受限航道中沉箱吊浮結(jié)合方式運(yùn)輸工法研究

王甫學(xué)

摘 要：鑒于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整體穩(wěn)定性好的較大優(yōu)勢，其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。本文基于既有四類沉箱水上運(yùn)輸方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，并對(duì)受限航道中沉箱遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過程中涉及的通航航道復(fù)雜性、沉箱波浪荷載計(jì)算、吊浮結(jié)合運(yùn)輸可行性、吊力與浮力分配規(guī)律、吊浮結(jié)合運(yùn)輸工藝、施工質(zhì)量及安全控制開展了系統(tǒng)地研究，提出了吊浮結(jié)合方式沉箱水上運(yùn)輸工法，為實(shí)際工程提供參考。

關(guān)鍵詞：沉箱;運(yùn)輸;吊浮結(jié)合

中圖分類號(hào)：U693? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）07-0095-03

隨著“一帶一路”和海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國修建了大量高技術(shù)含量的人工島。鑒于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整體穩(wěn)定性好的較大優(yōu)勢，其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應(yīng)用。一般情況下，沉箱的施工流程主要包括陸地加工場內(nèi)的沉箱預(yù)制、沉箱陸地出運(yùn)、沉箱下水、沉箱水上運(yùn)輸與沉箱安裝定位。待沉箱成功下水后，開始進(jìn)行水上運(yùn)輸，當(dāng)前工程中常用的四種沉箱水上運(yùn)輸方法分別為浮運(yùn)、拖輪拖帶半潛駁運(yùn)輸、駁船配合浮吊船運(yùn)輸和浮吊吊運(yùn)，這四類出運(yùn)方法各有各自的特點(diǎn)和適用條件[1]。上述四類沉箱水上運(yùn)輸方法已在沉箱運(yùn)輸過程中得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

然而，在受限航道中，航道水深和寬度均會(huì)受到一定限制，且在復(fù)雜的近海環(huán)境中，波浪和水流的影響均不能忽略，施工環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性均迫使我們探尋一類適用于受限航道的大型沉箱水上運(yùn)輸方法。為此，本文基于既有四類沉箱水上運(yùn)輸方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，并對(duì)受限航道中沉箱遠(yuǎn)距離運(yùn)輸過程中涉及的通航航道復(fù)雜性、沉箱波浪荷載計(jì)算、吊浮結(jié)合運(yùn)輸可行性、吊力與浮力分配規(guī)律、吊浮結(jié)合運(yùn)輸工藝、施工質(zhì)量及安全控制開展了系統(tǒng)地研究，提出了吊浮結(jié)合方式沉箱水上運(yùn)輸工法。

1工藝介紹

1.1工藝原理

本工法基于吊、浮相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了借助起重能力較低的起重船運(yùn)輸較重沉箱的任務(wù)，可以通過改變沉箱的吃水深度來調(diào)整吊力與浮力的分配比例。

根據(jù)沉箱的規(guī)格和起重船的承載能力，使得沉箱的一部分浸入水中，并配合起重船進(jìn)行起吊，由起重船拖帶沉箱前行。此方法可以有效地借助水的浮力來減輕起重船的吊力，同時(shí)能夠通過調(diào)整起重船的吊力來改變沉箱的吃水深度。根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際情況，合理調(diào)整起重船的吊力與水的浮力（沉箱的吃水深度），使其達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。基于本工法進(jìn)行沉箱的水上運(yùn)輸時(shí)，沉箱的受力如圖1所示：

其中，he表示沉箱的吃水深度，F(xiàn)L表示起重船的吊力，F(xiàn)v表示水動(dòng)力在豎直方向的分力，F(xiàn)h表示水動(dòng)力在水平方向的分力，F(xiàn)c表示起重船水平方向?qū)Τ料涞臓恳?，G表示沉箱重力。對(duì)于任何一個(gè)瞬間，均滿足下表公式：

水平方向： Fh=Fc （1）

豎直方向： FL+ Fb=G （2）

1.2適用范圍

本工法適用于水上沉箱的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。對(duì)于航道條件受限（水深受限或者航道寬度受限）、沉箱規(guī)格較多、工期要求較嚴(yán)格、施工設(shè)備受限及非極端波浪條件下（通常波高不大于2.0m，波浪周期不大于10s）的工況，該施工方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更加明顯。

2 施工工藝流程

沉箱在陸域加工場進(jìn)行預(yù)制，預(yù)制完成后，通過頂升氣囊頂升沉箱，再通過拉移氣囊將其移運(yùn)至出運(yùn)碼頭前沿。然后由起重船吊起沉箱并放入水中，借助水的浮力減輕起重船的拉力，并使沉箱半漂浮在水面上，之后由起重船拖帶沉箱到施工現(xiàn)場，最后進(jìn)行沉箱的安裝就位。施工工藝流程圖如圖2所示。

3 操作要點(diǎn)

3.1準(zhǔn)備工作

沉箱出運(yùn)、安裝準(zhǔn)備工作主要包括沉箱出運(yùn)前檢查、清理沉箱底座、清理出運(yùn)道路、系圍捆鋼絲繩、選擇并布置氣囊、沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算等。

3.2氣囊出運(yùn)沉箱

在完成沉箱在預(yù)制場內(nèi)的預(yù)制后開始采用氣囊法進(jìn)行沉箱出運(yùn)如圖3所示。其方法通過對(duì)沉箱下放置的膠囊充氣、加壓頂升沉箱，再在需移動(dòng)的方向上施加牽引力，使氣囊產(chǎn)生滾動(dòng)，從而達(dá)到搬運(yùn)沉箱的目的。

3.3沉箱下水

沉箱下水時(shí)采用1800t自航起重船吊運(yùn)方式，起重船吊運(yùn)過程需密切關(guān)注施工現(xiàn)場風(fēng)浪及現(xiàn)場其他船舶動(dòng)向，以確保沉箱下水過程中的安全。下水具體流程為：起重船移船拋錨定位完成→起重船開始平穩(wěn)漸進(jìn)的方法移船至吊裝區(qū)域位置上方→吊鉤下降使吊具下的高強(qiáng)桿軸接近沉箱至適當(dāng)高度→起重船微調(diào)使桿軸與沉箱吊裝孔準(zhǔn)確對(duì)位，對(duì)位后落鉤將高強(qiáng)桿軸完全穿過沉箱→將吊具下高強(qiáng)桿軸鎖上保險(xiǎn)銷→起重船主鉤逐漸上升，當(dāng)主鉤受力至額定負(fù)荷的1/5～1/4（約74-93t）停止上升，檢查吊索、吊具、高強(qiáng)拉桿連接狀況[2]→如無異常，主鉤繼續(xù)上升至沉箱處于完全懸浮狀態(tài)→起重船開始平穩(wěn)后移→沉箱放入水中。如圖4所示。

3.4沉箱水上運(yùn)輸

對(duì)于自身重量較起重機(jī)承載力大的沉箱采用浮吊結(jié)合方式進(jìn)行水上運(yùn)輸。本工法中沉箱運(yùn)輸時(shí)會(huì)同時(shí)借助水的浮力和起重船的吊力，依靠水的浮力和起重船的吊力將沉箱運(yùn)輸通過水深或?qū)挾仁芟薜暮降?，并將其拖行至安裝水域，此時(shí)需要進(jìn)行沉箱的水動(dòng)力荷載計(jì)算和浮游穩(wěn)定性驗(yàn)算，沉箱水上運(yùn)輸示意圖如圖5所示。

在近海環(huán)境中施工時(shí)，波浪荷載通常是影響沉箱運(yùn)輸穩(wěn)定性的最主要荷載。本文對(duì)沉箱波浪荷載的主要影響因素（波浪參數(shù)和沉箱幾何尺寸）進(jìn)行了系統(tǒng)地參數(shù)敏感性分析，并基于數(shù)值分析結(jié)果，采用多變量分析方法，提出了一個(gè)能夠用于粗略估計(jì)沉箱波浪荷載的數(shù)學(xué)計(jì)算方法：

F=F（H， T， d， a， b， he）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：

a——沉箱迎浪側(cè)垂直于波浪傳播方向一側(cè)的尺寸

b——沉箱沿著迎浪方向的尺寸

he——沉箱吃水深度

通過研究發(fā)現(xiàn)波浪荷載隨著波高和周期的增大而增大，隨著水深的增大而略微減小，同時(shí)發(fā)現(xiàn)吃水深度對(duì)沉箱波浪荷載的影響與波高有一定的關(guān)聯(lián)性，并確定沉箱波浪荷載的計(jì)算公式如下：

式中：

z1、z2——沉箱底面與靜止水面處的坐標(biāo)值

3.5沉箱安裝

當(dāng)沉箱基于本文所提出的浮吊結(jié)合方法運(yùn)輸至指定海域時(shí)，方可籌備沉箱的安裝。 沉箱安裝的主要步驟為：起重船移船拋錨定位完成→起重船用漸進(jìn)的方法移船定位，并結(jié)合變幅的方法將沉箱平穩(wěn)的吊至安裝區(qū)域位置上方[2]→主鉤緩慢下降，沉箱距基床30cm左右（視現(xiàn)場風(fēng)浪情況，確定提升高度）→測量復(fù)核→微調(diào)起重船使沉箱精確定位，主鉤緩慢下降→1～2個(gè)低潮后再檢查沉箱位置。

4總結(jié)

綜上所述，吊浮結(jié)合方式水上運(yùn)輸能夠充分發(fā)揮吊運(yùn)與浮運(yùn)各自的優(yōu)勢，顯著增加此工法對(duì)施工環(huán)境的適應(yīng)性，增加沉箱水上運(yùn)輸過程中的浮游穩(wěn)定性，易于控制沉箱的前進(jìn)方向。同時(shí)，其借助起重設(shè)備的吊力和水的浮力來克服沉箱重力與前進(jìn)過程中的阻力，水的浮力降低了運(yùn)輸過程中對(duì)設(shè)備的要求，在一定程度上減少了設(shè)備費(fèi)用和人工成本。

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