超大型沉箱超高壓氣囊異步頂升、移運(yùn)施工技術(shù)

段 軍

（中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司 廣東珠海 519070）

1 引言

近些年，為了提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，船舶日趨大型化，碼頭建設(shè)也由有掩護(hù)水域往“開(kāi)敞、深水、超大型”方向發(fā)展。沉箱作為碼頭墻身構(gòu)件的一種[1-2]，其尺寸、重量也隨著碼頭噸位的增大而不斷增大，沉箱重量由開(kāi)始的幾百噸發(fā)展為幾千噸，甚至上萬(wàn)噸，目前國(guó)內(nèi)最大的沉箱達(dá)到了2.6萬(wàn)噸，類似于此種特大型沉箱，大多直接在浮船塢上進(jìn)行預(yù)制。

目前，國(guó)內(nèi)已研發(fā)出了通過(guò)膠囊臺(tái)車頂升、移運(yùn)大型沉箱出運(yùn)工藝[3-4]，把出運(yùn)沉箱的重量提高至7 000 t乃至10 000 t，但該工藝需設(shè)置專用出運(yùn)軌道，對(duì)預(yù)制場(chǎng)及半潛駁甲板的承載力等技術(shù)指標(biāo)要求高；同時(shí)需設(shè)計(jì)制造臺(tái)車系統(tǒng)、液壓頂推系統(tǒng)、專用水囊及注水系統(tǒng)等專業(yè)設(shè)備，專業(yè)性強(qiáng)且成套設(shè)備制造及維護(hù)成本高，多用于專業(yè)化預(yù)制場(chǎng)。

氣囊出運(yùn)是沉箱出運(yùn)的施工工藝之一[5-6]。傳統(tǒng)沉箱氣囊出運(yùn)工藝[7-8]采用在沉箱底部穿頂升氣囊，將沉箱一次性頂升到位進(jìn)行臨時(shí)支墊，再穿入滾動(dòng)氣囊，進(jìn)行水平移動(dòng)上駁[9-10]。但受制于沉箱氣囊抗壓能力和充氣能力，出運(yùn)的沉箱重量有限，目前氣囊出運(yùn)的最大沉箱重量為5 600 t。

當(dāng)遇到現(xiàn)有沉箱預(yù)制場(chǎng)不滿足千斤頂?shù)软斏に嚕ㄔO(shè)工期及成本又不允許重新進(jìn)行預(yù)制場(chǎng)改造情況下，如何成功在工期及成本都可控的前提條件下，利用現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)完成超大型沉箱頂升、出運(yùn)施工，是擺在施工人員面前亟需解決的難題。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

日照港嵐山港區(qū)北作業(yè)區(qū)6＃大宗散貨泊位工程為新建30萬(wàn)噸級(jí)專用碼頭泊位，項(xiàng)目位于山東省日照市嵐山頭東側(cè)海域，工程距岸約1.5 km。

本工程呈西北→東南走向，工程西北側(cè)順接30萬(wàn)噸碼頭一期工程，東側(cè)為已建防波堤，沉箱后沿線距防波堤上邊線85 m，中間海域海底高程-9.0～-11.0 m，西側(cè)為停泊水域及30萬(wàn)噸碼頭深水航道，寬750 m，原泥面標(biāo)高為-19～-21 m（需挖泥至設(shè)計(jì)標(biāo)高-25 m），海域地質(zhì)狀況滿足建設(shè)30萬(wàn)噸碼頭需要。

設(shè)計(jì)沉箱尺寸為28.41 m×20.71 m×28 m，重量達(dá)6 600 t，高寬比為0.73，共29個(gè)。此沉箱能滿足沉箱在現(xiàn)有萬(wàn)噸級(jí)半潛駁內(nèi)自然漂浮狀態(tài)，不需要起重船輔助吊浮出運(yùn)，有效化解安全隱患，操作較為簡(jiǎn)單。在此情況下，沉箱出運(yùn)安裝有兩種方案:

（1）在青島董家口港區(qū)內(nèi)專業(yè)預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，大功率拖輪長(zhǎng)途拖運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝。

（2）對(duì)港內(nèi)現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)進(jìn)行改造，滿足6 600 t沉箱預(yù)制、頂升移運(yùn)及上駁工藝要求。

2.2 現(xiàn)有沉箱預(yù)制場(chǎng)情況

與本工程配套的沉箱預(yù)制場(chǎng)已建成多年，預(yù)制場(chǎng)按預(yù)制出運(yùn)3 800 t沉箱設(shè)計(jì)。預(yù)制場(chǎng)共布置兩條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線底部設(shè)有4條氣囊溝，氣囊溝底部寬度為1.5 m，溝深25 cm，蓋板厚度25 cm，可以容納直徑不超過(guò)1 m的氣囊。原有預(yù)制場(chǎng)出運(yùn)口按照4 500 t半潛駁設(shè)計(jì)和建造，出運(yùn)口斜坡道長(zhǎng)度60 m，高差1.75 m，坡度較大，為2.9%，沉箱出運(yùn)危險(xiǎn)性較大。

2.3 出運(yùn)口坐底梁概況

出運(yùn)碼頭以舉力4 500 t的半潛駁為設(shè)計(jì)依據(jù)建造，設(shè)有坐底梁兩條（鋼筋混凝土梁），梁中心間距10 m，單條梁長(zhǎng)48 m，梁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+0.25 m。

3 方案比選

3.1 現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)條件下沉箱頂升、移運(yùn)工藝比較

在現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)條件下，能滿足出運(yùn)6 600 t沉箱可采用的頂升出運(yùn)工藝主要有以下3種，具體見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)有主要沉箱出運(yùn)工藝比較

通過(guò)對(duì)以上3種頂升移運(yùn)工藝對(duì)比，鑒于本工程沉箱數(shù)量較少，氣囊頂升移運(yùn)工藝更適合本工程。

3.2 采用附近專業(yè)預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，長(zhǎng)距離拖運(yùn)安裝工藝風(fēng)險(xiǎn)分析

周邊最近的、具備預(yù)制6 600 t沉箱的專業(yè)預(yù)制場(chǎng)位于青島市董家口港區(qū)，距離安裝現(xiàn)場(chǎng)約40海里，長(zhǎng)距離外海拖運(yùn)沉箱主要存在以下風(fēng)險(xiǎn):

（1）外海拖航需要約13 h，時(shí)間長(zhǎng)，為確保拖航安全，需將沉箱24個(gè)倉(cāng)格全部密封，增加操作過(guò)程，費(fèi)工費(fèi)料費(fèi)時(shí)。

（2）長(zhǎng)距離拖運(yùn)，外海風(fēng)大浪大，不確定因素多，安全風(fēng)險(xiǎn)比較大。

（3）工期不可控，外海拖運(yùn)受天氣影響大，要具備一定工況下方可進(jìn)行拖運(yùn)，不能保證工期。

3.3 采用專業(yè)預(yù)制場(chǎng)沉箱出運(yùn)安裝工藝比較

采用附近專業(yè)預(yù)制場(chǎng)預(yù)制與采用現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)預(yù)制工藝比較見(jiàn)表2。

表2 與專業(yè)預(yù)制場(chǎng)預(yù)制出運(yùn)安裝比較

通過(guò)以上對(duì)比，在港內(nèi)現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，短距離出運(yùn)安裝效益更明顯。

4 工藝原理[11]

氣囊頂升沉箱[12]，最大的限制因素是頂升氣囊的最大壓強(qiáng)，常規(guī)氣囊只能達(dá)到0.75 MPa，且高壓時(shí)間越久，氣囊安全隱患越大，施工過(guò)程中應(yīng)盡量避免頂升氣囊在最大氣強(qiáng)時(shí)工作，同時(shí)應(yīng)盡量減少最大壓強(qiáng)工作的維持時(shí)間。

氣囊異步頂升過(guò)程，就是將傳統(tǒng)的一次性頂升過(guò)程分解為3個(gè)過(guò)程。施工過(guò)程中，始終有沉箱的某一端著地（或坐在墊木上），以沉箱的該端點(diǎn)為支點(diǎn)，以各個(gè)氣囊頂升力為動(dòng)力，沉箱重力為阻力，當(dāng)動(dòng)力×動(dòng)力臂＞阻力×阻力臂時(shí)，即可完成頂升。

第一個(gè)過(guò)程，動(dòng)力臂大于阻力臂，需要的動(dòng)力小于阻力，即可以減少需要的頂升氣囊頂升力，有效降低頂升氣囊的最大氣壓。當(dāng)前趾離開(kāi)地面一定距離，即插入一條輔助氣囊1輔助頂升，從而有效降低頂升氣囊Q1、Q2、Q3、Q4氣壓，如圖1所示。

第二個(gè)過(guò)程，動(dòng)力臂小于阻力臂，需要的動(dòng)力大于阻力。開(kāi)始階段，所有頂升氣囊壓強(qiáng)均較大，隨后當(dāng)沉箱離開(kāi)地面一定距離，穿入多條輔助氣囊2、3、4、5等進(jìn)行輔助頂升，使?jié)M足需要的頂升氣囊Q4、Q3、Q2、Q1的頂升力大幅降低，施工更安全，如圖2所示。

圖1 第一個(gè)過(guò)程氣囊頂升示意

圖2 第二個(gè)過(guò)程氣囊頂升示意

第三個(gè)過(guò)程，動(dòng)力臂大于阻力臂，需要的動(dòng)力小于阻力，繼續(xù)利用輔助氣囊輔助頂升氣囊頂升，使頂升氣囊壓強(qiáng)保持在低水平并完成最終頂升，如圖3所示。

圖3 第三個(gè)過(guò)程氣囊頂升示意

其中（如圖4所示）:

圖4 工作狀態(tài)氣囊示意

（1）每一個(gè)氣囊頂升力＝氣囊壓強(qiáng)×氣囊受力面積＝氣囊壓強(qiáng)×氣囊受力長(zhǎng)度×氣囊受力寬度；

（2）動(dòng)力臂＝氣囊中心至支點(diǎn)的距離；

（3）氣囊壓強(qiáng)可直接從壓力表讀?。?/p>

（4）氣囊受力長(zhǎng)度＝沉箱長(zhǎng)度-兩個(gè)氣囊囊頭長(zhǎng)度及氣囊之間間距＝沉箱長(zhǎng)度-（0.866 D+1）；

（5）氣囊受力寬度L＝（氣囊周長(zhǎng)-以頂升高度為直徑的圓的周長(zhǎng)）/2＝π（D-H）/2。

本技術(shù)使用預(yù)留銷孔法水平移運(yùn)沉箱，即在沉箱底板四周事先預(yù)留銷孔，鋼銷插入沉箱預(yù)留的銷孔中，然后利用鋼銷的抗剪性能，由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼銷帶動(dòng)沉箱水平移運(yùn)；同時(shí)，鋼銷可重復(fù)利用。

5 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1 施工工藝流程(見(jiàn)圖5)

圖5 施工工藝流程

5.2 操作要點(diǎn)

5.2.1 準(zhǔn)備工作

（1）施工人員到位

項(xiàng)目部配備技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工指導(dǎo)，同時(shí)配備現(xiàn)場(chǎng)施工人員:調(diào)度、卷?yè)P(yáng)機(jī)操作手、氣囊操作工、空壓機(jī)操作工、電工、清理氣囊溝支墊墊木的普通工人、裝載機(jī)司機(jī)、吊車司機(jī)等。

（2）氣囊溝

沉箱預(yù)制前，吊開(kāi)蓋板、將氣囊溝內(nèi)的淤泥和碎石等雜物清除；移運(yùn)前清除氣囊溝內(nèi)積水、清理施工場(chǎng)地，保證無(wú)尖銳物，無(wú)雜質(zhì)，防止扎破氣囊。

（3）氣囊

根據(jù)氣囊溝尺寸、數(shù)量及頂升沉箱尺寸、重量，選擇適用的氣囊長(zhǎng)度、耐壓參數(shù)、數(shù)量。見(jiàn)表3。

表3 氣囊規(guī)格

（4）充氣設(shè)備

氣囊充氣設(shè)備采用20 m3空壓機(jī)及儲(chǔ)氣罐，空壓機(jī)最大提供氣壓0.81 MPa，儲(chǔ)氣罐容量3 m3，主要作用是儲(chǔ)存氣體并給氣囊提供穩(wěn)定氣壓的氣體。將空壓機(jī)及儲(chǔ)氣罐用塔吊布置在沉箱附近，這樣可以減少空壓機(jī)至氣囊因?yàn)殚L(zhǎng)距離造成的氣壓損失。

進(jìn)場(chǎng)壓力試驗(yàn):將多條試驗(yàn)用頂升氣囊穿入沉箱底下的氣囊溝，將空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐及頂升氣囊用充氣管道連接，啟動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。

（5）牽引系統(tǒng)檢查

對(duì)牽引系統(tǒng)中的卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩、滑輪組、導(dǎo)向輪、卡環(huán)等，應(yīng)逐項(xiàng)檢查運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常、轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活、鋼絲繩是否纏繞，并排除一切隱患。

5.2.2 沉箱異步頂升施工

（1）頂升氣囊穿氣囊溝

塔吊吊起頂升氣囊一端，氣囊另一端連接鋼絲繩穿過(guò)沉箱底部氣囊溝，與裝載機(jī)連接。裝載機(jī)拖運(yùn)，將頂升氣囊穿到沉箱底部氣囊溝內(nèi)（見(jiàn)圖6）。

圖6 頂升氣囊 穿入氣囊溝

（2）前墻頂起

充氣設(shè)備給頂升氣囊充氣，靠近前趾氣囊壓強(qiáng)大于靠近后墻的氣囊壓強(qiáng)，使沉箱前趾離開(kāi)地面10 cm，沉箱前趾下斜插入輔助超高壓氣囊1，輔助氣囊兩個(gè)端頭外露（見(jiàn)圖7）。對(duì)輔助氣囊充氣至一定壓強(qiáng)時(shí)，前趾離開(kāi)地面18 cm，在前墻下兩個(gè)輔助氣囊之間擺放一層墊木（見(jiàn)圖8）。

圖7 輔助氣囊1 輔助頂升

圖8 前墻下插入一層墊木

（3）后墻頂升

靠近前趾頂升氣囊減壓，使前墻坐在墊木上，靠近后墻頂升氣囊加壓，后墻不斷頂高。至后墻離開(kāi)地面10 cm，后墻下斜插入輔助超高壓氣囊2充氣繼續(xù)頂升；后墻離開(kāi)地面20 cm，在氣囊溝間穿入3組普通輔助氣囊（囊頭直徑15 cm）并充氣（見(jiàn)圖9），后墻離開(kāi)地面34 cm時(shí)，后墻穿入多組二層墊木，撤除輔助超高壓氣囊2，墊木位置應(yīng)避開(kāi)滾運(yùn)氣囊位置（見(jiàn)圖10）。

圖9 插入輔助 氣囊頂升

圖10 撤出輔助氣囊，插入墊木

（4）前墻再次頂升

后面以墻端支墊的兩層墊木作為沉箱支點(diǎn)，靠近后墻的氣囊減壓，靠近前墻頂升氣囊加壓，輔助氣囊1、3、4、5分別加壓，至前趾離開(kāi)地面30 cm，撤出原來(lái)放入的并排墊木，放入多組二層墊木（見(jiàn)圖11、圖12）。

圖11 前趾二次頂升

圖12 前趾放入二層墊木

（5）異步頂升完成

完成臨時(shí)支墊，輔助氣囊和頂升氣囊均逐漸放氣，使沉箱慢慢坐到墊木上，蓋板回位。觀察墊木變形和地面沉降情況，當(dāng)無(wú)明顯異常后撤出所有氣囊，沉箱頂升完成。

5.2.3 沉箱移運(yùn)

（1）施工準(zhǔn)備

①卷?yè)P(yáng)機(jī)及滑輪組的選定

使用2臺(tái)20 t卷?yè)P(yáng)機(jī)拖行（見(jiàn)圖13），鋼絲繩直徑為34.5 mm，滑輪組為8繩組，滑輪組與插銷連接的鋼絲繩直徑65 mm，6×37+1型，連接時(shí)為3股連接（見(jiàn)圖14）。

圖13 卷?yè)P(yáng)機(jī)

圖14 滑輪組

②插銷選定

現(xiàn)場(chǎng)采用直徑150 mm的HPB300圓鋼做插銷，共4根，其中長(zhǎng)1.3 m的插銷2根，1.6 m插銷2根。

（2）滾運(yùn)氣囊頂升

沉箱頂升完成后，蓋板全部回位后，可以穿插滾動(dòng)氣囊，滾運(yùn)氣囊穿插方式同頂升氣囊。滾運(yùn)氣囊數(shù)量根據(jù)沉箱重量選擇，滾動(dòng)氣囊穿插到位后，給所有的滾動(dòng)氣囊充氣，使沉箱頂升至30 cm，抽出墊木，使沉箱坐在氣囊上。

（3）氣囊移運(yùn)沉箱

沉箱滾運(yùn)前，預(yù)先將前、后沿鋼銷插入牽引孔（見(jiàn)圖15），套上牽引鋼絲繩，由前面2臺(tái)20 t卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，后面2臺(tái)15 t卷?yè)P(yáng)機(jī)控制沉箱防止滑移（見(jiàn)圖16）。在卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力的作用下移動(dòng)，沉箱往前移動(dòng)。移動(dòng)過(guò)程中，沉箱前沿較后沿高10～20 cm，防止沉箱失控。依靠沉箱前移時(shí)氣囊與沉箱間的摩擦力，沉箱移動(dòng)帶動(dòng)氣囊滾動(dòng)。前進(jìn)方向準(zhǔn)備多組接應(yīng)氣囊，同時(shí)對(duì)最后一組氣囊卸壓，用塔吊或汽車吊將氣囊倒運(yùn)至沉箱前方，繼續(xù)做接應(yīng)氣囊。

圖15 沉箱底部預(yù)留銷孔

圖16 使用預(yù)埋銷孔牽引 連接裝置移運(yùn)沉箱

（4）沉箱存放

圖17 沉箱存放

本工程因特殊原因不能立即安裝時(shí)，需要將沉箱存放在出運(yùn)通道上。施工前對(duì)出運(yùn)通道的地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)承載力較低的地方需進(jìn)行處理，場(chǎng)地滿足要求后方可用于沉箱存放。沉箱氣囊移動(dòng)至預(yù)定位置后，插入墊木，撤出滾運(yùn)氣囊，沉箱移運(yùn)完成，如圖17所示。

6 施工注意事項(xiàng)

（1）沉箱混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再頂升、出運(yùn)。

（2）墊木應(yīng)選用硬雜木制作，進(jìn)場(chǎng)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格檢查，防止不合格木料進(jìn)場(chǎng)。當(dāng)用墊木進(jìn)行支墊沉箱時(shí)，墊木的中心線應(yīng)與沉箱外墻中心線一致，防止底板被壓壞。

（3）輔助氣囊充氣過(guò)程應(yīng)逐步加壓，避免損壞沉箱周圍混凝土。

（4）沉箱移動(dòng)過(guò)程要慢，防止因突然啟動(dòng)或拉力過(guò)猛，導(dǎo)致銷孔周圍的混凝土被拉裂。

（5）沉箱鋪底前應(yīng)檢查氣囊溝，將氣囊溝內(nèi)的尖銳物清理干凈；檢查氣囊溝蓋板，破損蓋板應(yīng)進(jìn)行更換，必須保證蓋板完整。

（6）移運(yùn)前，加固模板底腳的鋼筋頭等尖銳物必須清理干凈，保證鋼筋頭凹于地面，并用砂漿抹平，對(duì)地面進(jìn)行清掃，保證出運(yùn)通道沒(méi)有尖銳石子或堅(jiān)硬物。

（7）在每次沉箱移運(yùn)前、后均應(yīng)對(duì)出運(yùn)所用的地錨圓鋼、卡環(huán)、鋼絲繩、氣囊、卷?yè)P(yáng)機(jī)等進(jìn)行全面檢查，確保所有材料均按照設(shè)計(jì)要求的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行選用，并保證處于良好的工作狀態(tài)，不符合要求的要進(jìn)行加固或更換。

（8）沉箱移運(yùn)時(shí)人員不得離鋼絲繩太近，所有人員嚴(yán)禁正對(duì)氣囊囊頭。沉箱移運(yùn)過(guò)程中，鋼絲網(wǎng)正對(duì)氣囊頭放置，隨沉箱的移動(dòng)而移動(dòng)，鋼絲網(wǎng)時(shí)刻距離氣囊頭1 m。作業(yè)人員不得違章在氣囊頭附近走動(dòng)，防止受傷。

7 結(jié)束語(yǔ)

本技術(shù)采用的沉箱異步頂升工藝，將氣囊出運(yùn)沉箱最大重量記錄由5 600 t提高到6 600 t，不僅大大提高了氣囊出運(yùn)工藝的出運(yùn)能力和適用范圍，同時(shí)降低了沉箱頂升移運(yùn)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工總體進(jìn)度；利用鋼銷牽引沉箱，水平移運(yùn)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高，節(jié)約成本；改進(jìn)了沉箱水平移動(dòng)牽引連接的方式，節(jié)省了施工用鋼，進(jìn)一步節(jié)約了資源；不需要臺(tái)車、千斤頂?shù)却笮偷臋C(jī)械設(shè)備，又避免了沉箱長(zhǎng)途拖運(yùn)，減少了燃油污染，具有較好的環(huán)保效益；另外本技術(shù)能適應(yīng)大多數(shù)預(yù)制場(chǎng)，減少了預(yù)制場(chǎng)改造費(fèi)，可供設(shè)計(jì)單位和施工單位參考選用，為建設(shè)單位決策提供實(shí)用、可靠的依據(jù)。

本成果能為臨時(shí)、戰(zhàn)備碼頭以及其他深水重力式碼頭配套預(yù)制場(chǎng)建設(shè)、改造提供參考，不僅可應(yīng)用于沉箱重力式碼頭施工，也可推廣應(yīng)用到其他大型鋼筋混凝土構(gòu)件、大型鋼結(jié)構(gòu)、大型船舶等的頂升與移運(yùn)，有助于推動(dòng)交通運(yùn)輸、建筑、船舶裝備制造行業(yè)發(fā)展，具有較廣闊的應(yīng)用推廣前景。