港口工程中沉箱拖帶著力點(diǎn)分析與應(yīng)用

李春元（中交一航局第三工程有限公司，遼寧　大連　116083）

港口工程中沉箱拖帶著力點(diǎn)分析與應(yīng)用

李春元
（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連116083）

為有效保證沉箱浮運(yùn)拖帶過(guò)程中的安全，減小拖帶過(guò)程中對(duì)沉箱的損傷，通過(guò)受力狀態(tài)理論分析以及相關(guān)影響因素的研究，結(jié)合《重力式碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》的編寫(xiě)過(guò)程，參考多個(gè)實(shí)際工程案例的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)選取，對(duì)目前采用的圍纜和預(yù)埋拖環(huán)的拖帶方式存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和應(yīng)用研究，成果可供施工中借鑒參考。

沉箱；拖帶；著力點(diǎn)；分析；應(yīng)用

0　引言

港口工程中重力式碼頭具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、荷載適應(yīng)性強(qiáng)、使用耐久性好等特點(diǎn)，沉箱是重力式碼頭結(jié)構(gòu)中最常用的一種形式，在渤海灣、福建、廣東、海南等地區(qū)港口工程中廣泛應(yīng)用。沉箱下水的施工方法主要有吊裝法、滑道下水法、半潛駁出運(yùn)法、干塢出運(yùn)法等，之后均需采用的一道工序就是水上沉箱拖帶浮運(yùn)。

沉箱拖運(yùn)中無(wú)論是遠(yuǎn)距離還是近距離均應(yīng)考慮如下因素：沉箱穩(wěn)定性，即以定傾高度m值大小表示；沉箱的干弦高度決定是否密封，并應(yīng)綜合考慮拖帶距離、波高、航速等因素影響；拖帶力的大??；拖帶方式；拖纜系纜方式；拖帶著力點(diǎn)高度（即拖帶點(diǎn)位置）等的計(jì)算設(shè)計(jì)。本文僅就拖帶中常見(jiàn)的著力點(diǎn)位置進(jìn)行分析，并提出設(shè)置方式。

拖帶著力點(diǎn)的高度與拖纜的系纜方式有關(guān)。根據(jù)多年港口工程施工中實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，常用的系纜方式有3種：圍纜方式、預(yù)埋拖環(huán)方式、直接拖帶沉箱頂部吊環(huán)方式。

1　拖帶著力點(diǎn)高度的理論計(jì)算方法

1.1計(jì)算方法一

拖運(yùn)阻力與拖帶力產(chǎn)生的傾覆力矩為0時(shí)，沉箱在拖運(yùn)中比較平穩(wěn)，可防止沉箱拖帶中發(fā)生前傾。此時(shí)有：

故拖帶著力點(diǎn)h=ΣFiHi/T

其中的水流及波浪阻力可按JTS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中公式[1]：

1.2計(jì)算方法二

波浪阻力、水流（航速）阻力與風(fēng)阻力也可分開(kāi)計(jì)算，即：

式中各項(xiàng)分別采用以下公式計(jì)算：

1）水流力按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》中公式13.0.1計(jì)算[2]：

式中取值參見(jiàn)《港口工程荷載規(guī)范》中13.0.2 及13.0.3條。

2）波浪力按JTS 145-2—2013《海港水文規(guī)范》中公式計(jì)算[3]：

而沉箱近程拖運(yùn)時(shí)要求波高不大于1 m；遠(yuǎn)程拖運(yùn)時(shí)要求波高不大于1.5 m。故沉箱前涌水高度δ最大值取0.9 m。

當(dāng)波高小于1.0 m時(shí)，波浪力可按靜水壓力計(jì)算：

圖1　沉箱圍纜拖帶示意圖Fig.1　Hauling of a caisson with an encircled cable

3）風(fēng)阻力按《港口工程荷載規(guī)范》中的公式計(jì)算[3]：

沉箱拖運(yùn)時(shí)風(fēng)速要求≤6級(jí)（10.8～13.8 m/s），計(jì)算取13.8 m/s。

1.3拖帶著力點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算

關(guān)于風(fēng)阻力F風(fēng)，當(dāng)干弦高度不大時(shí)，風(fēng)阻力可以忽略不計(jì)。

關(guān)于波浪阻力F波，以加大A2的面積來(lái)近似的表示。

因此，拖帶著力點(diǎn)可簡(jiǎn)化為h=0.5（T箱+δ）。

如波浪較小或忽略不計(jì)時(shí)，h=0.5T。因此有圍纜一般選擇系掛在沉箱吃水的1/2處的說(shuō)法，理論上它可保持在航行過(guò)程中平穩(wěn)，不至于因受力不均勻造成大幅度后傾或前傾。但是由于趨近臨界值（傾覆力矩為0），容易在變化時(shí)造成后傾，一般工程實(shí)踐中較少采用。

2　采用圍纜方式時(shí)拖帶著力點(diǎn)的設(shè)置方法

2.1拖帶著力點(diǎn)設(shè)置

拖帶著力點(diǎn)于沉箱重心附近稍偏上，是為避免沉箱后仰而將圍纜位置系于沉箱重心之上，同時(shí)在沉箱前趾上設(shè)1個(gè)斜纜拉環(huán)與圍纜的過(guò)渡纜聯(lián)系在一起[4]，如圖1所示。

增加斜纜可以改變沉箱拖航中的受力狀態(tài)。一般情況下，圍纜和斜纜同時(shí)受力，在航速一定時(shí)，圍纜受力減小，增加沉箱穩(wěn)定性。當(dāng)沉箱前傾時(shí)，斜纜受力增大，將限制沉箱斜度加大，而且圍纜位置在重心之上（>1/2吃水），一般情況下不會(huì)發(fā)生沉箱后仰現(xiàn)象。由于斜纜為固定點(diǎn)上受力，沉箱出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，斜纜拉力所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩可將沉箱轉(zhuǎn)回原狀態(tài)。

如某工程的6種沉箱型號(hào)，按照經(jīng)驗(yàn)選用的沉箱著力點(diǎn)位置進(jìn)行拖帶作業(yè)（如表1所示）[5]，拖運(yùn)沉箱全部安全到達(dá)目的地。但用斜纜方法，在施工工序操作上帶來(lái)一系列麻煩，因此近距離拖運(yùn)或小型沉箱（一般來(lái)說(shuō)吃水不超過(guò)10 m的沉箱）一般不采用。

表1　沉箱參數(shù)與拖帶著力點(diǎn)高度Table 1　Parameters of a caisson and height of acting point of hauling

從表1中的吃水與圍纜高度的數(shù)據(jù)可以看出：h=T/2+（0.03～1.57）。

2.2圍纜位置選擇

1）圍纜于水位以上某一高度e，使其與拖船拖鉤的連接線平行于水面。實(shí)際拖航過(guò)程中要保持平行是不太可能的，在拖帶力作用及阻力作用下，沉箱發(fā)生前傾。

2）圍纜位于水面附近。有的在水面以下1 m。在某工程中，10個(gè)沉箱拖運(yùn)基本上是成功的，計(jì)算時(shí)拖力為16.5 t，航速3 kn。實(shí)際沉箱前傾1.5～2.0 m，前傾角度在12°～16°，如沉箱傾斜過(guò)大時(shí)可以調(diào)整圍纜高度加以糾正。

3）圍纜在吃水的2/3高度處，這種做法也是取重心以上，水面以下。在某工程中采用遠(yuǎn)距離拖運(yùn)6個(gè)沉箱，每個(gè)都順利完成。因此以后幾個(gè)沉箱拖運(yùn)著力點(diǎn)的習(xí)慣做法均以H=2/3T計(jì)算，都很順利。

2.3傾覆力計(jì)算

傾覆力矩=0時(shí)，按規(guī)范公式簡(jiǎn)化為h=（T+δ）/2；又根據(jù)規(guī)范規(guī)定近距離拖運(yùn)波高H≤1.0m，遠(yuǎn)距離拖運(yùn)H≤1.5 m[6]，δ取H的0.6倍。

則近距離拖運(yùn)為h=T/2+0.3；遠(yuǎn)距離拖運(yùn)為h=T/2+0.45，考慮到拖航中的變化因素，取略大于計(jì)算的h值，拖運(yùn)可偏安全些，故Δh取0.3～0.5 m。

則近距離拖運(yùn)為h=0.5T+0.6；遠(yuǎn)距離拖運(yùn)為h=0.5T+（0.8～1.0）。

如：T=8.0 m，則h=5 m，接近吃水的2/3。這樣設(shè)置沉箱拖帶著力點(diǎn)后，對(duì)拖帶過(guò)程中的前后傾控制效果均可滿足，大量實(shí)踐證明也是比較安全的。

綜上所述，圍纜的位置（即拖帶著力點(diǎn)）取在重心偏上均比較安全。因?yàn)楦哂趦A覆力矩=0算出的著力點(diǎn)高度，在相對(duì)吃水?dāng)?shù)值較大的基礎(chǔ)上進(jìn)行較小的調(diào)整，不會(huì)產(chǎn)生后傾。當(dāng)調(diào)整的數(shù)值偏大時(shí)，可能產(chǎn)生前傾角度，可通過(guò)降低航速來(lái)糾正偏差。如前傾角度大于15°，則可通過(guò)調(diào)整圍纜高度來(lái)解決。所以圍纜高度一般取在重心以上且在水面以下處。

3　采用預(yù)埋拖環(huán)方式時(shí)拖帶著力點(diǎn)（即拖環(huán)）埋設(shè)位置

拖環(huán)的埋設(shè)方式一般選擇在沉箱前進(jìn)方向的兩角處，如圖2所示。

圖2　沉箱拖環(huán)方式拖帶示意圖Fig.2　Hauling of a caisson with a pre-embedded towing ring

3.1拖環(huán)預(yù)埋位置設(shè)置

拖環(huán)埋于碼頭填土一側(cè)，在水下不割去，則它的埋設(shè)位置可與圍纜的位置一樣，取沉箱重心偏上，并滿足沉箱傾覆力矩=0，施工中往往考慮操作方便，省去潛水員系、卸纜繩，一般設(shè)置于水面之上，如同下面一種情況。

拖環(huán)設(shè)置影響沉箱安裝及使用，要在安裝前割去，則為避免水下切割，一般設(shè)置于水面之上0.3～1.0 m，便于系纜、卸扣、切割。這樣拖帶可能要產(chǎn)生前傾。如傾角太大，可調(diào)整箱內(nèi)壓載，讓其在漂浮時(shí)適當(dāng)后傾即可。如從大連拖運(yùn)至錦州15個(gè)2 000 t沉箱，拖帶著力點(diǎn)設(shè)于吃水線上0.5 m，壓載時(shí)后傾0.5～1.0 m，15個(gè)沉箱均順利到達(dá)錦州。

3.2對(duì)小沉箱近距離拖纜位置選擇

當(dāng)拖帶沉箱距離較近（大多指在現(xiàn)場(chǎng)或預(yù)制場(chǎng)到儲(chǔ)存場(chǎng)的短距離臨時(shí)拖帶）時(shí)，并且拖帶區(qū)域內(nèi)波浪條件較好，對(duì)拖帶的航速要求也很低，采用的拖輪拖帶力一般也較小，在能夠保證足夠安全的前提下，可選擇系纜在沉箱頂面的拖環(huán)上直接拖帶作業(yè)。此方法在多年的施工中也是有實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的。

4　兩種拖帶方式存在的問(wèn)題及建議

4.1圍纜拖帶方式采取的措施及不利影響

1）對(duì)沉箱邊角易造成磨損，需采取措施進(jìn)行保護(hù)，但在實(shí)際施工中，保護(hù)措施易掉落或過(guò)于簡(jiǎn)易，難以達(dá)到預(yù)期的效果[7]。

2）處于棱角處的鋼絲纜易磨損沉箱棱角，需包裹橡膠類材料進(jìn)行保護(hù)，在拖帶過(guò)程中，因長(zhǎng)時(shí)間磨損竄動(dòng)，容易直接對(duì)混凝土邊角造成損壞。

3）需在沉箱四面設(shè)計(jì)吊纜，以保證圍纜的高度固定在要求的高度位置。需要設(shè)置的吊纜繩數(shù)量較多，操作繁瑣。

4.2預(yù)埋拖環(huán)方式采取的措施及不利影響

1）拖環(huán)若需在安裝后水下切除操作困難，后續(xù)處理難度大。

2）若水下存在外露鐵件，對(duì)沉箱混凝土的耐久性影響較大。

3）水下封堵混凝土施工難度大，質(zhì)量控制難度大。建議處理方法：預(yù)留凹槽處埋設(shè)拖環(huán)，切除后封堵模板，澆筑混凝土，插搗混凝土密實(shí)，保證沉箱結(jié)構(gòu)耐久性要求。待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后，拆除模板及固定措施等，如圖3所示。

圖3　水下拖環(huán)處理方法Fig.3　Method for preparation of underwater towing ring

5　結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前在相關(guān)規(guī)范中關(guān)于拖帶著力點(diǎn)位置的設(shè)置方法沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定，雖然在多年的工程實(shí)踐中，各單位也總結(jié)出相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣做法，可以結(jié)合實(shí)際情況具體問(wèn)題具體分析對(duì)待，不必拘泥于一種固定的方法。但根據(jù)多年從事沉箱拖帶施工的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來(lái)看，圍纜拖帶法一般都遵守對(duì)傾覆力矩=0計(jì)算出高度略有富裕，即在重心偏上的做法；對(duì)拖環(huán)拖帶法一般都設(shè)在吃水線以上0.3～0.5 m左右，主要按照操作方便來(lái)選定。

隨著項(xiàng)目施工管理模式的轉(zhuǎn)變和經(jīng)驗(yàn)豐富的技能工人的退出，實(shí)施作業(yè)層人員流動(dòng)性大，成熟經(jīng)驗(yàn)的積累相比過(guò)去發(fā)生了根本改變，工匠經(jīng)驗(yàn)的傳承在現(xiàn)代企業(yè)的發(fā)展中逐漸失去。沉箱拖帶著力點(diǎn)的設(shè)置，涉及到沉箱拖帶過(guò)程中的安全問(wèn)題和結(jié)構(gòu)使用耐久性問(wèn)題，在施工中應(yīng)予以重視，保證施工生產(chǎn)安全和工程質(zhì)量。

[1]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[2]JTS144-1—2010，港口工程荷載規(guī)范[S]. JTS 144-1—2010,Load code for harbour engineering[S].

[3]JTS 145-2—2013，海港水文規(guī)范[S]. JTS 145-2—2013,Code of hydrology for sea harbour[S].

[4]中交第一航務(wù)工程局有限公司.港口工程施工手冊(cè) [M].2版.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Handbook for harbor engineering construction[M].2nd ed.Beijing:China Communications Press Co.,Ltd.,2015.

[5]中交第一航務(wù)工程局有限公司.水運(yùn)工程沉箱出運(yùn)拖帶管理辦法[K].1992.

CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.Management method of caisson transportation and hauling in marine works[K].1992.

[6]中交一航局第三工程有限公司.錦州某工程沉箱長(zhǎng)途拖帶施工組織設(shè)計(jì)[R].2005.

No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd.Construction organization of caisson hauling in long distance in Jinzhou[R].2005.

[7]中交一航局第三工程有限公司.沉箱拖運(yùn)施工工藝及操作規(guī)程[K].2013.

No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co., Ltd.Construction technique and operation regulations on caisson hauling[K].2013.

Analysis and application of acting points of hauling of caissons in port engineering

LI Chun-yuan
（No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116083,China）

In order to ensure the safety of a caisson in the process of floating and towing and reduce the damage to the caisson in process of towing in an effective way,through the theoretical analysis of the stress state of the caisson in the floating and towing process and the research on the related influential factors,in combination with the preparationof Design and construction code for gravity quay,and with reference to the selection of empirical parameters in a number of practical engineering cases,this paper has focused on the analysis and application study of the existing problems in the currently used towing method with encircling cables and pre-embedded towing rings,and the research results may be used as reference for similar projects.

caisson;hauling;acting point;analysis;application

U656.111；U655

A

2095-7874（2016）08-0016-04

10.7640/zggwjs201608004

2016-05-19

2016-06-28

李春元（1973— ），男，遼寧大連市人，高級(jí)工程師，總工程師，主要從事港口工程、公路工程施工工作。E-mail：815738931@qq.com