重力式碼頭沉箱出運(yùn)及安裝關(guān)鍵施工技術(shù)分析

熊 祥 俊

(廈門鑫華港勘察設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000)

重力式碼頭沉箱出運(yùn)及安裝關(guān)鍵施工技術(shù)分析

熊 祥 俊

(廈門鑫華港勘察設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361000)

結(jié)合平潭港區(qū)金井作業(yè)區(qū)1號～5號泊位工程沉箱出運(yùn)、安裝實(shí)踐，從氣囊搬運(yùn)工藝、半潛駁出運(yùn)、沉箱安裝等方面對沉箱施工的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，可為類似工程提供參考。

氣囊搬運(yùn)工藝，半潛駁出運(yùn)，沉箱安裝

1 工程概況

平潭港區(qū)金井作業(yè)區(qū)1號～5號泊位工程中的3號～5號泊位沉箱CX1設(shè)計(jì)有55件，沉箱設(shè)計(jì)尺寸為：長19.13 m,寬19.80 m(包括前后趾3.0 m)、高18.2 m、單個(gè)沉箱重量為2 969 t。沉箱預(yù)制場地設(shè)在原平潭遠(yuǎn)大船廠塢坑上。

2 施工總體部署

沉箱預(yù)制場及出運(yùn)設(shè)在原遠(yuǎn)大船廠內(nèi)，在本工程沉箱預(yù)制后移至寄存場。安裝前采用氣囊搬運(yùn)沉箱至出運(yùn)碼頭前沿并過駁到“三航工3”半潛駁上，拖輪拖半潛駁運(yùn)輸至安裝現(xiàn)場,在下潛坑位置下潛,安裝時(shí)采用200 t起重船結(jié)合半潛駁進(jìn)行安裝。

根據(jù)出運(yùn)碼頭的設(shè)計(jì)資料，并結(jié)合實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)，其碼頭整體穩(wěn)定性、承載力均滿足沉箱預(yù)制出運(yùn)的安全使用要求。

沉箱出運(yùn)、安裝工藝流程如下：

寄存區(qū)沉箱→氣囊載運(yùn)沉箱→半潛駁停靠在出運(yùn)碼頭邊并定好位→沉箱移動上半潛駁→半潛駁至施工現(xiàn)場→半潛駁下潛→200 t起重船吊拖沉箱離駁→起重船吊拖沉箱至安裝位置→測量定位安放沉箱。

3 氣囊搬運(yùn)工藝

使用超高壓氣囊滾動平移運(yùn)載著沉箱出坑。氣囊搬運(yùn)指的是把超高壓的圓柱形膠囊鋪墊在沉箱的底面，往膠囊里填充氣體后把沉箱頂起來，把支承枕木取出來，再確定頂升高度(工作高度)為0.4 m，然后算出承載面積，氣囊采購的最短總長度應(yīng)根據(jù)氣囊的允許壓力值來測算，再定出鋪墊氣囊的位置及鋪墊氣囊的數(shù)量。氣囊工作高度H和氣囊直徑D這兩個(gè)因素共同決定了氣囊承載面寬度B，對氣囊施加壓力使之變形后，氣囊的截面形狀可近似的看成是由長度為B,H的方形及直徑為H的2個(gè)半圓組成，采用移動沉箱的超高壓滾動氣囊的直徑D=1.0 m，工作高度H=0.4 m。

3.1氣囊選擇

1)橫向移動沉箱CX1時(shí)：

氣囊的長度：L=L0+2×0.866D=19.13+2×0.866×1=20.862 m(L0取19.13 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承載面的寬度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承載面的面積：S=L×B=20.862×0.942=19.65 m2；

每根氣囊的容許承載力：F=P×S=0.3 MPa×19.65=589.56 t；

需要的氣囊數(shù)量：N0=G×K/F=2 969×1.3/589.56=6.5≈7根(K的取值為1.3)。由于實(shí)際受力的氣囊數(shù)量在平移轉(zhuǎn)換時(shí)比在正常狀態(tài)時(shí)少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面積較大，為了減輕氣囊承受的允許壓力，保證平穩(wěn)搬運(yùn)沉箱，防止氣囊之間的距離過大，氣囊的實(shí)際使用數(shù)量取N=9根。

2)縱向移動沉箱CX1時(shí)：

氣囊的長度：L=L0+2×0.866D=19.8+2×0.866×1=21.532 m(L0取19.8 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承載面的寬度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承載面的面積：S=L×B=21.532×0.942=20.28 m2；

每根氣囊的容許承載力：F=P×S=0.3 MPa×20.28=608.5 t；

需要的氣囊數(shù)量：N0=G×K/F=2 969×1.3/608.5=6.34≈7根(K的取值為1.3)。由于實(shí)際受力的氣囊數(shù)量在平移轉(zhuǎn)換時(shí)比在正常狀態(tài)時(shí)少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面積較大，為了減輕氣囊承受的允許壓力，保證平穩(wěn)搬運(yùn)沉箱，防止氣囊之間的距離過大，氣囊的實(shí)際使用數(shù)量取N=9根。

3.2校核氣囊的承載力

1)橫向移動沉箱CX1時(shí)(見表1)：

D=1.0 m，8根氣囊時(shí)(轉(zhuǎn)換狀態(tài))：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/8=482.5 t，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)P=482.5/(0.942×19.13)=0.268 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根氣囊時(shí)(正常狀態(tài))：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/9=428.9 t，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)P=428.9/(0.942×19.13)=0.238 MPa<0.30 MPa。

2)縱向移動沉箱CX1時(shí)(見表2)：

D=1.0 m，8根氣囊時(shí)(轉(zhuǎn)換狀態(tài))：單根承載力F=2 969×1.3/8=482.5 t，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)P=482.5/(0.942×19.8)=0.259 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根氣囊時(shí)(正常狀態(tài))：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/9=428.9 t，氣囊內(nèi)壓強(qiáng)P=428.9/(0.942×19.8)=0.230 MPa<0.30 MPa。

3.3校核氣囊的間距

表1 橫向移動時(shí)采用氣囊指標(biāo)表

表2 縱向移動時(shí)采用氣囊指標(biāo)表

為了保證沉箱混凝土的強(qiáng)度應(yīng)使氣囊有合適的間距，還應(yīng)避免氣囊之間互相壓疊在一起，校核氣囊間距的公式為：3.14×D/2-0.5

3.4牽引系統(tǒng)

3.4.1驗(yàn)算卷揚(yáng)機(jī)的牽引力(按照荷載大的沉箱CX1進(jìn)行驗(yàn)算)

兩側(cè)各配備一臺8 t卷揚(yáng)機(jī)合計(jì)兩臺，其牽引力為F=8 t×2=16 t≥KFc/Nc×cosb=1.2×118.76/13×cos0°=10.96 t，安全系數(shù)K取1.2;Nc為鋼絲繩道數(shù),取13道;b為牽引用的鋼絲繩與坡道之間的角度,取0°，所以牽引力滿足要求。

3.4.2鋼絲繩安全系數(shù)的驗(yàn)算

鋼絲繩采用貴州鋼絲繩廠家生產(chǎn)的φ24 mm纖維芯鋼絲繩(6×37S+1WR)，鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度為1 960 MPa，鋼絲繩的最小破斷力為37.3 t。平地牽拉沉箱時(shí)所需的牽引力為Fc=G×u=2 969×0.05=148.5 t，則鋼絲繩在牽拉沉箱過程中的安全系數(shù)為：K=37.3 t/(Fc/Nc/2)=37.3/(148.5/13/2)=6.53，所以，φ24 mm纖維芯鋼絲繩(6×37S+1WR)在牽引沉箱過程的安全系數(shù)大于規(guī)范所規(guī)定的K0=5，滿足使用要求。

3.5搬運(yùn)程序

把氣囊鋪墊在沉箱底部，氣囊之間應(yīng)整齊排列，相互平行，把牽引系統(tǒng)和供氣管道連接好；開動空壓機(jī)向各個(gè)氣囊同步供氣，當(dāng)充氣壓力上升到預(yù)定頂升壓力的80%時(shí)，暫停供氣。查看所有的氣囊壓力是否相同，不相同時(shí)可向單個(gè)氣囊充氣，使壓力基本相同后再繼續(xù)充氣，直到沉箱脫離支承枕木。關(guān)閉氣囊的進(jìn)閥，暫停供氣，移開支承枕木。把聯(lián)接膠管全部拆除，把所有氣囊的排氣閥打開，緩慢放氣。當(dāng)氣囊的高度下降到出運(yùn)高度時(shí)，關(guān)閉排氣閥，檢查各氣囊的壓力是否基本相同，如沒有基本相同則調(diào)整氣囊壓力至基本相同。開動卷揚(yáng)機(jī)，牽引沉箱緩慢向前移動。當(dāng)沉箱移動的方向上空出一個(gè)氣囊的間距時(shí)，暫停牽引，放入氣囊，向氣囊充氣直至達(dá)到預(yù)定壓力后再重新牽引。當(dāng)沉箱末端的氣囊快要離開沉箱時(shí)，打開該氣囊的排氣閥放氣，并拿到沉箱前面的擺放位置備用。重復(fù)以上步驟，直到將沉箱移到目的地；當(dāng)移動沉箱到達(dá)目的地后，停止?fàn)恳?。把支承枕木鋪墊在沉箱底部，再把所有氣囊的排氣閥打開排氣，把沉箱平穩(wěn)地安放在支承枕木上；把氣囊取出，進(jìn)行下個(gè)沉箱的出運(yùn)。

4 半潛駁出運(yùn)

4.1半潛駁的技術(shù)參數(shù)

本工程施工采用的半潛駁為“三航工3號”。其參數(shù)為：船長50.4 m、船寬31.2 m、型深4.5 m，載重量3 000 t，空船吃水1.5 m，最大潛深21 m。在允許載重量范圍下，每500 t載重量吃水為0.31 m。船首部設(shè)有一靠岸搭板，其尺寸為長1.2 m、寬22.6 m、高1.2 m。

4.2沉箱上半潛駁

沉箱上半潛駁牽引系統(tǒng)是由設(shè)置于岸上的地垅、卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組和半潛駁上的導(dǎo)輪固定架及其相連接的鋼絲繩組成。在漲潮時(shí)安排沉箱上半潛駁，當(dāng)潮位漲至+4.0 m～4.5 m時(shí)，半潛駁搭靠出運(yùn)碼頭。半潛駁每次裝載一件沉箱，沉箱上船后移動至半潛駁的中部，把專用鋼墊枕作為沉箱的支墊，并做好臨時(shí)加固工作。當(dāng)在高平潮未退潮之前，沉箱必須完全上駁并且半潛駁退出出運(yùn)碼頭，見圖1。

當(dāng)半潛駁就位結(jié)束后，往半潛駁內(nèi)艙抽水，使半潛駁吃水增加20 cm作為壓艙用水。然后將半潛駁調(diào)整水平，絞緊船頭左右纜繩，使駁船垂直靠緊岸壁。在半潛駁與碼頭平臺搭接處鋪上鋼板，啟動牽引系統(tǒng)，開始移動沉箱上駁。

由于沉箱從岸端牽引上駁時(shí)，船體會繞支座逐漸下沉，船尾吃水增加，搭板則繞支座轉(zhuǎn)動上翹。在上沉箱過程中及時(shí)調(diào)節(jié)船尾部的壓載水，讓船尾部稍許上浮，以確保整個(gè)船體水平。

沉箱上駁并移至指定位置后，在沉箱底部均勻墊放支承枕木以減少沉箱對甲板的應(yīng)力集中。本工程使用的墊木尺寸為20 cm×15 cm×120 cm，間距1.5 m，為了能方便抽出氣囊，鋪墊兩層枕木。

4.3半潛駁離開碼頭

在半潛駁上把沉箱支承牢固并把氣囊取出后，半潛駁利用艙內(nèi)排水上浮及潮水上漲使其脫離碼頭承臺支座，半潛駁在后錨的作用下鉸移離開碼頭。

4.4參數(shù)確定

4.4.1壓載平衡水

本工程沉箱前后趾對稱，在倉內(nèi)壓載平衡水的過程中，隨時(shí)觀測倉內(nèi)水面高度，確保各倉內(nèi)水面高度一致，吃水平衡。

4.4.2臨界吃水深度

CX1沉箱總重G=2 969 t，為了確保沉箱在下沉及吊離半潛駁過程的安全，起重船要持力100 t左右，設(shè)H為沉箱臨界吃水深度,則：100+16.8×19.13×1.025×H+(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×1.025×2=2 969，得出H=8.56 m(CX1沉箱的前后趾寬3.0 m，CX1沉箱扣除前后趾的寬度為16.8 m，CX1沉箱前后趾的合計(jì)體積為(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×2)。

4.4.3半潛駁下潛深度

半潛駁型深4.5 m，半潛駁下潛到CX1沉箱吃水8.56 m時(shí)停止下潛，半潛駁底離海底面有1.0 m富裕水深。因此，半潛駁下潛深度為安裝CX1沉箱時(shí)H1=4.5+8.56=13.06 m，安裝CX1沉箱時(shí)半潛駁下潛水域深H2=H1+1.0=14.06 m，沉箱現(xiàn)場安裝施工水位定為+2.8 m，因此安裝CX1沉箱時(shí)下潛水域底標(biāo)高H3=2.8-14.06=-11.26 m。經(jīng)現(xiàn)場安排下潛坑選在基槽開挖的邊坡范圍內(nèi)(碼頭前沿80 m寬度范圍)。因本工程沉箱現(xiàn)場安裝施工水位定為+2.8 m，碼頭停泊水域底標(biāo)高為-15.4 m，滿足半潛駁下潛的水深要求。

4.4.4半潛駁駐位

由于在漲潮時(shí)移動沉箱上船，運(yùn)移沉箱至下潛坑時(shí)已是在落潮時(shí)間段，在安裝現(xiàn)場依據(jù)漲落潮流趨勢，半潛駁垂直前沿線駐位，船艉朝海側(cè)，船頭對著岸側(cè)，船艏位于下潛坑的中心，在駁船4個(gè)主錨下潛時(shí)調(diào)整定位半潛駁。

5 沉箱安裝

在半潛駁就位并壓載下沉?xí)r，應(yīng)保證待安裝沉箱有最低壓載量，以防止沉箱上浮，使沉箱處于穩(wěn)定狀態(tài)。沉箱自重2 969 t，沉箱的外形尺寸為長19.13 m，寬19.8 m，高18.2 m。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)沉箱自重與浮力平衡時(shí)，沉箱下沉的上浮臨界吃水深約8.56 m。即當(dāng)沉箱下沉吃水至8.56 m前，必須注水壓載，沉箱的倉內(nèi)須加水(各倉一樣高)，以使沉箱處于穩(wěn)定狀態(tài)。安裝沉箱前應(yīng)詳細(xì)計(jì)算沉箱的每個(gè)隔倉的加水量、加水速率和沉箱在半潛駁上及在吊運(yùn)、安裝過程中的穩(wěn)定性。半潛駁駐位后，200 t起重船移船靠近沉箱就位，開始向半潛駁的壓載水艙灌水，使半潛駁均勻下潛，向沉箱內(nèi)注入符合要求的壓載水，當(dāng)沉箱吃水達(dá)到6.7 m左右時(shí)給起重船掛鉤，繼續(xù)使半潛駁下潛，沉箱內(nèi)注水，當(dāng)沉箱吃水達(dá)到8.6 m時(shí)，加大起重船的吊力，此時(shí)沉箱脫離半潛駁甲板面，緩慢平移離開半潛駁，吊移至預(yù)定安裝位置安放。

5.1200 t起重船就位

沉箱運(yùn)移至現(xiàn)場后，200 t起重船根據(jù)預(yù)先安放的安裝位置浮筒標(biāo)志進(jìn)行拋錨定位，當(dāng)?shù)统睍r(shí)的水位小于+2.8 m時(shí)開始安裝沉箱。調(diào)整起重船的船頭朝東側(cè)，船身大致與前沿線垂直，在岸上測量平臺上布設(shè)兩臺測量儀器，采用正面交匯法控制沉箱安裝的平面位置。

5.2沉箱下沉就位

由于本工程沉箱頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高為+2.8，設(shè)計(jì)低水位為+0.54 m，因此本工程沉箱安裝著床就位后，沉箱頂部可以露出水面。安裝沉箱順序?yàn)榈谝慌惭b2號泊位CX2沉箱2件，第二批安裝3號泊位與2號泊位拐角處的CX1沉箱2件及2號泊位剩余的CX2沉箱，第三批安裝3號泊位剩余CX1沉箱，第四批安裝1號泊位CX2沉箱，第五批安裝4號、5號泊位CX1沉箱，沉箱定位好后，通過沉箱的灌水閥門開關(guān)控制向箱內(nèi)注水，同時(shí)備用2臺潛水泵，以防應(yīng)急使用。通過注水量把沉箱的坡度調(diào)成與基床一致。通過向沉箱隔倉內(nèi)注水使沉箱逐漸下沉，沉箱下沉過程中，控制起重船的吊力穩(wěn)定在100 t左右。當(dāng)沉箱下沉至距基床頂面約30 cm時(shí)停止注水，檢查沉箱的平面位置是否符合要求，檢查沉箱底面坡度與基床頂面坡度是否一致。經(jīng)檢查符合要求后，緩慢放下起重船大鉤使沉箱著床，并往沉箱內(nèi)各隔倉注滿水。安裝好沉箱后，在每個(gè)沉箱頂面的四個(gè)角設(shè)置沉降、位移觀測點(diǎn)，定期進(jìn)行沉降、位移觀測。安裝沉箱后為了避免受臺風(fēng)影響及確保沉箱穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)向沉箱內(nèi)各隔倉回填。

[1] JTS 257—2008,水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[2] 張茂華．某碼頭沉箱拖運(yùn)與安裝施工控制[J]．中國水運(yùn)(下半月)，2016(7):247-250,297．

[3] 李桂發(fā)．沉箱出運(yùn)與安裝關(guān)鍵技術(shù)[J]．江西建材，2016(14):85,88．

Analysisoncriticalconstructiontechnologiesofthegravity-stylewharfcaissontransitandinstallation

XiongXiangjun

(XiamenXinghuaHarborSurvey&DesignCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

Combining with caisson transit and installation practice of 1#～5# parking engineering of Jinjing working area in Pingtan harbor region, starting from aspects of gasbag transit technique, semi-submerged barge and caisson installation, the thesis introduces critical caisson construction technologies in detail, which can provide some guidance for similar engineering.

gasbag transit technique, semi-submerged barge, caisson installation

1009-6825(2017)32-0084-04

2017-09-05

熊祥俊(1981- )，男，工程師

U656

A