大型沉箱無(wú)掩護(hù)海域安裝技術(shù)分析

鄒力漩+廖麒文

摘 要：當(dāng)前碼頭工程岸線已延伸到外海，施工環(huán)境趨于惡劣，沉箱的規(guī)格越來(lái)越大，無(wú)掩護(hù)海域大型沉箱的安裝成為新的挑戰(zhàn)。某工程三件大型沉箱無(wú)掩護(hù)海域浮游安裝的成功，為今后相似工程的施工提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：沉箱；無(wú)掩護(hù)海域；浮游穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：U443.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）06-0038-03

近幾十年我國(guó)碼頭工程大量建設(shè)，原有適于建設(shè)碼頭的優(yōu)質(zhì)岸線已基本耗盡，不足以承擔(dān)貨運(yùn)量的增加和運(yùn)輸船舶的增大，碼頭建設(shè)走向外海、走向更惡劣的海況已是必然，沉箱的規(guī)格也趨于增大。某防波堤工程在堤頭安裝三件大型，既可作為港池的掩護(hù)，內(nèi)側(cè)也可作為泊位?？看啊３料浒惭b位置距離天然岸線超過(guò)1km，水深超過(guò)30m，施工期間水文資料取兩年重現(xiàn)期，平均波高1.7m，周期6.9s，波長(zhǎng)73m，處于大風(fēng)浪長(zhǎng)周期波影響范圍，沉箱安裝是否成功直接決定工程建設(shè)能否完成。

每件沉箱尺寸均為23.45m×15.95m×18.5m，重3613t，全過(guò)程浮游安裝，4200t半潛駁運(yùn)載沉箱至施工現(xiàn)場(chǎng)，在下潛坑下潛，用2000t定位方駁上兩臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)導(dǎo)向滾筒牽引沉箱出駁，靠定位方駁并加固牢靠，等待低平潮灌水下沉定位安裝。

1 沉箱浮游相關(guān)計(jì)算

鋼筋混凝土重度取24.5kN/m3，海水重度取10.25kN/m3。

1.1 定傾高度

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS167-2-2009），近程浮運(yùn)時(shí)，沉箱定傾高度不小于0.2m；遠(yuǎn)程浮運(yùn)以液體壓載時(shí)，沉箱定傾高度不小于0.4m。沉箱采用半潛駁運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)附近，再浮游出塢安裝，可以認(rèn)為沉箱為近程浮運(yùn)，但由于施工現(xiàn)場(chǎng)為無(wú)掩護(hù)海域，沉箱安裝周期超過(guò)12小時(shí)，風(fēng)浪較大，沉箱定傾高度必須大于0.4m?？蛰d時(shí)沉箱無(wú)法達(dá)到浮游穩(wěn)定，采用壓載海水的方式加強(qiáng)沉箱浮游穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算，沉箱各格倉(cāng)壓載水2.65m，沉箱頂工作平臺(tái)約5t重，此時(shí)定傾高度為0.42m，滿足要求。

1.2 干舷高度

沉箱浮運(yùn)滿足浮游穩(wěn)定后，安裝過(guò)程中還需滿足干舷高度的要求，由于當(dāng)?shù)仄骄ǜ?.7m，無(wú)法滿足規(guī)范中波高小于1m的安裝條件，取最小干舷高度大于2m，并適當(dāng)擴(kuò)大沉箱傾斜角度至10°進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)計(jì)算，沉箱各格倉(cāng)壓載水2.65m，干舷高度5.51m，滿足要求。

1.3 拖帶力

沉箱出駁時(shí)，吃水11.39m，當(dāng)?shù)仄骄坷瞬ǜ?.7m，施工區(qū)域所測(cè)得最大水流0.71m/s經(jīng)計(jì)算，配置2臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)拖帶沉箱出塢，安全系數(shù)僅2倍，實(shí)際安裝過(guò)程中要選取合適天氣，涌浪較小。密切跟蹤天氣情況，避開天文大潮，第一件沉箱安裝當(dāng)天波高小于1.2m，選擇高平潮出塢，另配置750kW拖輪一艘，輔助沉箱出塢。

2 施工方法

2.1 施工流程

沉箱安裝主要施工流程：施工現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備→半潛駁運(yùn)輸沉箱到場(chǎng)→半潛駁定位下潛→定位駁錨機(jī)牽引沉箱出半潛駁→定位駁錨機(jī)拖帶沉箱進(jìn)入基床→沉箱帶纜定位→沉箱就位安裝

2.2 施工前準(zhǔn)備

定位方駁由拖輪引導(dǎo)進(jìn)入下潛點(diǎn)附近后，測(cè)量人員用GPS協(xié)助定位方駁在下潛點(diǎn)附近拋錨定位，半潛駁布置在方駁北方約50m。方駁上配有4臺(tái)10t錨機(jī)和一臺(tái)120kW發(fā)電機(jī)，用來(lái)牽引沉箱出半潛駁，并配備一臺(tái)75kW發(fā)電機(jī)備用。沉箱頂部根據(jù)隔倉(cāng)尺寸加工操作平臺(tái)，操作平臺(tái)呈十字形放置于沉箱頂部

沉箱在預(yù)制過(guò)程中，對(duì)其內(nèi)部?jī)蛇厵M隔墻距隔倉(cāng)底0.5m分別預(yù)留有連通孔（共16個(gè)），將沉箱4×6=24個(gè)隔倉(cāng)形成8大分水倉(cāng)。每個(gè)分水倉(cāng)對(duì)應(yīng)有一個(gè)進(jìn)水閥門（閥門直徑=150mm），分別布置在沉箱側(cè)墻兩邊距沉箱底5m處，通過(guò)閥門的開、關(guān)控制沉箱加水的速度。在沉箱內(nèi)安裝8臺(tái)大流量潛水泵（80m3/h），另4臺(tái)備用，用于抽排壓載水出倉(cāng)可以準(zhǔn)確調(diào)整沉箱隔倉(cāng)內(nèi)的水位，用以調(diào)節(jié)沉箱的浮態(tài)，具體布置見下圖。

沉箱頂四角預(yù)埋有拉環(huán)，分別用4根100m長(zhǎng)60的尼龍纜繩與半潛駁4個(gè)塔樓上的纜樁連接，作為沉箱出半潛駁時(shí)溜尾使用。

2.3 沉箱安裝

2.3.1 沉箱出半潛駁

安排在高平潮期間進(jìn)行出半潛駁，此時(shí)水流平穩(wěn)，持續(xù)時(shí)間超過(guò)2h，能滿足出駁要求。所以半潛駁下潛時(shí)間選擇在達(dá)到高潮位前5h開始注水下潛，沉箱出半潛駁工作1h可以完成。

2.3.2 沉箱懸浮

漲潮過(guò)程中，接近高平潮且風(fēng)浪較小時(shí)，半潛駁開始下潛，首先調(diào)平船體，再向各水倉(cāng)同時(shí)進(jìn)水，保持半潛駁勻速緩慢下沉，不發(fā)生傾斜。當(dāng)水漫上甲板面時(shí)停止加水，待半潛駁平穩(wěn)后繼續(xù)下潛，并保持尾傾0.3度。

在半潛駁下潛過(guò)程中，指揮員密切注意半潛駁的下潛情況，以及沉箱的吃水深度，半潛駁各水倉(cāng)的灌水順序及灌水量要滿足整個(gè)船體的平衡和穩(wěn)定要求。沉箱穩(wěn)定起浮吃水為11.39m，空載沉箱需吃水達(dá)到9.88m時(shí)才開始起浮，但浮游不穩(wěn)定，所以隨著半潛駁不斷灌水下潛，當(dāng)水位漫過(guò)6m高處的進(jìn)水孔時(shí)，海水通過(guò)預(yù)先打開的進(jìn)水閥對(duì)沉箱進(jìn)行灌水壓載，直至灌滿1.85m壓載水時(shí)關(guān)閉閥門，同時(shí)半潛駁繼續(xù)下潛。當(dāng)沉箱吃水達(dá)到10.8m時(shí)，已接近沉箱起浮的臨界條件，此時(shí)半潛駁暫停下潛。在旁待命的交通船上，施工員帶領(lǐng)施工人員，乘坐交通船檢查捆綁沉箱的尼龍纜與方駁上錨機(jī)的連接、電纜的布設(shè)等，檢查無(wú)誤后，半潛駁繼續(xù)下潛。沉箱底板離半潛駁甲板面有1m的距離，繼續(xù)下潛深度要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)浪情況確定，如浪高大于1m時(shí)，半潛駁不宜下潛，立即上浮，等待合適海況再下潛，一旦沉箱底離開甲板，則必須繼續(xù)下潛。整個(gè)下潛過(guò)程要平穩(wěn)緩慢，同時(shí)注意沉箱的穩(wěn)定狀況，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2.3.3 牽引出半潛駁

待鋼絲繩連接工作就緒后，半潛駁繼續(xù)下潛，當(dāng)沉箱起浮時(shí)（此時(shí)沉箱吃水約為11.39m），啟動(dòng)錨機(jī)，略緊張尼龍纜，使之處于輕微受力狀態(tài)，半潛駁繼續(xù)下潛至11.8m（甲板面），沉箱完全處于漂浮狀態(tài)。此過(guò)程中，沉箱上技術(shù)員觀察沉箱的傾斜情況，適當(dāng)注水調(diào)節(jié)沉箱平衡。

沉箱吃水達(dá)到穩(wěn)定要求并處于水平狀態(tài)后，安裝主管指揮方駁上錨機(jī)操作手啟動(dòng)錨機(jī)牽引尼龍纜，緩慢拖動(dòng)沉箱出半潛駁，同時(shí)，根據(jù)沉箱的移動(dòng)速度，調(diào)節(jié)遛尾纜繩的松緊，確保沉箱出半潛駁時(shí)緩慢、勻速。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定沉箱出駁的方向必須與潮水方向一致，即退潮方向，以減輕尼龍纜拉力，加快出駁速度。當(dāng)整個(gè)沉箱被牽引出半潛駁并靠至方駁邊時(shí)，完成整個(gè)沉箱出塢工作，半潛駁可以進(jìn)行排水上浮。

沉箱出半潛駁施工工藝示意圖詳見下圖。

2.3.4 安裝沉箱

2.3.4.1 第一個(gè)沉箱粗安裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定沉箱出駁后，短邊靠定位駁，這樣沉箱無(wú)需轉(zhuǎn)向，直接通過(guò)定位駁移位至待安裝地點(diǎn)即可安裝，提高安裝效率，但需要增加沉箱加固措施。我部將沉箱頂預(yù)埋拉環(huán)全部掛滿尼龍纜，共8條，保證沉箱平穩(wěn)靠駁。

沉箱出駁后出現(xiàn)少許頂面不平衡的情況，在沉箱靠方駁時(shí)往沉箱內(nèi)灌水調(diào)平。當(dāng)沉箱靠上方駁后，解脫1號(hào)、2號(hào)兩根遛尾纜繩，并用一條直徑為80mm的纜繩把沉箱以捆綁式與方駁錨機(jī)連接。事先把每個(gè)沉箱的位置坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)，通過(guò)方駁移船，GPS系統(tǒng)定位，把沉箱移至預(yù)定的安裝位置上，然后打開沉箱的進(jìn)水閥門，對(duì)沉箱內(nèi)進(jìn)行灌水。開始灌水時(shí)要從小到大而進(jìn)行，各個(gè)閥門的開和關(guān)要盡量做到同步。當(dāng)沉箱內(nèi)各隔倉(cāng)灌水基本平衡，至沉箱底板離基床面距離為100cm時(shí)，關(guān)閉各個(gè)進(jìn)水閥門，使用沉箱上掛的水泵對(duì)沉箱四角進(jìn)行調(diào)平，再用GPS對(duì)沉箱的位置進(jìn)行粗定位，如其實(shí)際位置與預(yù)定安裝位置的偏差小于50cm時(shí)，可用水泵給沉箱內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行灌水，直至沉箱底面離基床頂面大約20cm時(shí)停止，這時(shí)拉好安裝使用的纜繩及手拉葫蘆，通過(guò)GPS測(cè)量四個(gè)角點(diǎn)、陸上的全站儀校核控制進(jìn)行沉箱安裝。當(dāng)測(cè)量控制的偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)時(shí)，收緊所有的纜繩及葫蘆，同時(shí)啟動(dòng)沉箱上布置的全部水泵向沉箱內(nèi)灌水，讓沉箱以最快的速度下潛至基床。確認(rèn)沉箱坐穩(wěn)基床后，儀器再次觀測(cè)沉箱的偏位情況，如符合規(guī)范要求即可繼續(xù)灌水壓穩(wěn)沉箱，如果出現(xiàn)了大偏差，并超過(guò)了預(yù)計(jì)要求時(shí)，再啟動(dòng)反抽水泵，把沉箱內(nèi)的水抽出來(lái)，讓沉箱重新起浮。根據(jù)實(shí)時(shí)水位計(jì)算沉箱臨界起浮時(shí)壓載水深，嚴(yán)密監(jiān)控沉箱起浮狀態(tài)，并重復(fù)以上的步驟進(jìn)行安裝，直至沉箱安裝準(zhǔn)確為止。

由于現(xiàn)場(chǎng)涌浪超過(guò)1m，安裝第一件沉箱時(shí)難以精安裝，待第二個(gè)沉箱安裝后，再抽水、起浮重新進(jìn)行第一件沉箱精安裝。沉箱抽水起浮過(guò)程中，當(dāng)抽水深度達(dá)到6.5m時(shí)，沉箱已處于浮游狀態(tài)，此時(shí)減緩抽水速度，當(dāng)沉箱起浮0.3～0.5m時(shí)停止抽水，通過(guò)已安裝的第二件沉箱對(duì)第一件沉箱進(jìn)行精安裝，詳細(xì)施工工藝見下節(jié)“第二件沉箱及以后的安裝”。

沉箱靠駁及定位安裝施工工藝示意圖詳見下圖。

2.3.4.2 第二件沉箱及以后的安裝

先進(jìn)行沉箱粗定位，按照第一件沉箱安裝時(shí)的施工工藝及順序牽引沉箱靠駁，啟動(dòng)定位駁錨機(jī)逐步將待安裝沉箱拖到安裝位置，開啟加水閥，使沉箱加水平衡下沉，通過(guò)潛水泵調(diào)節(jié)沉箱下沉的平穩(wěn)度，等沉箱下降到適當(dāng)高度后，掛上四個(gè)10t手拉葫蘆在已安沉箱與待安沉箱接縫處，根據(jù)要求放置調(diào)整縫隙用的木枋或碰墊，沉箱繼續(xù)注水下沉至沉箱底與基床面約1m時(shí)，暫時(shí)停止加水，測(cè)量沉箱4個(gè)角點(diǎn)將高差調(diào)平。

粗定位后沉箱繼續(xù)加水下沉，當(dāng)沉箱底距離基床面0.3～0.5m時(shí)，對(duì)沉箱進(jìn)行精定位。

由測(cè)量人員利用GPS對(duì)沉箱四個(gè)角的偏位、標(biāo)高進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)沉箱注水或抽水調(diào)整沉箱，使其四個(gè)角點(diǎn)標(biāo)高接近或一致；控制手拉葫蘆，調(diào)整沉箱之間的木板厚度，對(duì)沉箱之間的接縫、錯(cuò)牙，沉箱偏位等進(jìn)行調(diào)整，使其在規(guī)范要求范圍之內(nèi)。上述調(diào)整完畢后，繼續(xù)向沉箱迅速注水，并不斷觀察沉箱下沉動(dòng)態(tài)，使沉箱快速坐落于基床面上。

沉箱坐落于基床面上后，繼續(xù)注水并不斷測(cè)量觀察沉箱動(dòng)態(tài)，調(diào)整各倉(cāng)注水速度，使沉箱不至于在注水過(guò)程中偏位，同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)控沉箱偏位情況，當(dāng)各角點(diǎn)定位符合規(guī)范要求時(shí)，向沉箱加水至潮水潮位一致，沉箱安裝結(jié)束。若測(cè)量結(jié)果不符合規(guī)范要求時(shí)，則沉箱必須抽水上浮，重新進(jìn)行安裝。

所有沉箱安裝必須選擇潮水無(wú)法越過(guò)沉箱頂?shù)臅r(shí)段，當(dāng)潮水越過(guò)沉箱時(shí)，無(wú)法進(jìn)行沉箱安裝，沉箱必須立即坐底，等待下一次低潮時(shí)再抽水起浮，重新安裝。沉箱安裝后，潛水員下水檢查沉箱落底情況，以及沉箱間的錯(cuò)牙錯(cuò)縫，如不符合設(shè)計(jì)要求，需重新起浮安裝。

第二件以后的沉箱定位安裝施工工藝示意圖詳見下圖。

3 結(jié)語(yǔ)

在第一件沉箱安裝過(guò)程中，未準(zhǔn)確預(yù)計(jì)沉箱下沉速度，在低潮過(guò)后仍然未能成功坐底。開始漲潮后，下沉速度更加緩慢，但錯(cuò)過(guò)了定位安裝的最佳時(shí)機(jī)，涌浪逐漸增大，只能進(jìn)行緊急坐底，破壞了基床，之后調(diào)整第一件沉箱時(shí)重新整平基床。后續(xù)兩件沉箱安裝前，預(yù)留的時(shí)間充足，準(zhǔn)備工作充分，下沉?xí)r水泵和閘閥同時(shí)開啟灌水，加速下沉，以前一件沉箱為依托，安裝過(guò)程較為順利，沉箱定位準(zhǔn)確，一次成功。

本工程施工現(xiàn)場(chǎng)涌浪大，水流急，平潮歷時(shí)短，施工船舶在海面駐船時(shí)間短，對(duì)沉箱快速、精確定位提出很高要求。為有效利用有限的平潮時(shí)間進(jìn)行沉箱出塢和安裝，施工時(shí)未采用起重船助浮，直接采用方駁牽引沉箱定位安裝，免去了起重船拋錨定位、多次移船的步驟，除第一件沉箱安裝時(shí)出現(xiàn)意外情況，其他沉箱均一次性安裝成功，各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。另外，在風(fēng)浪條件較差的無(wú)掩護(hù)海域安裝沉箱，浮游穩(wěn)定驗(yàn)算非常重要，為保證沉箱出塢的穩(wěn)定性，定傾高度必須大于0.4m，但不宜過(guò)大，否則牽引沉箱出塢的時(shí)間將大大增加。本工程大型沉箱無(wú)掩護(hù)海域安裝的順利實(shí)施為將來(lái)類似工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]邱駒.港工建筑物[M].天津：天津大學(xué)出版社.2002。