高長細比沉箱內(nèi)抽砂重新起浮的施工探討

楊衛(wèi)東，劉慧波

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032）

引 言

沉箱是目前重力式碼頭最常用最主要的構(gòu)件。隨著碼頭等級越建越大，泊位要求的前沿水深也越來越深，故使沉箱朝高長細比趨勢發(fā)展。沉箱在安裝成功并回填砂石后，因各種原因可能會要求重新起浮安裝，但如何從細長狹小的沉箱隔倉中水下抽砂，以達到重新起浮的重量要求，是施工中需解決的關(guān)鍵問題。中石化（香港）洋浦成品油保稅庫項目配套碼頭工程在施工中就遇到了這種問題，現(xiàn)場采用自制空壓抽砂機進行水下抽砂的方法，有效地解決了高長細比沉箱重新起浮的關(guān)鍵技術(shù)問題，取得了很好的效果。

1 工程概述

中石化（香港）洋浦成品油保稅庫項目配套碼頭工程的1#泊位為10萬t級成品油泊位，其中工作平臺沉箱4件，采用方沉箱。沉箱底板四周帶趾，沉箱尺寸（長×寬×高）10 m×10 m×20.2 m，趾長1.0 m，底板厚度 60 cm；每件沉箱內(nèi)設(shè) 4個隔倉，隔倉尺寸4.5 m×4.5 m；沉箱外壁厚35 cm，內(nèi)壁厚25 cm，重量約為1 143.5 t。該沉箱于2016年9月中旬完成安裝，10月上旬完成沉箱內(nèi)14 m的中粗砂回填（中粗砂內(nèi)摩擦角μ≥28°）。

2 沉箱重新起浮安裝的施工流程

沉箱重新起浮安裝的基本工序如圖1。

圖1 沉箱的重新起浮安裝流程

在重新起浮安裝施工的工序中，與首次安裝略有不同的工序需特別注意。

1）沉箱基床清淤

沉箱安裝完成后，可能有回淤填滿了基床面和沉箱底板之間。如果不清淤，沉箱底面和基床面會因為淤泥產(chǎn)生相互吸力，造成起浮重力加大，增加起浮難度。

2）沉箱內(nèi)抽砂

這項工序是沉箱重新起浮的關(guān)鍵，其主要困難在于沉箱內(nèi)隔倉較狹小，水深較深，不能采用大型機械設(shè)備；回填砂內(nèi)摩擦角大，不容易吸動。

3）沉箱移位到臨時存放處擱放

58例CT診斷肋骨骨折116處，其中背段、腋段、前段和軟骨段骨折分別為37、60、14和5處，發(fā)生率分別為31.9%、51.7%、12.1%和4.3%（表1）。

沉箱起浮后的臨時存放處盡量靠近安裝位置，減少沉箱轉(zhuǎn)運距離，提高工作效率。

3 沉箱抽砂深度計算

本次沉箱重新起浮采用400 t起重船，考慮到沉箱和起重船隨浪升、沉?xí)r，有可能因升、沉不同步或升沉值不相同，吊力變大，起重船的額定吊力應(yīng)大于起重吊力且留有較大的富裕量[1]，故安全吊力（F吊力）按額定吊力的65 %即260 t（260 000 N）計算。按浮力與自重相等原則計算出沉箱空載自身起浮的吃水高度為12 m。為減少沉箱起浮重量，計劃在高潮位時進行沉箱起浮工作，此時沉箱吃水深度取18.5 m。

沉箱富裕吃水的浮力F浮=ρgv（ρ為液體密度，取1 000 kg/m2；g為重力加速度常數(shù)，取10 kg/m2；v為富裕排水體積，取沉箱起浮時吃水體積與空載自身起浮時吃水體積之差）。

回填砂的重力G砂=F浮+F吊力=9 100 kN，故沉箱內(nèi)最多能留存910 t砂。沉箱裝砂面積S=4.5×4.5（隔倉面積）×4=81 m2，沉箱內(nèi)回填砂最大可留存高度設(shè)為h，砂的密度ρ砂按1 t/0.7 m3取值。按G砂=ρ砂×V砂=S×h×ρ砂，即 910=81×h×1/0.7，則回填砂留存高度h=7.86 m。

考慮到還要進行抽水施工和安全系數(shù)，故回填砂高度取7 m。目前沉箱內(nèi)已回填砂約14 m左右，因此需要在約4.5 m邊長的隔倉內(nèi)進行近7 m的水下抽砂施工。在抽砂完成后，另需抽水至砂面以減輕自重，此時內(nèi)外水差為18.5-7-0.6（底板厚度）=10.9 m，且因短距離轉(zhuǎn)移，波高小于1.0 m時，只考慮靜水壓力[2]，經(jīng)計算沉箱壁厚能滿足水壓力要求。

4 自制空壓抽砂機原理及制作工藝

自制空壓抽砂機的核心構(gòu)件主要是排沙管、高壓進氣管、高壓噴水管、自制風(fēng)包、底部攪拌裝置和相關(guān)連接件，其構(gòu)成如圖2、圖3。

空壓抽砂機由空氣輸送管、排砂管、高壓水管、自制吸砂器、攪拌裝置等構(gòu)件組成。由空氣壓縮機輸送足夠風(fēng)量進入自制吸砂器風(fēng)包內(nèi)，并向排砂管內(nèi)噴射，形成圓錐形高速氣流，向排砂管出口排放，使風(fēng)包下部的排砂管入口處形成負壓，產(chǎn)生吸力，將砂水混合物吸入排砂管，從而隨同高壓氣流連續(xù)不斷排出排砂管外，達到抽砂的目的[3]。為了更大效率的抽砂，采用高壓水槍和攪拌裝置對砂進行擾動，使抽砂機抽取的砂水混合物中能含更多的砂料。

根據(jù)空壓抽砂機的抽砂原理，有如下參數(shù)需要考慮：

式中：

H為沉箱內(nèi)水面至砂面的高程；

h為吸砂管出口至水面的高程；

δ1為水的相對密度；

δ2為砂、水、空氣混合物的密度。

高壓空氣的氣壓P：

式中：P為氣壓，kg/cm2[4]。

上述公式的滿足，才能使砂水空氣混合物能在壓力下排出排砂管外。按上述公式，H的深度與砂的比重、空氣壓力及風(fēng)量有關(guān)；且為了減少空氣壓力，增大吸砂效果，h應(yīng)越小越好。所以該抽砂機的效率決定于供給抽砂機的風(fēng)量和風(fēng)壓的大小、水的深度和排砂口高度；抽砂量決定于排砂管中所含砂的濃度，其主要與高壓水槍、攪拌裝置的砂子擾動程度有關(guān)。

圖2 自制空壓抽砂機示意

圖3 自制風(fēng)包大樣

經(jīng)工程現(xiàn)場反復(fù)試驗，本工程平均吸砂水深H為12 m左右，h為1.5 m，空壓機氣壓在0.5 MPa下，能達到最理想的吸砂效果。

5 結(jié) 語

隨著重力式碼頭等級的逐年增加，沉箱結(jié)構(gòu)日趨高大，沉箱安裝施工的復(fù)雜性和重要性使其越來越成為重力式碼頭施工工序中的重中之重。施工過程的復(fù)雜性使沉箱很有可能需要重新起浮和二次安裝。對已回填完成的沉箱來說抽出回填料是關(guān)鍵，待抽出到合適深度后就可以按正常施工程序來進行沉箱的起浮、移位、臨時存放等工序，然后對沉箱基床重新整平，再進行沉箱的二次安裝和回填，以完成整個沉箱的重新安裝施工。

本文中采用自制空壓抽砂機的施工工藝，有效地解決了高長細比沉箱水下抽砂難的問題，使沉箱安裝施工變得可逆，解決了沉箱二次安裝的后顧之憂。自制空壓抽砂機制作簡易，可在現(xiàn)場自行制作，使用效率高，不僅可以在沉箱隔倉這種水下細長空間內(nèi)使用，也可以推廣到大型深水沉井等施工中，為類似水下狹小空間內(nèi)的抽砂、吸泥等施工方法提供一種了新的思路。