大型沉箱由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)工藝技術(shù)探討

郭思軍 孫康星

中交一航局第二工程有限公司，中國(guó)·山東 青島 266071

大型沉箱在原地坪上建造臺(tái)座，由氣囊縱橫移移運(yùn)至出運(yùn)臺(tái)座后端，經(jīng)斜坡過(guò)渡段由氣囊移運(yùn)至膠囊臺(tái)車上，期間采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙、膠囊臺(tái)車頂部鋪墊木排，成功解決了大型沉箱底部掏沙、氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)等施工難題，為后續(xù)施工奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

斜坡過(guò)渡段；頂推鋼斗掏沙；鋪墊木排；氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)

1 引言

龍口港西港作業(yè)區(qū)#5、#6 泊位工程為順岸重力式沉箱結(jié)構(gòu)，共有沉箱20 個(gè)，其中原有沉箱5 個(gè)，接高沉箱7 個(gè)，新建沉箱8 個(gè)。沉箱施工、出運(yùn)工期為2018．10．2-12．15，工期非常緊迫，須在出運(yùn)線南側(cè)原地坪上新建4 個(gè)大型沉箱，沉箱尺寸為32．11 m×15．95（16．95）m×20．8m，重量為4953．8t。施工前需鋪墊底模支撐沉箱，沉箱完工后，底部需掏沙處理，再由氣囊縱橫移運(yùn)至出運(yùn)臺(tái)座后端，經(jīng)2．5%斜坡過(guò)渡段由氣囊移運(yùn)至膠囊臺(tái)車上。因受膠囊臺(tái)車頂升高度限制，氣囊移至膠囊臺(tái)車上后無(wú)法直接出運(yùn)，需在溝蓋板上鋪墊一層木排，從而解決膠囊臺(tái)車頂升受限問(wèn)題。

圖1 沉箱預(yù)制場(chǎng)平面布置圖

2 課題研究?jī)?nèi)容

2.1 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)方案比選和確定

方案一：傳統(tǒng)方案

沉箱底模采用間隔鋪墊工字鋼，為縮短施工周期，淘汰沉箱底部人工掏沙工藝，在工字鋼頂部滿鋪方木，再鋪墊硬質(zhì)牛皮紙作沉箱隔離層。待沉箱強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，即可穿插氣囊，氣囊經(jīng)縱橫移運(yùn)至膠囊臺(tái)車蓋板上，在沉箱周邊支墊鋼板及枕木，抽出氣囊后，在溝蓋板下布置16 臺(tái)600t 千斤頂及底座，且每4 臺(tái)千斤頂由1 臺(tái)油泵控制頂升，直至沉箱脫離枕木后，立即撤離沉箱支墊的枕木，再緩慢回落千斤頂，直至沉箱及溝蓋板回落至臺(tái)座上，撤離油泵、千斤頂及底座，最后膠囊臺(tái)車就位，開(kāi)始頂升沉箱。

方案二：優(yōu)化方案

沉箱底模采用間隔鋪墊工字鋼，工字鋼間填充細(xì)砂，頂部鋪墊一層舊木膠板及硬質(zhì)牛皮紙作沉箱隔離層。待沉箱強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙處理，掏沙效率為1．5d/個(gè)，再穿插氣囊，氣囊經(jīng)縱橫移運(yùn)至膠囊臺(tái)車蓋板上后（膠囊臺(tái)車已經(jīng)就好位），在沉箱周邊支墊鋼板及鋼管支墩，抽出氣囊。吊移沉箱后方2 塊溝蓋板，安裝操控室頂升膠囊臺(tái)車，直至溝蓋板離地2cm 高，關(guān)閉水閥，且撤離操控室，采用裝載機(jī)將膠囊臺(tái)車牽引出溝蓋板。經(jīng)膠囊放水調(diào)平溝蓋板后，在蓋板上擺放木排。最后由卷?yè)P(yáng)機(jī)將膠囊臺(tái)車連同木排一起牽引至沉箱底部，重新安放操控室，繼續(xù)加水頂升沉箱，直至沉箱脫離鋼管支墩后，迅速撤離支墩，再緩慢放水直至滑塊支撐在支墊上，臺(tái)車頂升沉箱前移[1]。綜上所述，因傳統(tǒng)方案一施工費(fèi)用較高、千斤頂頂升沉箱施工風(fēng)險(xiǎn)較大，且大型千斤頂采購(gòu)時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足施工要求。擬選定優(yōu)化方案二，既能節(jié)約施工成本，又保證施工進(jìn)度及安全。

表1 方案一與方案二施工費(fèi)用比選

2.2 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)工藝原理

沉箱由氣囊經(jīng)縱橫移運(yùn)至臺(tái)車溝蓋板上后，在沉箱周邊支墊2cm 厚鋼板、23．5cm 鋼管支墩及1．5cm 木膠板，總高度為27cm。抽出氣囊后，臺(tái)車頂升溝蓋板離地2cm 高，采用裝載機(jī)將臺(tái)車牽引出溝蓋板，經(jīng)放水調(diào)平溝蓋板后，頂面擺放20cm 厚木排，木排與沉箱間預(yù)留4～5cm 縫隙。最后由卷?yè)P(yáng)機(jī)將臺(tái)車及木排牽引至沉箱底部，臺(tái)車?yán)^續(xù)加水頂升沉箱，直至沉箱脫離支墩1cm 后，立即撤離所有支墩，此時(shí)臺(tái)車頂升總高度為10．5cm（含臺(tái)車與溝蓋板間2．5cm 空頂高度），再將臺(tái)車放水直至滑塊支撐在支墊上，臺(tái)車頂升沉箱前移，同時(shí)半潛駁11 的臺(tái)座支墊相應(yīng)增高20cm 木排，且需加固處理。待沉箱上半潛駁11 就位后，臺(tái)車?yán)^續(xù)加水頂升沉箱，直至滑塊復(fù)位，方可放水撤離膠囊臺(tái)車。

圖2 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)工藝流程

2.3 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車操作要點(diǎn)及其受力驗(yàn)算

2．3．1 原地坪底模鋪設(shè)

（1）底模鋪設(shè)

沉箱底模采用280mm 工字鋼橫向鋪設(shè)，鋪設(shè)凈間距為1．75m，工字鋼間填充密實(shí)細(xì)砂，工字鋼及細(xì)砂上鋪墊一層15mm 木膠板及硬質(zhì)牛皮紙作沉箱隔離層，沉箱底板周邊攤鋪一層寬48cm 防水丙綸作止?jié){處理。

圖3 沉箱底模鋪設(shè)圖

（2）沉箱底模工字鋼受力分析

最大沉箱重4953．8t，由17 根280mm 工字鋼支撐，單根工字鋼長(zhǎng)19．35m，凈間距為1．75m。

荷載計(jì)算：q=4953．8×10/（17×19．35）=150．6kN/m

抗剪計(jì)算：Q=qL=150．6×1=150．6kN

截面抗剪強(qiáng)度：

T=3Q/2bh=3×150600/(2×122×280)=6．6N/mm2<[T]=125，滿足要求。

2．3．2 沉箱底模撤離

沉箱底部采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙處理，頂推鋼斗裝置由裝載機(jī)、鋼桁架、鋼斗三部分組成，三者間均設(shè)置陰陽(yáng)卡槽，由Φ25 高強(qiáng)螺栓連接。為便于施工操作，直接在裝載機(jī)斗內(nèi)焊接兩組由2cm 厚的15×15cm 鋼板組成的卡槽，中間打設(shè)Φ27mm 孔，卡槽間距800mm，便于連接長(zhǎng)6m 寬800mm 鋼桁架。鋼桁架主梁采用雙8[槽鋼焊接，中間采用8[槽鋼作支撐及斜撐，共需3 組，總長(zhǎng)18m。鋼桁架前端連接鋼斗，鋼斗底板采用1cm 厚鋼板，肋板采用2cm 厚鋼板，后端采用雙12[槽鋼焊接而成，鋼斗長(zhǎng)1．3m 寬1．5m。掏沙時(shí)先采用1 組6m 長(zhǎng)鋼桁架使用裝載機(jī)頂推掏沙，再依次采用2、3 組鋼桁架頂推掏沙，施工進(jìn)度為每個(gè)沉箱1．5 天。待細(xì)砂清除干凈后，即可穿入氣囊頂升沉箱，直至沉箱脫離工字鋼后，再由裝載機(jī)撤出工字鋼，當(dāng)沉箱向前滾動(dòng)時(shí)，安排人收拾木膠板并擺放整齊。

圖4 裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙

2．3．3 沉箱縱橫移出運(yùn)方案

沉箱縱橫移選用Ф1m 超高壓氣囊，壁厚為10mm，出廠檢驗(yàn)承壓能力為0．36MPa，許用壓力為0．30MPa，正常使用壓力為0．2-0．25MPa，安全閥限壓值取0．35MPa，氣囊正常工作高度H 為30cm，承載面寬：B=(πD-πH）/2=1．1m。

（1）沉箱縱移

氣囊Φ1m，有效工作長(zhǎng)度16．95m，工作壓力：0．25MPa。氣囊起重高度為0．3m 時(shí)，承載面寬1．1m。氣囊每延米承載力250×1．1 ＝275KN，每條承載力275×16．95 ＝4661．25KN，氣囊數(shù)量49538/4661．25 ＝10．6 條，為保持沉箱的穩(wěn)定性，應(yīng)隨時(shí)保持有14 條氣囊支撐的狀態(tài)，加上接應(yīng)氣囊5 條，共需19 條氣囊。氣囊在未充氣情況下，寬度為1．57m<1．75m，滿足施工要求。

圖5 氣囊縱移布置

（2）沉箱橫移

氣囊Φ1m，有效工作長(zhǎng)度32．11m，工作壓力0．25Mpa。氣囊起重高度為0．3m 時(shí)，承載面寬1．1m，每條氣囊承載力275×32．11 ＝8830．25KN，氣囊數(shù)量49538/8830．25 ＝5．6 條，為保持沉箱的穩(wěn)定性，應(yīng)隨時(shí)保持有7 條氣囊支撐的狀態(tài)，加上接應(yīng)氣囊4 條，共需氣囊11 條。

圖6 氣囊橫移布置

（3）沉箱底部支墩選用及布設(shè)

沉箱底部支墩采用高235mm 的Φ420mm 鋼管，管內(nèi)上下焊接2 層Φ20 鋼筋，并澆筑C30 砼。施工時(shí)先在沉箱周邊鋪墊寬1．1m 厚2cm 鋼板，鋼板上鋪墊2 排鋼管支墩，支墩頂部鋪設(shè)一層15mm 厚木膠板，支墩布設(shè)完成后，即可放氣抽出氣囊，進(jìn)行氣囊縱橫移換位。待氣囊換位后，采用繩索直接將鋼管砼支墩撤出，將其滾運(yùn)至下道換位處，施工搬運(yùn)較方便。

圖7 鋼管支墩制作

圖8 鋼管支墩澆筑砼

圖9 鋼管支墩支撐

原地坪地基為回填碎石碴層，普夯碾壓后，經(jīng)地基檢測(cè)地基承載力特征值均為480KPa，地基上再澆筑20cm 厚C25砼面層。本工程沉箱共支墊108 塊支墩，每塊支墩受力為458．7KN。

σ=N/An=458．7×103/（3．14×0．21×0．21）=3．31<12．5 N/mm2，滿足要求。

支墩底座壓力荷載通過(guò)鋼板傳遞到面層后，再經(jīng)面層傳遞至回填土石方基面（混凝土墊層擴(kuò)角取45 度），支墩地基承載力驗(yàn)算：

N/Ad≤Kfk

式中N—支墩傳至鋼板的軸心力設(shè)計(jì)值，取沉箱壓力值49538kN

Ad—鋼板基礎(chǔ)的底面積，取115．43m2

fk—地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，按砼基礎(chǔ)上回填碎石碴土分層碾壓后地基承載力≥480KPa

K—調(diào)整系數(shù)，混凝土取1．0

49538/115．43=429．16KPa<480KPa，地基承載能力滿足施工要求。

2．3．4 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)臺(tái)座改造方案

根據(jù)氣囊出運(yùn)要求，斜坡過(guò)渡段坡度比宜2．5%，為便于出運(yùn)，氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)臺(tái)座由轉(zhuǎn)換平臺(tái)段、斜坡過(guò)渡段、膠囊臺(tái)車頂升段3 部分組成。其中轉(zhuǎn)換平臺(tái)段、斜坡過(guò)渡段處理前，先在臺(tái)車溝內(nèi)預(yù)埋Φ108 鋼管，鋼管內(nèi)穿插膠囊臺(tái)車牽引鋼絲繩，鋼管坡度根據(jù)鋼絲繩實(shí)際坡度而定。每根鋼管采用2 組10#工字鋼進(jìn)行加固處理，鋼管間焊接密實(shí)，兩端砌筑加氣磚封堵后，再分層回填石碴。待石碴回填完成后，在布置支墩位置澆筑寬1．5m 高70cmC30 砼圈梁，圈梁砼強(qiáng)度達(dá)75%后，轉(zhuǎn)換平臺(tái)段、斜坡過(guò)渡段即可分層回填石碴，石碴經(jīng)碾壓完成后，再澆筑20cm 厚C30 砼面層。最后在斜坡過(guò)渡段與膠囊臺(tái)車頂升段銜接部位凹槽處填充22cm 厚石粉，并澆水碾壓密實(shí)后，方可進(jìn)行氣囊滾運(yùn)。

圖10 轉(zhuǎn)換平臺(tái)段

圖11 斜坡過(guò)渡段

圖12 膠囊臺(tái)車頂升段

氣囊滾運(yùn)至溝蓋板上時(shí)，氣囊方向與溝蓋板方向垂直，氣囊正常工作起重高度為0．3m，承載面寬1．1m，溝蓋板寬1．65m，則每塊蓋板承載力250×1．1×1．65 ＝453．8KN。

蓋板兩端擱置在管溝壁上，板按簡(jiǎn)支受力計(jì)算，均荷載q=453．8/2．8=162．07KN/m

鋼筋砼溝蓋板相對(duì)受壓區(qū)高度

式中：As--蓋板鋼筋的截面面積為3236mm2

A/s--蓋板鋼筋的截面面積為402mm2

fc--C40 砼19．5N/mm2

b--1650mm

h0--100-(15+10/2)=80mm

ξ=340×(3236-402)/(19．5×1650×80)=0．37<ξb=0．544

截面抵抗矩系數(shù)：

氣囊滾運(yùn)至溝蓋板上時(shí)為短暫設(shè)計(jì)狀況，ψ=0．95;結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅰ級(jí)，r0=1．1;結(jié)構(gòu)系數(shù)rd=1．2

M=1．1×0．95×0．0456×qL2

=1．1×0．95×0．0456×162．07×1．65×1．65

=21．03KN．m

M=21．03KN．m

2．3．5 氣囊縱橫移牽引地牛及預(yù)埋件受力分析

牽引力公式F=fQ，其中f 為氣囊與地面滾動(dòng)摩擦力取0．04，Q 為沉箱重量

F=0．04×4953．8=198．15t。

本沉箱移運(yùn)的橫移和縱移均由4 部卷?yè)P(yáng)機(jī)完成，規(guī)格為25t，繩速11m/min，卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)10倍率滑輪組對(duì)沉箱進(jìn)行牽引，每臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力為250t，2臺(tái)合力達(dá)500t，出運(yùn)速度為1．22m/min。

地牛及其預(yù)埋件受力計(jì)算

（1）斜坡i=2．5%，a=1．43°

f1=4953．8×sina=123．56t

f2=4953．8×cosa=4952．26t

f磨=f2×0．04=198．09t

如需要反拉F=123．56+198．09=321．65t

圖13 斜坡上沉箱重力G 分解

（2）根據(jù)一般后溜力f1=123．56t，選用Φ65鋼絲繩，6×37(a)直徑為65mm(公稱抗拉強(qiáng)度1670Mpa，纖維芯)鋼絲繩最小破斷拉力為2328．4KN，最小破斷拉力總和為2328．4×1．226=2854．6KN。使用雙根，安全系數(shù)K=268．4×2/123．56=4．6倍。

如沉箱需往回反拉，反拉力F=321．65<536．8t，滿足要求。

（3）25t 卷?yè)P(yáng)機(jī)采用Φ40 鋼絲繩作為牽引用，鋼絲繩的破斷力為0．33×40×40×(1670/1000)×1．226=108．1t，安全系數(shù)=108．1/25=4．3>4。

（4）地牛結(jié)構(gòu)計(jì)算

地牛自重G=3．5×3．0×2．5×2．3=60．4t

斜坡最大后滯力P=321．65t

地錨受拉后的被動(dòng)土壓力T=P×cosa×0．5=160．77（f=0．5）

G+T>P×sina×3(安全系數(shù)K ≥3)

地牛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求。

（5）地牛吊鼻受力計(jì)算

本工程每座地牛上預(yù)埋2 個(gè)Φ70 圓鋼吊鼻。

當(dāng)?shù)醐h(huán)埋入方向與吊索方向基本一致受力時(shí)，單個(gè)吊環(huán)鋼筋截面面積可按下列式計(jì)算：

A=3F/2nfy

=3×321．65/(2×2×210×10^6)

=114．88>38．46cm2

選用Φ70 圓鋼做吊鼻滿足施工要求。

2．3．6 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車鋪墊木排方案

（1）鋪墊木排施工流程

牽引臺(tái)車、溝蓋板至沉箱底座外→鋪墊木排→牽引臺(tái)車、溝蓋板、木排至沉箱底部→臺(tái)車頂升沉箱

圖14 鋪墊木排

（2）鋪墊木排操作要點(diǎn)

①待氣囊滾運(yùn)至臺(tái)車頂升段且支墊完成后，進(jìn)行膠囊臺(tái)車注水，當(dāng)臺(tái)車頂升蓋板脫離地面2cm 后，關(guān)閉注水閥，采用裝載機(jī)將臺(tái)車、溝蓋板牽引出沉箱底座外。

②依次打開(kāi)臺(tái)車水閥，放水調(diào)平溝蓋板，調(diào)平后依次擺放20cm 厚木排，采用卷?yè)P(yáng)機(jī)將臺(tái)車、溝蓋板、木排緩慢牽引至沉箱底部。

③臺(tái)車?yán)^續(xù)注水頂升沉箱，當(dāng)沉箱脫離枕木后，立即撤離所有枕木，然后緩慢放水直至沉箱回落由臺(tái)車墊塊支撐，此時(shí)沉箱離開(kāi)臺(tái)座地坪270mm（木排厚20cm+臺(tái)車墊塊支撐70mm），臺(tái)車頂升沉箱前移至半潛駁11 坐底。

3 工藝實(shí)施效果

3.1 氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)實(shí)施效果

本工程沉箱底部采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙，大大縮短施工工期，且掏沙完成后均滿足陸上氣囊出運(yùn)要求。氣囊經(jīng)轉(zhuǎn)換平臺(tái)、斜坡過(guò)渡段、膠囊臺(tái)車頂升段后，采用木排成功實(shí)現(xiàn)氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)難題，且出運(yùn)過(guò)程中，沉箱平穩(wěn)，施工安全可靠。

圖15 沉箱縱橫移

圖16 鋪墊木排后沉箱頂升

3.2 實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)

（1）沉箱底模采用鋪墊工字鋼，中間填充密實(shí)細(xì)砂，頂部鋪設(shè)舊木膠板，底部掏沙時(shí)采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙等優(yōu)化工藝，平均每個(gè)沉箱只需1．5 天，使用人工約15 工日，裝載機(jī)1．5 臺(tái)班，節(jié)約大量施工成本，同時(shí)大大縮短施工工期。

（2）沉箱底部支墩采用鋼管砼支墩，節(jié)約大量木材成本，且鋼管砼支墩可直接滾運(yùn)，搬運(yùn)方便。

（3）本工程沉箱縱橫移通過(guò)轉(zhuǎn)換平臺(tái)段、斜坡過(guò)渡段、膠囊臺(tái)車頂升段，合理利用原有地坪基礎(chǔ)，并將原部分臺(tái)座進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，成功將不同高度的出運(yùn)臺(tái)座由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)，節(jié)約大量臺(tái)座建造費(fèi)用，為后續(xù)預(yù)制場(chǎng)改擴(kuò)建提供參考。

（4）本工程沉箱由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)，主要通過(guò)在溝蓋板上鋪墊20cm 厚木排及15mm 厚竹膠板，成功解決膠囊臺(tái)車頂升高度不夠，摒除了大型千斤頂頂升困難等施工難題，為后續(xù)沉箱陸上氣囊出運(yùn)提供借鑒。

4 效益評(píng)估

傳統(tǒng)方案采用間隔鋪墊工字鋼，頂部滿鋪方木，氣囊轉(zhuǎn)運(yùn)至膠囊臺(tái)車臺(tái)座上后，采用600t 千斤頂頂升工藝，施工費(fèi)用為183．01 萬(wàn)元；優(yōu)化方案后采用間隔鋪墊工字鋼，中間填充密實(shí)細(xì)砂，頂部滿鋪木膠板，采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙，氣囊轉(zhuǎn)運(yùn)至膠囊臺(tái)車臺(tái)座上后，在膠囊臺(tái)車上鋪墊木排，施工費(fèi)用為66．78 萬(wàn)元。兩方案相比較，本工程采用的優(yōu)化方案共節(jié)約116．23 萬(wàn)元。同時(shí)工藝優(yōu)化后，施工進(jìn)度滿足業(yè)主工期要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程大型沉箱由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車采用裝載機(jī)頂推鋼斗掏沙、鋼管砼墩支撐、斜坡過(guò)渡段、溝蓋板上鋪墊木排等優(yōu)化工藝，成功解決了沉箱底部掏沙難、枕木搬運(yùn)難、不同高度的出運(yùn)臺(tái)座由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)難等施工難題，同時(shí)大大縮短了施工工期，保證了施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了大型沉箱由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車施工安全、環(huán)保、高效、低耗的目標(biāo)。

實(shí)踐證明大型沉箱由氣囊轉(zhuǎn)膠囊臺(tái)車出運(yùn)工藝是非常成功的，對(duì)類似工程具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，亦為沉箱陸上出運(yùn)施工提供了一種成功的創(chuàng)新方法，是對(duì)傳統(tǒng)工藝施工技術(shù)的一項(xiàng)重大突破，這對(duì)提高沉箱出運(yùn)水平具有重要意義，它的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。