大型沉箱水下安裝施工方法探討

黃慶云

【摘 要】文章以汕頭港廣澳港區(qū)一期工程沉箱安裝為實例，介紹了采用200 t起重船沒水安裝900 t沉箱的施工方法。考慮到當時的船機設備狀況（難以調(diào)配到900 t以上的起重船）和施工成本2個方面的因素，采用當時現(xiàn)有的200 t起重船進行沉箱安裝。由于起重船的起吊能力遠小于沉箱重量，而且沉箱安裝后完全處于水下，在最低水位也無法露出，因此采取了如下工藝措施：對沉箱頂部進行密封（用封倉蓋板），從而可以利用沉箱在水中的浮力，同時封倉蓋板上設置能露出水面的灌水囪和相應的操作平臺，以便安裝過程向沉箱空腔內(nèi)灌水使之下沉。該施工方法獲得了極大的成功，曾獲得“中交三航局QC成果二等獎”。

【關鍵詞】準備；施工；方法；沉箱

【中圖分類號】U655.54 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）02-0088-03

1 概況

汕頭港廣澳港區(qū)一期工程共有沉箱49件，其中A、B、C型沉箱分別為1件、47件、1件。B型沉箱重883 t，長11.26 m，寬9.5 m，高14.3 m，另有1 m的前趾，每沉箱設6個隔倉（前后各3個）。沉箱安裝底標高為-15.0 m，頂標高為-0.7 m，拋石基床大部分厚度為3～4 m，強夯基床。

現(xiàn)場的自然條件：①設計低水位為+0.33 m，沉箱安裝后頂部無法露出水面；②沉箱預制廠至安裝現(xiàn)場的距離為0.5 nm（0.926 km），該區(qū)域有防波堤掩護，風浪小，利于施工；③安裝季節(jié)正值夏季，易遭到臺風襲擊。

2 安裝前準備工作

2.1 安裝工況分析

沉箱（B型）入水后所受最大浮力為363 t，而沉箱自重為883 t，沉箱在水下的重量為520 t，依此計算需用520 t以上的起重船才能安裝沉箱。考慮到大型起重船難以租用到且費用昂貴，為節(jié)約成本，擬采用“三航起九”（起重能力為200 t）方式安裝沉箱。為了克服“三航起九”方式起重能力不足的問題，決定用鋼蓋板在頂部將沉箱密封，增加沉箱在水下的排水體積，以增大浮力。沉箱密封后，在水下的最大浮力可達1 585 t。因此，沉箱密封后，在其安裝下沉的過程中，可向沉箱倉內(nèi)灌水，并控制灌水量，使沉箱所受浮力基本等于其重量（沉箱自重加上所灌水的重量）。在實際安裝過程中，控制其靜重為50 t左右，以利于200 t起重船安裝就位。

2.2 設置水尺及安裝標志

在沉箱四角所有側面涂畫水尺，以便于安裝時觀測。水尺高度范圍為自沉箱頂部以下7.3 m。水尺以每10 cm為一刻度，涂紅白相間的油漆。

另在沉箱頂部前后兩側邊緣安設標志桿，標志桿長3.5 m，沉箱底著落于基床后（此時水尺已完全在水下，無法用于觀測）標志桿仍可露出水面，以便于測量、觀測及定位。

此外，在臨時碼頭設臨時水文站，定時觀測以確定施工時的水位。

2.3 封倉蓋板

如前所述，采用封倉蓋板密封沉箱，以增加沉箱在水中的浮力，達到可用200 t起重船安裝883 t沉箱的目的。沉箱有6個隔倉（尺寸為3.4 m×4.23 m），故采用6個獨立的封倉蓋板。預制沉箱時，在沉箱頂部預埋M24螺帽，間距為1 m，用于鎖固封倉蓋板，封倉蓋板與沉箱頂部之間墊橡膠止水板（寬50 cm、厚30 mm），以達到止水目的。

蓋板面板采用8 mm厚的鋼板，主肋為[18a槽鋼，次肋為[10槽鋼，主次肋等高連接，每個鋼蓋板設有一個直徑為800 mm、高3.5 m的灌水囪，并設操作平臺，便于施工人員進行灌水操作。綜合考慮成本、施工工期等因素，鋼蓋板共制作5套合計30片，周轉使用。

2.4 有關參數(shù)

2.4.1 壓載平衡水

沉箱有前趾，造成沉箱偏心，必須在沉箱后倉灌壓載平衡水，以保證沉箱在下水過程中的平衡與穩(wěn)定。前趾重G1=23.9 t，前趾重心到沉箱平衡中心（位于沉箱縱隔墻中心）的距離L1=5.21 m，沉箱內(nèi)壓載水重G2=1.025×3.4×4.23×3×H（H為灌水高度），壓載水重心到沉箱平衡中心距離L2=2.375 m，G1×L1=G2×L2，故H=1.19 m。也就是說，沉箱安裝過程中，后面3個倉的壓載水水位應始終保持比前倉3個倉的壓載水水位高1.19 m，只有這樣，沉箱才能保持平衡。

2.4.2 臨界吃水深度

沉箱自重為883 t，加上封倉蓋板、壓載水的重量，總重為953.6 t，為確保沉箱在下沉及就位過程的安全，起重船持力為50 t左右，設沉箱臨界吃水深度為h，則50+9.5×11.26×1.025×h+（1.05+0.65）×1×0.5×11.26×1.025=953.6，計算得h=8.15 m。

2.4.3 半潛駁下潛深度

半潛駁型深3.3 m，沉箱底板距甲板高0.4 m，半潛駁下潛到沉箱吃水8.15 m時停止下潛，半潛駁底離海底面應有1.0 m富余水深。因此，半潛駁下潛深度為3.3+0.4+8.15=11.85 m，加上富余水深1 m，半潛駁下潛區(qū)域水深應達12.85 m，現(xiàn)場最低水位為0.83 m，因此半潛駁下潛區(qū)域海底標高應低于-12.02 m。

2.4.4 補充說明

以上參數(shù)的確定是按照B型沉箱的尺寸計算，A、C型沉箱安裝的相關參數(shù)可類似地確定，本文不贅述。

3 安裝方法

3.1 安裝工藝流程

安裝沉箱鋼蓋板→氣囊搬運沉箱至出運碼頭→半潛駁就位，出運碼頭→沉箱上半潛駁→沉箱后倉灌平衡水→半潛駁拖航至下潛海域→半潛駁下潛至預定深度→起重船就位，掛鉤吊穩(wěn)沉箱→半潛駁繼續(xù)下潛至一定深度→起重船吊起并拖運沉箱到安裝現(xiàn)場→沉箱倉內(nèi)灌水到指定高度（沉箱下沉沒水）→起重船沒水安裝沉箱（同時測量控制）→沉箱倉內(nèi)灌水至指定高度（沉箱穩(wěn)定）→水下脫鉤，起重船離開現(xiàn)場→安裝完畢。

3.2 半潛駁簡介

半潛駁的主要尺度和性能：型長90.6 m、型寬35.3 m、型深3.3 m、滿載吃水2.35 m、最大潛深13.2 m、滿載承重4 000 t。此外，為安裝沉箱，對潛駁的船艏進行改造，在半潛駁船艏加制了異形船艏，當船艏擱置于臨時碼頭時，半潛駁甲板的頂標高剛好與臨時出運碼頭的頂面標高一致，以利于沉箱拖運上半潛駁。異形船艏的尺寸為長14.4 m、寬1.5 m、高1.0 m。

3.3 沉箱上半潛駁

施工海域潮差小，平均潮差為0.8 m，半潛駁滿載吃水2.35 m，臨時出運碼頭前沿水深3.8 m左右，因此大部分時間半潛駁可靠碼頭裝運沉箱。先調(diào)節(jié)半潛駁壓倉水，使半潛駁的船艏高于臨時碼頭頂面20 cm左右，絞纜繩調(diào)整半潛駁位置使其就位，船艏靠于臨時碼頭，半潛駁內(nèi)注水使船艏壓緊于臨時碼頭承臺鋼軌支座上；用設于半潛駁上的牽引系統(tǒng)將沉箱牽引上駁，沉箱上駁宜在漲潮時進行，上駁時間可控制在1 h內(nèi)。

3.4 沉箱起浮

半潛駁拖運沉箱至下潛區(qū)域后拋4個主錨，定位后灌壓倉水均勻地下沉，至沉箱吃水為8.15 m時停止下沉，起重船就位，先用吊籃吊運操作工人及抽水泵到沉箱封倉蓋板操作平臺上，操作人員系好安全帶，然后掛鉤，起重船吊住沉箱，半潛駁繼續(xù)灌水下沉，此時沉箱離開半潛駁甲板，起重船拖運沉箱至基床就位。

3.5 沉箱安裝

3.5.1 沉箱下降量與倉內(nèi)灌水量的關系

為了確保起重船起吊沉箱時的穩(wěn)定性和安全，沉箱安裝過程中（包括沉箱下沉過程）起重船的吃力宜保持在50 t左右，可通過向沉箱內(nèi)灌水實現(xiàn)。設沉箱下沉深度（即下沉量）為△H，同一時間內(nèi)沉箱內(nèi)灌水上升高度為△h。

則：

9.5×11.26×△H×1.025=3.42×4.3×6×△h×1.025

式中：9.5 m為沉箱寬度、11.26 m為沉箱長度、1.025 kg/m3為海水密度、3.42 m×4.3 m為沉箱內(nèi)隔倉尺寸、6為沉箱內(nèi)隔倉個數(shù)。

解得：

△h=1.21△H，兩者為線性關系。

因此，在沉箱下沉過程中，應始終保持△h=1.21△H。同時，為保證沉箱水平和重心穩(wěn)定（抵消沉箱前趾重量造成的不平衡），沉箱前后倉的水頭差應始終保持為1.19 m。這就是沉箱下沉過程中的灌水雙控原則。灌水雙控的方法如下：①前后倉等量同步灌水（前倉3個倉有通水孔互通，后倉3個倉有通水孔互通，但前后倉之間不能通水）；②通過浮球及測繩隨時測讀前后倉的水位；③根據(jù)△h=1.21△H，由沉箱下沉量△H確定灌水水位△h。

3.5.2 沉箱安裝就位

沉箱安裝就位過程，起重船的持力始終保持在50 t左右，相當于用200 t起重船安裝50 t構件。待沉箱基本就位后，灌水使之下沉，沉箱下沉接近基床面時，停止灌水；起重船吊沉箱精確就位，等測量觀測確定沉箱位置滿足要求后，繼續(xù)往沉箱內(nèi)注滿水使其穩(wěn)定，然后起重船脫鉤離開，沉箱安裝結束。

4 結語

當今重力式碼頭的發(fā)展趨勢是沉箱越來越大型化，因此單個沉箱的重量也越來越大上述施工方法的特點是利用密封后的沉箱在水中的浮力，采用中小型起重船安裝超過其起重能力的大型沉箱。這是一個成功先例，其方法和思路是很有創(chuàng)意的，可為今后類似的工程提供有益的借鑒和參考。

參 考 文 獻

[1]郝夕青.沉箱預制場地及下水工藝的比較[J].水運工程，2006（3）.

[2]陶震，邵昌浩.關于重力式碼頭沉箱結合腔結構形式的探討[J].水運工程，2009（10）.

[3]朱烜杉.重力式碼頭施工質(zhì)量的控制策略[J].中國水運（下半月），2011（5）.

[4]郝夕青.沉箱預制場地及下水工藝的比較[J].水運工程，2006（3）.

[5]陶震，邵昌浩.關于重力式碼頭沉箱結合腔結構形式的探討[J].水運工程，2009（10）.

[責任編輯：陳澤琦]