 供氣系統(tǒng)

根據(jù)氣囊的總?cè)萘亢统錃獾臅r間以及壓力要求，選擇采用DVY—6/7型空壓機對氣囊供氣，同時空氣壓縮機儲氣罐安裝可調(diào)節(jié)的限壓閥，在充氣時用多只氣囊同時聯(lián)合工作，有分配閥箱，使各只氣囊同時充氣。

4 超高壓氣囊出運沉箱主要程序

1)出運前準備。

沉箱預制底模采用活動式，底模離地440 mm:其中地坪底模140 mm，工字鋼底模為(280+18+2)mm=300 mm。當沉箱混凝土強度達設(shè)計要求后，拆除底模外框架，清除底模隔倉內(nèi)的填砂，安放氣囊，氣囊充氣，頂升沉箱離地30 cm左右，用枕木四周加固好沉箱，拆除沉箱底模框架，作沉箱出運的準備工作。

2)檢查供氣系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)，清掃出運通道及檢查清理沉箱底部的尖銳物。

3)在沉箱底部放入氣囊，排列整齊且相互平行，連結(jié)供氣管道，連結(jié)牽引系。

4)啟動空壓機同時向各個氣囊供氣，當充氣壓力達到預定頂升壓力的80%時，停止供氣。檢查所有氣囊的壓力是否一致，不一致時可向單個氣囊供氣，使壓力基本一致，然后繼續(xù)充氣，直至沉箱離開支承枕木。將氣囊的進閥關(guān)閉，停止供氣。拆除支承枕木。

5)拆除所有的聯(lián)接膠管，打開各個氣囊的排氣閥，進行緩慢放氣。當氣囊的高度降至出運高度時，關(guān)閉排氣閥，并檢查調(diào)整各氣囊的壓力基本一致。

6)在專業(yè)技術(shù)人員的統(tǒng)一指揮下，啟動卷揚機，拉動沉箱緩慢向前移動。當沉箱前面空出一個氣囊的間距時，停止牽引，擺入氣囊，并充氣到預定壓力后再重新牽引。當后面的氣囊快要離開沉箱時，打開排氣閥排氣，并運送到沉箱前面預定位備用。重復以上步驟，直到將沉箱移到預定位置。

7)當沉箱移動到預定位置后，停止牽引。在沉箱底部墊上支承枕木，然后所有的氣囊排氣，沉箱平穩(wěn)地落在支承枕木上。支撐墊木布設(shè)見圖4。

圖4 支撐墊木擺放示意圖(單位:mm)

5 安全保障措施

1)氣囊在沉箱底下盡量單排排放，氣囊軸向中心線應垂直于移動方向，氣囊伸出沉箱側(cè)邊不宜過長。

2)移動沉箱時，高壓氣囊的工作高度盡量降低，因為本工程使用超高壓氣囊，在保證突出體不著地的前提下，故其工作高度不超過氣囊直徑的40%。

3)卷揚機鋼絲繩必須有足夠的強度，并在出運的過程中對其進行定期的檢查、更換，卷揚機操作工必須持證上崗，在沉箱移動過程中，氣囊應不斷填入，必要時可停車填入，停車必須緩慢，以減少因突然停車對鋼絲繩的較大沖擊力。

4)拆除支撐墊木時，在同一斷面上先拆中間部分支撐物，后向兩端拆除，拆除最后一只支撐物時，操作人員應在側(cè)面工作，嚴禁人員進入沉箱底部，在最靠外側(cè)處應安放部分易搬動的支撐物，待移沉箱前最后時刻拆除。

5)操作人員必須了解氣囊的使用性能，充氣操作人員必須站在氣囊的側(cè)面。

6)氣囊使用完畢及時收回，清理表面污垢，檢查損傷情況，及時修補，氣囊應保持干燥，氣囊內(nèi)若進水，必須排水保持干燥，若一段時間內(nèi)不用，應將氣囊內(nèi)外涂上滑石粉，攤平擺放。

6 分析與總結(jié)

21#泊位工程經(jīng)采用超高壓氣囊出運沉箱，避免了傳統(tǒng)施工工藝的不足，克服了預制場地小等不利因素，經(jīng)合理規(guī)劃、精心組織，最終保質(zhì)保量的完成了沉箱出運施工任務，由此也進一步證明了超高壓氣囊出運沉箱工藝的先進性，且非常適合類似工程施工中推廣。

由21#泊位的施工可以總結(jié)出超高壓氣囊出運沉箱的幾個主要優(yōu)點:

1)成本低，工期短，且氣囊對預制場地適用性強，不需要特別專業(yè)的預制場地，降低了場地處理費用和相關(guān)設(shè)施配套設(shè)施費用。

2)氣囊承載力大、耗能小，且操作簡單、安全系數(shù)高，只需要充氣、頂升、開啟牽引系統(tǒng)等即可實現(xiàn)沉箱的移動;氣囊是彈性體，其受力變形的緩沖作用能夠保證沉箱出運過程的安全。

3)氣囊可以按照沉箱規(guī)格、重量的不同按需定制，氣囊可以修補和反復使用，使用壽命長。