沉箱現(xiàn)場預(yù)制及出運施工技術(shù)

■徐忠軍(廈門港口開發(fā)建設(shè)有限公司，廈門　361012）

沉箱現(xiàn)場預(yù)制及出運施工技術(shù)

■徐忠軍
(廈門港口開發(fā)建設(shè)有限公司，廈門361012）

摘要本文以潮州港擴(kuò)建貨運碼頭工程(復(fù)工）為例，系統(tǒng)介紹沉箱現(xiàn)場預(yù)制場地及出運設(shè)計，現(xiàn)場沉箱預(yù)制及出運施工技術(shù)要點，并重點針對利用老碼頭作為出運碼頭的加固改造技術(shù)及沉箱預(yù)制活動底胎模的新工藝進(jìn)行分析、探討，旨在為今后類似工程提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞沉箱現(xiàn)場預(yù)制出運設(shè)計活動底胎模新工藝

1　引言

隨著我國水路運輸業(yè)務(wù)的快速發(fā)展以及靠泊碼頭的運輸船舶越來越向大型化方向發(fā)展的趨勢，對港口建設(shè)需求也提出了更高的要求，新建港口泊位也必須同步發(fā)展為深水泊位，同時對于已建大量的老碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，以滿足現(xiàn)行船舶大型化的靠泊需求。而對于重力式沉箱結(jié)構(gòu)的碼頭型式，要求沉箱預(yù)制逐漸向高、大方向發(fā)展，沉箱重量也從最初的幾十噸發(fā)展到上萬噸，沉箱的預(yù)制、出運、安裝工藝以及出運、安裝施工設(shè)備能力也要不斷地提高。

2　工程概況

本工程位于潮州市饒平縣南面的拓林灣三百門水道西北側(cè)沿岸，建設(shè)岸線長度351m，因建設(shè)資金問題于2005年起處于停工狀態(tài)，建設(shè)期間完成碼頭西側(cè)22塊空心方塊(方塊分上下兩層，上層無底方塊單塊重90t，下層帶前后址有底方塊重175t）及其上部卸荷板的安裝以及西側(cè)28m段砼胸墻(胸墻頂標(biāo)高+5.45m），形成岸線長度126.5m，其西側(cè)相鄰為已經(jīng)建成的戰(zhàn)備碼頭。2013年工程復(fù)工建設(shè)，復(fù)工新建段將原設(shè)計的空心方塊變更為大沉箱結(jié)構(gòu)型式，大沉箱共13件，沉箱重1300t，長18.61m、寬11.2m、高12.85m，倉格數(shù)量8個、尺寸4.61m×4.25m。

3　現(xiàn)場預(yù)制場設(shè)計

本工程在招投標(biāo)期間考慮將預(yù)制場選擇在水上距離現(xiàn)場約20km的潮洲亞太碼頭附近，該預(yù)制場有預(yù)制、出運重約2400t沉箱的成功經(jīng)驗，目前已廢棄多年。工程開工后對該預(yù)制場實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預(yù)制場恢復(fù)生產(chǎn)周期較長，20km海上沉箱拖帶運輸需穿越大范圍的海上養(yǎng)殖區(qū)且運輸水道水深不足，同時在預(yù)制及出運期間對附近潮洲亞太碼頭生產(chǎn)作業(yè)及營運安全將產(chǎn)生一定的影響。而本工程西側(cè)已建成的40m岸線長度的戰(zhàn)備碼頭后方目前基本處于閑置狀態(tài)，通過戰(zhàn)備碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算，并根據(jù)預(yù)制場地質(zhì)勘察資料等相關(guān)資料驗算，戰(zhàn)備碼頭后方可作為沉箱現(xiàn)場預(yù)制場詳見圖1。

圖1　潮州項目沉箱預(yù)制場平面布置圖

同時考慮將沉箱出運碼頭安排在已安裝22塊空心方塊的老碼頭段，通過對已建126.5m西側(cè)28m段結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計算，出運碼頭的抗傾、抗滑及地基承載力均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，但空心方塊結(jié)構(gòu)底板強度達(dá)不到要求，必須先行對沉箱出運碼頭段空心方塊底板進(jìn)行注漿加固，注漿厚度按1.2m考慮，經(jīng)驗算注漿后底板強度能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；根據(jù)對空心方塊上部已安裝的卸荷板內(nèi)力及配筋計算結(jié)果顯示，原卸荷板懸臂端強度略低，不能滿足大沉箱出運的要求，需對沉箱出運碼頭段卸荷板進(jìn)行局部加固改造，即對原卸荷板進(jìn)行植筋后在其表面現(xiàn)澆一層厚度不低于300mm的鋼筋混凝土，以增加卸荷板斷面高度，改造后卸荷板強度可滿足使用。詳見圖2。

圖2　出運碼頭及通道斷面圖

3.1沉箱預(yù)制區(qū)相關(guān)設(shè)施的配備

預(yù)制場實施前對擬規(guī)劃使用范圍地質(zhì)進(jìn)行布孔勘察，探明地層分布情況及巖土物理力學(xué)指標(biāo)，地質(zhì)勘察報告顯示，碼頭后方面層結(jié)構(gòu)層以下有5～7m回填砂層，下臥層軟弱土層僅1～2m，屬地質(zhì)條件較好場地，場地可使用面積約7500m2。

(1）根據(jù)預(yù)制場及出運碼頭的總平面布置，首先將戰(zhàn)備碼頭后方由原標(biāo)高+5.45m開挖至標(biāo)高+3.4m，后采用裝載機對擬建場地進(jìn)行場平處理，使用20t壓路機碾壓，壓實度不小于94%。場地平整完畢之后進(jìn)行龍門吊軌道基礎(chǔ)、沉箱底模位置等測量放線，再進(jìn)行門吊軌道梁和沉箱底?；A(chǔ)的開挖、換填和鋼筋砼澆筑。

(2）沉箱底模：為滿足沉箱預(yù)制、安裝總體進(jìn)度要求，現(xiàn)場擬布置4個底模，底模長20.61m、寬13.2m。底模底部換填50cm小塊石并充填密實后，采用20t振動碾碾壓，上面澆筑10cm砼墊層和30cm厚C30鋼筋砼連續(xù)板,鋼筋采用雙向布置，平行于長邊方向上下層主筋采用Φ16，平行于短邊鋼筋采用Φ14，鋼筋間距均為20cm。

(3）軌道梁基礎(chǔ)：本工程沉箱預(yù)制，采用2臺20t龍門吊完成模板的拆裝、材料轉(zhuǎn)移等工作。為防止轉(zhuǎn)移構(gòu)件過程中地基發(fā)生不均勻沉降，軌道基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土軌道梁結(jié)構(gòu)，單條軌道梁長約74m，單段按12m考慮，段與段間設(shè)置2cm分縫。在軌道兩側(cè)設(shè)6個防風(fēng)地錨，用于龍門吊防臺風(fēng)、防強風(fēng)。軌道梁頂標(biāo)高為+3.8m，2條軌道中對中跨度為24m。軌道梁基礎(chǔ)斷面圖如圖3所示：

圖3　軌道梁中間斷面示意圖

3.2地垅牛設(shè)置

為滿足沉箱縱、橫移動受力的需要，現(xiàn)場擬布置19個地垅，地垅尺寸為2m×2m×2.5m，單個地垅混凝土用量為10m3。采用C20混凝土，中間預(yù)埋扣環(huán)。地垅承受力包括自重、被動土壓力、與周邊粘結(jié)摩擦力等。設(shè)計前主要針對沉箱出運牽引力、地垅穩(wěn)定性、地?？郗h(huán)受力等進(jìn)行驗算。

3.3沉箱出運通道及出運碼頭

沉箱出運通道擬設(shè)置在堆存區(qū)前端，寬28m，長30m，高程為+3.4m～+3.9m，坡比為1∶60。出運通道外側(cè)加寬10m，作為出運施工時人員和車輛的通行道路。

在出運通道南端設(shè)置出運碼頭，出運采用中交某局的半潛駁，該船型深4m，全長45m，全寬39m，型寬33m，內(nèi)寬27m，空載吃水1.6m，滿載吃水3.1m，舉力約3000t (見圖4)。按此半潛駁相關(guān)參數(shù)對出運碼頭進(jìn)行設(shè)計，原碼頭面高程為5.45m，為最大限度滿足每月沉箱可上半潛駁的作業(yè)天數(shù)，需人工對已建的28m段胸墻砼進(jìn)行鑿除降至設(shè)計頂高程+3.4m，擱置平臺斷面尺寸寬×高為1.2m×1.2m。

圖4　沉箱平移上半潛駁示意圖

4　沉箱預(yù)制、出運

4.1沉箱底胎模設(shè)計

以往大多數(shù)工程沉箱的預(yù)制施工，其底胎膜結(jié)構(gòu)大多分為二層：下層為原地面碾壓后澆筑的砼結(jié)構(gòu)；上層由工字鋼、槽鋼對鎖成一封閉框架式充砂底胎膜(圖5），框架之間隔倉數(shù)按照平移沉箱所需氣囊條數(shù)確定，隔倉內(nèi)填滿中粗砂，并灌水使其密實，面鋪膠合板及纖維板。待預(yù)制沉箱的砼強度達(dá)設(shè)計要求后，掏空隔倉內(nèi)的填砂，穿入氣囊頂升沉箱，撤除工字鋼，平移出運沉箱。

圖5　充砂底胎膜

圖6　脫模臺車結(jié)構(gòu)圖

為滿足現(xiàn)場文明施工要求、減少工人勞動強度、加快沉箱出運速度，本工程擬采用活動底胎模，替代傳統(tǒng)的充砂底胎模。用雙排25H型鋼代替雙排25#槽鋼，用可升降的脫模臺車代替充砂，單個標(biāo)準(zhǔn)件脫模臺車尺寸為1.7m×3m，高0.25m，重約0.8t，現(xiàn)場可根據(jù)實際沉箱長度配置脫模臺車，兩個脫模臺車之間傳動軸通過套筒連接，鋼材通過螺栓連接，鋼板水平度可以通過可調(diào)螺母來調(diào)整。通過專用板手旋轉(zhuǎn)傳動軸，蝸桿帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺桿的上升和下降帶動鋼板上升和下降。在正常高0.25m的基礎(chǔ)往上最大能上升1cm，往下能下降3cm，可升降的最大行程為4cm。本工程擬布設(shè)2套活動底模，共需64套1.7m×3m標(biāo)準(zhǔn)件脫模臺車。單個脫模臺車的結(jié)構(gòu)如圖6：

4.2活動底胎模鋪設(shè)

本工程沉箱預(yù)制采用活動底胎模，場地澆筑30cm厚的鋼筋混凝土作為活動底胎?；A(chǔ)，澆筑完成后混凝土面最大高差控制在5mm以內(nèi)。在混凝土基礎(chǔ)上沿沉箱長度方向鋪設(shè)9組25H型鋼(2根焊拼為一組），形成8個槽位，一個槽位內(nèi)鋪設(shè)4個1.7m×3m標(biāo)準(zhǔn)件脫模臺車，全部脫模臺車鋪設(shè)完成后，對整個底模清理干凈再涂刷一層脫模劑，然后鋪一層3mm厚纖維板。

4.3活動底胎模拆除

沉箱底層澆筑完成7～10d，待混凝土強度達(dá)到75%后再拆除活動底模，澆筑底層時多預(yù)留1～2組試塊進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，活動底模拆除前先對預(yù)留的試塊進(jìn)行試壓，達(dá)到強度要求后再拆除活動底模?；顒拥啄２鸪龝r，采用板手旋轉(zhuǎn)傳動軸，蝸桿帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動螺桿上升，螺桿通過開孔處，頂上上部的H型鋼產(chǎn)生一個向下的力實現(xiàn)脫模，在這個過程中人工適當(dāng)敲擊鋼板進(jìn)行輔助，以便能更順利脫模。脫模后，臺車下面的輪子會座落在H型鋼內(nèi)，人工或卷揚機拉動臺車，移出臺車。

4.4沉箱底層及標(biāo)準(zhǔn)層模版設(shè)計

本工程沉箱結(jié)構(gòu)尺寸基本一致，外模板設(shè)計共分4層，底層模板高2.4m，標(biāo)準(zhǔn)層模板高3.5m?？紤]到預(yù)制進(jìn)度、材料周轉(zhuǎn)及成本，設(shè)計制作底層內(nèi)芯模1套，標(biāo)準(zhǔn)層內(nèi)芯模1.5套。外膜分層及各層模版高度如表1：

表1　外膜分層及各層模版高度表

模板在沉箱預(yù)制場已澆筑完成的砼胎模上現(xiàn)場加工，現(xiàn)場配備1臺20t龍門吊，一臺50t履帶吊起重設(shè)備。

4.4.1底層模板

外模共分4片，配板采用鋼板板面加橫豎肋、橫圍囹、豎桁架，為保證模板上口平直，外模上口設(shè)水平桁架一道。芯模板面采用鋼板板面，底腳用δ6鋼板焊成帶壓腳板的異型模板，上下各設(shè)一道水平桁架。

外模底腳通過預(yù)埋孔固定，內(nèi)模底腳通過對拉件固定，內(nèi)外模之間上口通過拉桿對拉。前趾部分板面采用組合鋼模板和δ5鋼板做成的異型板連成一體。外模板直接支立在混凝土底胎模上，在底板主筋上豎向焊接長度10cm鋼筋頭以支撐整體內(nèi)模，詳見底層模板支立剖面示意圖(圖7）。

圖7　底層模板支立剖面示意圖

4.4.2標(biāo)準(zhǔn)層模板

外模與底層對應(yīng)也分4片，采用定型組合鋼模板豎排板，橫圍囹、豎桁架結(jié)構(gòu)，并設(shè)有上、下操作平臺和欄桿，內(nèi)外模以及內(nèi)模之間上口通過拉桿對拉。外模底腳通過拉桿和底層澆筑時所預(yù)埋螺母緊固，底平臺也是通過預(yù)埋螺母固定。

標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)模采用定型組合鋼模板橫排、豎桁架結(jié)構(gòu)，整個內(nèi)模由四片配板、角模板和木閘板以及吊裝架組成。四片內(nèi)模通過吊裝架連接成一個整體，整體支拆。內(nèi)模上口設(shè)水平桁架，上面鋪δ3鋼板作為操作平臺。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)模支承方式采用縱、橫各2條12號雙排槽鋼作為托架支承，支承端頭采用8號雙排槽鋼插入預(yù)留在沉箱壁上插孔，插入深度不少于8cm，且兩槽鋼之間要有限位裝置。

4.5沉箱砼澆筑

沉箱砼澆筑采用地泵泵送工藝?；炷劣涩F(xiàn)場自建的攪拌站(HZS90）集中攪拌，3輛8m3攪拌車運輸，再由地泵泵送入模，人工配合調(diào)整出料管角度和位置，澆筑入模。

砼澆筑采用水平分層澆筑法，分層厚度不大于50cm；澆筑底板時按先隔倉后前趾，前趾混凝土澆筑振搗后停止供灰約0.5h后再開始墻體混凝土澆筑，防止內(nèi)隔倉出現(xiàn)反漿；澆筑標(biāo)準(zhǔn)層墻體時按先外墻后隔墻的順序進(jìn)行澆筑。

4.6沉箱出運

沉箱出坑采用超高壓氣囊滾動平移出運。氣囊搬運是在沉箱的底部放置若干條圓柱形超高壓膠囊，膠囊充氣后將沉箱頂起，取出活動底胎模和工字鋼，卷揚機牽引，氣囊滾動使沉箱產(chǎn)生水平移動。沉箱上駁后，沉箱底板四周用方木墊住，抽出氣囊。拖輪將半潛駁運到現(xiàn)場下潛坑下沉，下沉過程中對沉箱隔艙計算要求加壓艙水，使沉箱達(dá)到浮游穩(wěn)定要求，當(dāng)沉箱能自由穩(wěn)定地漂浮在水中時，采用起重船將其吊離半潛駁至安裝區(qū)域安裝就位。詳見圖8。

圖8　沉箱上半潛駁圖

5　結(jié)束語

本文以潮州港擴(kuò)建貨運碼頭工程(復(fù)工）為例，系統(tǒng)介紹了沉箱現(xiàn)場預(yù)制場地及出運碼頭設(shè)計，現(xiàn)場沉箱預(yù)制、出運等施工技術(shù)要點，并重點針對利用老碼頭作為出運碼頭的加固改造技術(shù)及沉箱預(yù)制活動底胎模的新工藝進(jìn)行了分析。總結(jié)如下：

(1）利用老碼頭作為出運碼頭的加固改造技術(shù)時，應(yīng)對舊碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗傾抗滑穩(wěn)定性驗算、基床及地基承載力以及構(gòu)件強度的復(fù)核驗算，如不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，應(yīng)對其構(gòu)件進(jìn)行加固改造。

(2）沉箱底胎膜近年來工程上均采用充砂底胎模的工藝，但在進(jìn)行拆卸填砂底模時往往用高壓水槍沖出填砂，清砂時也要盡量對稱進(jìn)行，確保沉箱底板基礎(chǔ)受力均勻，同時沖砂時會造成施工現(xiàn)場污水橫流，污染周邊環(huán)境，滿足不了安全文明施工的相關(guān)要求。而采用可升降的脫模臺車代替充砂底模，不僅滿足現(xiàn)場安全文明施工要求、減少工人勞動強度，也能加快沉箱出運速度、確保沉箱預(yù)制工程質(zhì)量，希望該工藝能在今后沉箱預(yù)制工程中得到廣泛應(yīng)用、推廣。

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