沉箱移運(yùn)上船牽引工藝優(yōu)化

孫波

摘 要：沉箱通常在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，然后移運(yùn)至半潛駁進(jìn)行出運(yùn)安裝。沉箱氣囊滾運(yùn)上船時(shí)，通常采用鋼絲繩捆綁法或預(yù)埋拖環(huán)工藝，由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引沉箱上船。在日照鋼鐵通用泊位水工工程10萬(wàn)噸碼頭沉箱出運(yùn)時(shí)，采用了一種新的牽引沉箱上船的工藝，在沉箱側(cè)墻預(yù)留牽引孔，用鋼銷插入預(yù)留孔牽引沉箱上船，成功牽引滾運(yùn)了2200噸的沉箱，對(duì)后續(xù)大型混凝土構(gòu)件的水平移動(dòng)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：沉箱 滾運(yùn) 溜放 拖環(huán) 銷孔

1.工程概況

日照鋼鐵通用泊位水工工程位于日照市嵐山區(qū)，碼頭總長(zhǎng)度1720m，為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。共預(yù)制沉箱60個(gè)，其中D型沉箱長(zhǎng)×寬×高=19.95m×14.25m×19.1m，單個(gè)沉箱重2229噸。A型沉箱長(zhǎng)×寬×高=19.95m×13.25m×17.4m，單個(gè)沉箱重2054噸。沉箱預(yù)制在日照鋼廠沉箱預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，預(yù)制場(chǎng)共布置兩條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線可布置9個(gè)沉箱，具備同時(shí)生產(chǎn)18個(gè)沉箱的能力。

2.沉箱水平移運(yùn)工藝介紹

沉箱預(yù)制完成后，在沉箱底部穿入滾運(yùn)氣囊，沉箱在滾運(yùn)氣囊的支墊下，在卷?yè)P(yáng)機(jī)及滑輪組的牽引作用下實(shí)現(xiàn)水平移運(yùn)。前端牽引鋼絲繩起到提供牽引力作用，后溜鋼絲繩起到控制滾運(yùn)速度和防止沉箱溜坡的作用。

3.工藝優(yōu)化與方案確定

3.1牽引力、保險(xiǎn)力計(jì)算

（1）水平移運(yùn)時(shí)最大牽引力

沉箱自重Q=2229t，沉箱移運(yùn)時(shí)前沿高500mm，后沿高200mm，經(jīng)計(jì)算沉箱后傾角α=1.21°，詳見(jiàn)圖1。

最大牽引力： Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa

式中：Fd—卷?yè)P(yáng)機(jī)前拉力；Q—重物自重t； G—重力加速度；A—坡道傾角；u—坡道磨擦系數(shù)取0.03。

Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa=2229×10×sin1.21°+0.03×2229×10×cos1.21°=1139kN

沉箱牽引點(diǎn)一般設(shè)置2個(gè)，每個(gè)牽引點(diǎn)最大牽引力約570kN，沉箱水平滾運(yùn)期間，后溜鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，即保險(xiǎn)力Fb=0，不得出現(xiàn)與前拉鋼絲繩出現(xiàn)對(duì)拉的情況。

（2）沉箱下坡道最大保險(xiǎn)力

根據(jù)現(xiàn)有預(yù)制場(chǎng)情況計(jì)算，預(yù)制臺(tái)座與半潛駁接岸為斜坡結(jié)構(gòu)，沉箱溜放下坡時(shí)前傾角α=1.833°，此時(shí)牽引力Fd為零，沉箱在保險(xiǎn)力作用下緩慢溜放的過(guò)程，摩擦力與沉箱重力沿坡道向下的分力方向相反，見(jiàn)圖2。根據(jù)實(shí)際測(cè)算，卷?yè)P(yáng)機(jī)額定放繩速度為0.5m/s，動(dòng)滑輪8股變速后作用在沉箱上的移動(dòng)速度為0.0625m/s，剎車時(shí)間受到氣囊緩沖，停穩(wěn)時(shí)間為0.2s。Fb=Q×g×sina-u×Q×g×cosa+mv/t=2229×10×sin1.833°-0.03×2229×10×cos1.833°+2229×0.0625/0.2=1098kN ，每個(gè)牽引點(diǎn)最大保險(xiǎn)力約550kN。

3.2沉箱上船工藝比選

3.2.1傳統(tǒng)工藝介紹

（1）鋼絲繩捆綁法

鋼絲繩捆綁是牽引點(diǎn)的原始做法，即用一根受力滿足計(jì)算要求的長(zhǎng)鋼絲繩沿著構(gòu)件圍繞一周或數(shù)周，然后分別在沉箱前進(jìn)方向的兩側(cè)既定位置預(yù)留出外伸琵琶扣作為牽引點(diǎn)，見(jiàn)圖3。此法雖可行，但操作極為不便，鋼絲繩纏繞與解纏工作耗工耗時(shí)，需要?jiǎng)佑么笮推鹬卦O(shè)備配合，鋼絲繩與沉箱四角的接觸部位經(jīng)常相互磨損，在質(zhì)量與安全管理方面埋下較多隱患。

（2）預(yù)埋拖環(huán)法

鑒于鋼絲繩捆綁法的上述缺點(diǎn)，埋設(shè)拖環(huán)法被普遍應(yīng)用，此法安全可靠，但鋼材消耗較大。預(yù)埋拖環(huán)法見(jiàn)圖4。

根據(jù)上述牽引力的計(jì)算數(shù)據(jù)配備拖環(huán)：

A = 3F/2nfy

式中： F—最大牽引力，取570kN；

fy—HPB300材質(zhì)圓鋼的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取300 MPa，計(jì)算中進(jìn)行以下折減：拖環(huán)彎曲后的應(yīng)力集中對(duì)強(qiáng)度的折減系數(shù)取為1.4，動(dòng)力系數(shù)取為1.5；n—計(jì)算拖環(huán)肢數(shù)，取2。

拖環(huán)設(shè)計(jì)截面積A = 3F/2nfy=3×57×1000×10/（2×2×300/1.4/1.5）=2993mm2

根據(jù)拖環(huán)截面積計(jì)算拖環(huán)直徑D=62mm ，則拖環(huán)采用直徑65mm圓鋼加工，每個(gè)拖環(huán)長(zhǎng)度6m。

3.3預(yù)留銷孔牽引技術(shù)方案的提出

針對(duì)以上兩種牽引沉箱水平移運(yùn)連接方式的缺點(diǎn)，需研究一種操作簡(jiǎn)單、成本較低、能夠保證質(zhì)量和安全的新的連接裝置。

大型沉箱一般底板混凝土厚度較大，鋼筋布設(shè)較密集，能夠承受較大的剪切力。在借鑒小型構(gòu)件采用預(yù)留孔吊裝的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)埋銷孔法水平牽引移運(yùn)沉箱的技術(shù)方案。

銷孔法牽引沉箱水平移運(yùn)就是在沉箱底板四周預(yù)埋銷孔，用于沉箱縱橫向水平移運(yùn)，鋼銷插入沉箱預(yù)埋的銷孔中，利用鋼銷的抗剪性能由卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引沉箱水平移運(yùn)，并對(duì)鋼銷重復(fù)利用。該方法只需加工4根圓鋼做牽引鋼銷，在沉箱預(yù)制時(shí)預(yù)留4個(gè)牽引孔即可，即節(jié)約成本又方便施工。

3.4鋼銷制作及預(yù)埋孔布置

鋼銷采用HPB300圓鋼加工，選用直徑140mm圓鋼，長(zhǎng)度1100mm，鋼銷插入預(yù)埋銷孔中，插入混凝土內(nèi)部1000m，外露長(zhǎng)度為100mm。

沉箱預(yù)制時(shí)預(yù)埋直徑150mm鋼套管，套管壁厚4mm，保證鋼銷與套管的接觸面積，利于操作；銷孔布置在沉箱底板鋼筋密集處，并局部加強(qiáng)，能夠保證沉箱混凝土滿足壓強(qiáng)要求。

預(yù)埋鋼銷孔與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，保證在牽引過(guò)程中，鋼絲繩自動(dòng)向內(nèi)鎖緊，防止鋼絲繩和鋼銷在牽引力作用下滑脫。

3.5鋼銷受力驗(yàn)算：

（1）受彎驗(yàn)算

鋼絲繩作用點(diǎn)在鋼銷外漏部分中部，距離沉箱墻壁懸臂長(zhǎng)度50mm。

懸臂長(zhǎng)度L=0.05m，鋼銷最大拉力F=570KN，鋼銷固定端力矩Mo=PL=570×0.05=28.5KNm

鋼銷抵抗矩W=πd3/32=269cm3彎應(yīng)力σ=Mo/ W=28500000/269000=106Mpa<[σ]=270Mpa，滿足要求。

（2）受剪切驗(yàn)算

鋼銷截面積A=15386mm2，剪應(yīng)力

τ=570000/15386=37Mpa<[τ]=150Mpa，滿足要求。

4.工藝實(shí)施及操作要點(diǎn)

4.1施工工藝流程

預(yù)留孔設(shè)置→鋼銷加工→安裝鋼銷牽引→鋼銷撤回、牽引下一個(gè)沉箱

4.2預(yù)留孔設(shè)置

牽引孔的設(shè)置要考慮以下幾點(diǎn)：①牽引孔的直徑和深度問(wèn)題，要保證鋼銷插入后，四周富余量不大，減少鋼銷活動(dòng)空間。另外孔深度要足夠，保證鋼銷足夠的錨固深度；②預(yù)留孔壁周圍混凝土抗壓強(qiáng)度要足夠，本沉箱底板厚度50cm，銷孔選在沉箱底板厚度的中心，鋼筋密集，無(wú)需在銷孔四周另外配加強(qiáng)筋；③要考慮地牛埋設(shè)與牽引孔的夾角問(wèn)題，保證在牽引過(guò)程中，鋼絲繩自動(dòng)往內(nèi)收，防止鋼絲繩和鋼銷在牽引力作用下滑脫。

根據(jù)前面計(jì)算，鋼銷直徑140mm，銷孔預(yù)留內(nèi)直徑為150mm，斜埋入Ф150mm×4mm鋼套管1000mm形成銷孔，為防止鋼絲繩滑脫，鋼套管的埋設(shè)方向與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，見(jiàn)圖5。鋼絲繩牽引時(shí)，受夾角影響，自動(dòng)滑向鋼銷根部，防止鋼銷出現(xiàn)懸臂發(fā)生滑脫事故。

4.3鋼銷加工

鋼銷加工原則是既要滿足抗彎、抗剪強(qiáng)度要求，也要有防止鋼絲繩滑脫的措施。根據(jù)前面計(jì)算，直徑Ф140×1000mm鋼銷即可滿足要求，為防止?fàn)恳^(guò)程中鋼絲繩從鋼銷端部滑脫，在鋼銷外側(cè)焊接一圈擋沿，擋沿厚度10mm，凸起高度10mm。為防止鋼銷擋沿對(duì)氣囊表面磨損，擋沿四周要做鈍化處理，見(jiàn)圖6。

4.4安裝鋼銷牽引沉箱

沉箱滾運(yùn)前，預(yù)先將前沿鋼銷和后沿鋼銷插入牽引孔，套上牽引鋼絲繩，工人用錘子將鋼銷往里輕輕敲打，使鋼絲繩緊貼沉箱外墻，見(jiàn)圖7。

開(kāi)啟4臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引沉箱緩緩前移，前面2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，后面2臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)溜放。保證前后鋼絲繩不出現(xiàn)對(duì)拉的情況。沉箱下坡時(shí)，前面鋼絲繩處于松弛狀態(tài)，后面鋼絲繩松放，沉箱在自重分力作用下緩緩溜放。沉箱水平移運(yùn)見(jiàn)圖8。沉箱上船就位后，人工將鋼絲繩和鋼銷取下，安裝到下一個(gè)沉箱預(yù)留孔上，準(zhǔn)備下一個(gè)沉箱的滾運(yùn)。

4.5預(yù)埋銷孔法牽引沉箱移運(yùn)注意事項(xiàng)

在沉箱水平滾運(yùn)和溜放下坡時(shí)，要有專人查看鋼銷懸臂長(zhǎng)度變化，鋼絲繩是否緊貼沉箱外墻，牽引孔周邊混凝土破損情況等。如果出現(xiàn)鋼絲繩滑脫或懸臂長(zhǎng)度超出設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的現(xiàn)象，在水平滾運(yùn)時(shí)，應(yīng)暫停牽引，進(jìn)行處理后再恢復(fù)。如果在下坡溜放時(shí)，在立即暫停溜放的同時(shí)，用墊木支墊沉箱，沉箱坐在墊木上后再進(jìn)行處理。

5.工藝實(shí)施效果

5.1取得的經(jīng)驗(yàn)

在本工程中已用預(yù)留銷孔法成功出運(yùn)2200噸沉箱60個(gè)，未出現(xiàn)任何質(zhì)量和安全隱患。在滾運(yùn)期間對(duì)該工藝各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果如下：①在牽引鋼絲繩停停走走的反復(fù)作用下，鋼銷無(wú)絲毫外移跡象；②牽引鋼銷的鋼絲繩自鎖在鋼銷與沉箱側(cè)墻的夾角內(nèi)，無(wú)跳槽、滑脫跡象；③銷桿整體完好，無(wú)任何彎曲或局部受壓變形跡象；④銷孔邊緣混凝土（尤其是鋼銷作用擠壓一側(cè)）未出現(xiàn)混凝土裂縫及嚴(yán)重脫落，僅個(gè)別沉箱表皮混凝土出現(xiàn)輕微脫落的現(xiàn)象。

5.2存在問(wèn)題及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

本工程沉箱設(shè)計(jì)鋼套管的埋設(shè)方向與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，由于工人施工時(shí)不精心，技術(shù)人員疏于檢查，個(gè)別沉箱鋼套管的埋設(shè)方向與牽引鋼絲繩方向小于70度，其中一個(gè)沉箱達(dá)到60°，鋼銷在沉箱溜放下坡時(shí)，受鋼銷擠壓，表層混凝土薄弱出現(xiàn)破損現(xiàn)象。正常埋設(shè)的預(yù)留套管尚未出現(xiàn)該現(xiàn)象。因此，在后續(xù)施工過(guò)程中，夾角不易過(guò)小并加強(qiáng)對(duì)銷孔埋設(shè)質(zhì)量的檢查。

6.結(jié)束語(yǔ)

預(yù)埋銷孔法牽引沉箱水平移運(yùn)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）預(yù)留銷孔法和拖環(huán)法相比，主要是節(jié)約鋼材用量，經(jīng)濟(jì)劃算。以本工程為例，沉箱移運(yùn)若采用預(yù)埋拖環(huán)法，需采用直徑65mm圓鋼加工，每個(gè)拖環(huán)長(zhǎng)度6m。采用預(yù)埋銷孔法牽引沉箱水平移運(yùn)與之相比，可節(jié)約鋼材約38t。

（2）預(yù)留孔法對(duì)成品保護(hù)效果好，銷孔周圍均未出現(xiàn)破損現(xiàn)象發(fā)生，既解決了捆綁法對(duì)混凝土四角磨損的問(wèn)題，又避免了拖環(huán)法后期防腐處理難的問(wèn)題。

（3）該技術(shù)施工難度小，操作便捷。由于預(yù)留孔法耗鋼材少，成本低廉，可適當(dāng)擴(kuò)大預(yù)留孔直徑，增加沉箱移運(yùn)安全系數(shù)。

在日照鋼鐵通用泊位水工工程中對(duì)沉箱移運(yùn)上船牽引連接工藝進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)明了預(yù)埋銷孔法牽引沉箱水平移運(yùn)技術(shù)，成功出運(yùn)60個(gè)2200噸沉箱，該技術(shù)可推廣應(yīng)用到其他大型鋼筋混凝土構(gòu)件的移運(yùn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓邦峰.氣囊在港口工程施工中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2006（03）.

[2]東景潔，王月婧.氣囊頂升移運(yùn)沉箱工藝的改進(jìn)和完善[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2016（06）.

[3]吳立玉.單條高壓氣囊單邊頂升及氣囊滾動(dòng)平移沉箱工藝探討[J].珠江水運(yùn)，2014（05）.

[4]周健清.沙益春.高壓氣囊搬運(yùn)大型沉箱上船工藝及安全措施[J].建筑城市，2013（4）.

[5]章廣斌.大型沉箱氣囊出運(yùn)安裝工藝研究與應(yīng)用[D].山東大學(xué)，2007.