大型異形沉箱安裝施工技術

胡振華，梁旭清，馬 磊

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 前言

深圳某項目工程中，泵房基礎、過濾涵是安裝難度最大的沉箱，其內(nèi)部無艙隔，無法采取常規(guī)的加水壓載方式進行調(diào)平。因此，該大型異形沉箱出運及安裝的主要難度，在于出塢時調(diào)平及安裝時精確定位2 個工序。針對施工難點，現(xiàn)場結(jié)合實際施工情況開展技術方案論證及詳細計算對比，選取合理的工藝技術進行施工。

1 工程概況

取水口過濾涵及泵房基礎采取預制與現(xiàn)澆相結(jié)合的工藝。預制泵房基礎自重約為4 862 t，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，預制過濾涵自重約為5 079 t，過濾涵及泵房基礎預制工作安排在某預制場預制，預制完成后，由于泵房基礎及過濾涵均為不封閉結(jié)構(gòu)，需設置封堵措施以便水上出運及安裝。止水措施設置后，經(jīng)5 500 t半潛駁船托運至現(xiàn)場安裝。

圖1 泵房基礎預制三維圖Fig.1 3D Drawing of Pump House Foundation Prefabrication

2 止水措施設置

泵房基礎為半封閉結(jié)構(gòu)，進水口處采用廠家提供的7 套鋼閘門進行止水。過濾涵為貫通結(jié)構(gòu)，設置鋼封門和鋼閘門進行止水。過濾涵在進水口處設置4套自行設計的鋼封門進行止水，在出水口處設置4 套廠家提供的鋼閘門進行止水。

鋼封門采用8 mm 鋼板作為面板，設置在迎水面，采用18 號工字鋼及18 號槽鋼進行支撐，在端部18 號工字鋼及18號槽鋼相接處設置5號槽鋼，內(nèi)部填充止水橡膠帶進行止水。為方便施工人員進行安拆工作，在迎水面面板上設置爬梯。鋼封門制作完成后需進行測試檢查其止水密封性。泵房基礎、過濾涵安裝完成后，需對其進行箱內(nèi)二次澆注工作，確保整個干施工過程封門的強度、剛度和密封性［1］。

過濾涵鋼封門封堵示意圖如圖2所示。

圖2 過濾涵鋼封門封堵示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Filter Culvert Steel Seal

3 出運安裝方案比選

3.1 傳統(tǒng)壓載調(diào)平出運方案

泵房基礎及過濾涵內(nèi)部無艙隔，自行設置艙隔從工期和成本上考慮均不實用，故不適合采用壓載水進行調(diào)平，經(jīng)多次討論后，擬定采用壓載素混凝土塊進行調(diào)平［2］。素混凝土塊規(guī)格尺寸為1 m×1 m×1 m，單件重約2.3 t。預制泵房基礎及預制過濾涵經(jīng)半潛駁船浮運至下潛坑后，進行固體加載，詳細數(shù)據(jù)如表1所示。

固體加載塊安置于2 000 t 方駁上，利用50 t 履帶吊將素混凝土塊放置于泵房基礎及過濾涵預定位置。

泵房基礎固體加載設置于圓弧段，圓弧段端頭設置預埋圓臺螺母，混凝土塊加載時采用槽鋼固定，槽鋼最終由潛水員進行水下拆卸，固體加載位置如圖3、圖4所示。

過濾涵固體加載設置在圓弧段后方隔墻邊，采用鋼絲繩穿過隔墻間預留錨筋進行固定。

表1 泵房基礎、過濾涵數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Statistical of Pump House Foundation and Filter Culvert Data

表2 浮游穩(wěn)定計算結(jié)果Tab.2 Results of Plankton Stabilization Calculation

圖3 泵房基礎固體加載位置圖Fig.3 Basic Solid Loading Location Map of Pump House

圖4 泵房基礎壓載塊加固示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Reinforcement of Ballast Block of Pump House Foundation

利用CAD 進行三維建模，選取坐標原點，其浮游穩(wěn)定計算結(jié)果如表2 所示。泵房基礎壓載后吃水達11.74 m，基床底標高為-10.0 m，即至少需1.84 m 的潮位才能夠進入，因經(jīng)過長期觀察潮汐表比現(xiàn)場實測高程高10 cm左右，故至少需要1.94 m的潮位［3］。

根據(jù)2018 年潮汐表統(tǒng)計顯示：超過1.84 m 水位的天數(shù)3 月份只有9 d，持續(xù)2 h 以上的才5 d，并均在晚上；4 月份只有 2 d，持續(xù)時間不超過 1 h；5 月份有5 d。3個月內(nèi)超180 cm高潮歷時超過2 h的共10 d［4］。

綜上所述可知，泵房基礎浮游穩(wěn)定時干舷高度過低，固體加載時安放工藝精度高、耗時長，現(xiàn)場潮水滿足安裝條件的窗口期少，且固體加載拆除工藝復雜、安全風險大，故需根據(jù)施工實際情況重新制定出運安裝工藝。

3.2 方案優(yōu)化

3.2.1 方案1：改變結(jié)構(gòu)，通過減少泵房基礎自身重量提升干舷高度

經(jīng)多次內(nèi)部討論，提出通過改變泵房基礎自身重量，減少其自身重力，從而減少泵房基礎吃水工藝。實現(xiàn)該方案主要有如下2種工藝：

⑴ 預制時，底板預留部分不澆筑，減少底板重量，待安裝完畢后同箱內(nèi)隔墻一同進行二次現(xiàn)澆。

⑵ 將外墻頂層中心線往后一側(cè)澆注時預留一定高度，模板暫不拆除，待安裝完畢后，趕潮水將剩余部分澆注完成后再進行箱內(nèi)隔墻澆注施工［5］，如圖5所示。

此類方案可減少泵房基礎吃水，增加其干舷高度，方便安裝施工，經(jīng)計算，減少底板200 t 重量，泵房基礎干舷高度提升50 cm，為1.10 m，側(cè)壁減少2 m 后澆，干舷高度為1.45 m，干舷高度提升85 cm。通過減輕構(gòu)件重量后，吃水減少，可滿足安裝要求，但干舷高度仍偏低，浮運安裝過程存在較大的安全風險，且后續(xù)施工操作不便［6］。

圖5 外墻頂層預留后半部分不澆筑三維圖Fig.5 The Top of the Outer Wall Reserves the Back half of the Wall without Pouring the 3D Drawing

3.2.2 方案2：起重船輔助安裝［7］

在公司內(nèi)部與多位專家研究，并據(jù)此召開了出運安裝專項方案研討會，提出采用1 000 t起重船輔助安裝工藝。

⑴ 設備選型

以本工程使用的起重船為例：采用1 000 t 起重船，該起重船配置2個大鉤及2個小鉤，每個大鉤可承擔500 t 吊力，每個小鉤可承擔200 t 吊力。大鉤與小鉤前后間距15 m。

⑵ 工藝原理

由于泵房基礎后壁與進水口處存在質(zhì)量差，質(zhì)量差值為234 t，需進行調(diào)平?；诖藛栴}，通過利用起重船主鉤對泵房基礎進行調(diào)平，使泵房基礎重心逐漸趨向于其中軸線位置，將泵房基礎調(diào)整至平衡狀態(tài)?？紤]風浪條件影響及泵房基礎調(diào)平時干舷高度較低僅1.5 m等因素，待起重船2個主鉤將泵房基礎調(diào)整至平衡狀態(tài)后，提升兩側(cè)大鉤及小鉤共同作用，將泵房基礎干舷高度提升1 m，使干舷高度達到2.5 m。

泵房基礎頂部設置8 個吊環(huán)，布置形式為后壁4個吊環(huán)、進水口處4個吊環(huán)（后壁4個吊環(huán)采用大鉤起吊，兩兩共用1 條鋼絲繩。進水口4 個吊環(huán)采用小鉤起吊，兩兩共用1 條鋼絲繩，如圖6 所示）。吊耳板采用Q345 鋼材，吊耳孔直徑d=150 mm，吊耳板厚度δ=50 mm，吊耳板寬D=600 mm，另在各吊耳板兩側(cè)加焊厚度δ=25 mm 加強鋼板，加強板寬度為400 mm。各吊孔中放置孔徑與吊孔相適應的鋼管吊軸。該吊耳設計報設計確認后滿足設計對混凝土抗裂要求。

圖6 泵房基礎吊點布置平面布置Fig.6 Layout Plan of Foundation Lifting Point of Pump House

⑶ 施工方法

通過輔助安裝，泵房基礎吃水完全滿足全天候施工要求，因此選擇在退潮時進行安裝。通過起重船將泵房基礎吊運至安裝基床附近后，測量員通過設置于泵房基礎頂部的GPS 精確定位，定位完成后，通知現(xiàn)場起重指揮人員，起重指揮人員向起重船操作手傳達信號，將泵房基礎緩慢下放。隨著潮位慢慢降低，泵房基礎隨之下沉，必要時可適當往泵房內(nèi)加水，加速下沉。下放過程中，測量員實時定位，調(diào)整偏差，待泵房基礎底部剛好坐底時，采用起重船二次將構(gòu)件吊起距基床約10 cm 高，測量員確認泵房基礎安裝位置滿足安裝要求時，下放吊鉤將泵房基礎坐落于基床上，測量員再次對泵房基礎精確定位。確認符合要求時，快速打開進水閥門，進行注水工作，使其漲潮后仍可以穩(wěn)定地坐落于基床上。若安裝泵房基礎坐于基床上后，安裝偏差不能滿足設計要求，則必須重新起吊安裝，直至滿足要求為止。過濾涵出運安裝工藝同泵房基礎，不再重復敘述。

⑷ 相關計算書

① 吊耳板加強板焊接及錨固鋼筋焊接與焊縫強度

泵房基礎、過濾涵吊點錨固鋼筋數(shù)量均為14根。

吊耳板焊接應有焊接工藝評定。焊縫應為連續(xù)焊，不應有夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。焊縫采用角焊縫，E50 焊條，一級焊縫，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：GB 50017-2003》［8］相關規(guī)定，角焊縫焊腳尺寸不得小于為較厚焊件厚度，且不宜大于較薄焊件厚度的1.2 倍，對于吊耳板與加強板焊接，取焊腳尺寸hf1=11 mm，對于吊耳板與錨固鋼筋焊接，取焊腳尺寸hf2=22 mm，錨固鋼筋采用HRB300 螺紋鋼D28，焊縫強度根據(jù)《水運工程鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：JTS 152-2012》校核，即：

式中：τf為沿焊縫長度方向的剪應力；N為軸向拉力設計值，取最重構(gòu)件計算，N=P×1.2×1.2×1.3×1.4；he為焊縫的計算厚度，he=0.7×hf；lw為焊縫計算長度，對于吊耳板與加強板焊接，為單面焊，lw1=2×（L-2×4×hf），L為加強板周長，對于吊耳板與錨固鋼筋焊接，為雙面焊，lw2=n×2×（200-2×22），n為焊條根數(shù)為焊縫的強度設計值，取250 MPa。

吊耳板與加強板焊接：

吊耳板與錨固鋼筋焊接：

鋼筋錨固長度計算：

式中：la為受拉鋼筋錨固長度；α為鋼筋外形系數(shù)，取0.16；fy為普通鋼筋抗拉強度設計值，取270；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值，取1.71；d為鋼筋的公稱直徑。經(jīng)計算得：

又根據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范：JTS151-2011》，錨筋埋入深度不應小于30 倍鋼筋直徑，取單根鋼筋錨固長度900 mm，滿足要求。

錨固鋼筋強度驗算：

② 泵房基礎大鉤調(diào)平時，吊鉤受力情況：

通過計算后壁質(zhì)量差為234 t，通過2 個大鉤進行調(diào)平，故每個大鉤所受力：

計算時取120 t。

大鉤與小鉤間距為15 m，后壁與進水口處吊點間距為14 m，起吊時所用鋼絲繩為60 m 走通鋼絲繩，故可近似認定調(diào)平及提升干舷高度時鋼絲繩為垂直狀態(tài)。即忽略鋼絲繩產(chǎn)生的水平力。

③ 泵房基礎調(diào)平后，整體提升1 m 時，吊鉤及吊耳受力情況

泵房基礎提升干舷高度1 m，鋼絲繩負擔重量為252 t。此時由4個吊鉤共同承擔（計算時取3個吊鉤算）［9］。

提升1 m干舷高度，吊鉤承受拉力大小為：

因此，由上述分析可知，泵房基礎調(diào)平和整體提升1 m 后：大鉤承受的最大拉力為120+84=204 t，計算時考慮卸扣及鋼絲繩重量，則單個大鉤設計吊重為210 t；小鉤承受的最大拉力為84 t，計算時考慮卸扣及鋼絲繩重量，則單個小鉤設計吊重為90 t；1 000 t起重船配置2 個大吊鉤及2 個小吊鉤，每個大吊鉤可承擔500 t 吊力，每個小吊鉤可承擔200 t 吊力。起重船輔助泵房基礎出塢時大吊鉤拉力達到最大值，為210 t，遠小于起重船大吊鉤拉力值，查1 000 t起重船起重參數(shù)可知，吊高46.2 m，跨距49.9 m 時，扒桿角度為50°，此時大吊鉤可吊起320 t重物，滿足起重要求。

④優(yōu)點

a.可直接使用起重船對構(gòu)件進行調(diào)平，無需進行固體壓載調(diào)平，且還能對構(gòu)件起到助浮和穩(wěn)定構(gòu)件的作用；

b.安裝時可通過起重船上的船機錨纜調(diào)整泵房基礎位置，解決大型異形沉箱難以準確調(diào)整位置的問題；

c.采用起重船輔助安裝，若一次安裝不滿足規(guī)范要求，起重船可將泵房基礎重新吊起安放，無需抽水，操作方便，安裝精度高。

4 結(jié)語

⑴ 水上安裝自浮式的大型異型構(gòu)件原則上應保證構(gòu)件自浮游穩(wěn)定，但在水深無法滿足安裝要求，構(gòu)件干舷高度低的情況下，可采用起重船輔助移動安裝，能降低施工安全風險。

⑵ 通過采用建立數(shù)字三維模型圖，對構(gòu)件的關鍵部位理解、相關尺寸關系、工藝過程的控制有很好的幫助，能更加準確、高效地推進施工。

本工程的安裝施工技術對于今后水上大型異型構(gòu)件的安裝具有一定的指導意義。