非對稱異型沉箱出運(yùn)技術(shù)

張志斌，楊彥豪，2，徐亮

（1.中國港灣工程有限公司，北京 100027；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524009）

0 引言

混凝土沉箱具有耐久性高、整體性好、造價(jià)較低和運(yùn)輸安裝方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水工構(gòu)筑物中。沉箱的發(fā)展主要沿著兩個(gè)方向：1）規(guī)模大型化：隨著工程不斷大型化，沉箱大型化也成為必然。以往碼頭常采用的沉箱重量為數(shù)百至上千噸，目前則逐漸發(fā)展為數(shù)千至上萬噸。例如，港珠澳大橋沉管深塢采用了13 000 t的沉箱作為塢門[1]；2）形式多樣化：隨著工程的增多，為了滿足特定項(xiàng)目的需要，扇形箱格的圓形沉箱[2]、橢圓形沉箱[3]、單側(cè)帶翼板沉箱[4]和縮脖瓶形圓沉箱[5]等多種形式的異型沉箱[6]不斷出現(xiàn)在工程中。

大、中型項(xiàng)目的沉箱一般在陸上預(yù)制，然后出運(yùn)平移至半潛駁，由拖輪拖帶至安裝區(qū)進(jìn)行安裝。其中，傳統(tǒng)的沉箱出運(yùn)方式包括滑道式、浮吊式、滑板式和船塢式等。然而，有時(shí)受到項(xiàng)目規(guī)模、位置和成本等方面的限制，上述出運(yùn)方式無法使用。采用氣囊出運(yùn)沉箱的施工成本低、工藝簡單、綠色環(huán)保，并且隨著氣囊制造工藝的提升，安全性也越來越高，因此應(yīng)用越來越廣泛。

1 工程概況

阿比讓港口擴(kuò)建項(xiàng)目地處西部非洲科特迪瓦阿比讓市，其擴(kuò)建的碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，碼頭岸線有1個(gè)124毅的拐角。為了保證岸線平順銜接，設(shè)計(jì)布置2個(gè)互為鏡像的異型沉箱，見圖1。

圖1 碼頭岸線及異型沉箱Fig.1 The dock shoreline and special shaped caisson

兩個(gè)異型沉箱橫斷面為直角梯形，總高度19.5 m、底板高0.75 m、標(biāo)準(zhǔn)層高18.75 m、總重量約為2 100 t。與其他項(xiàng)目的異型沉箱不同的是，本項(xiàng)目所采用的異型沉箱并非對稱結(jié)構(gòu)，在任何方向均不存在對稱軸，屬于高度異型結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)特性給沉箱的預(yù)制、出運(yùn)及安裝帶來極大的困難。本文重點(diǎn)分析非對稱直角梯形異型沉箱采用氣囊出運(yùn)時(shí)所遇到的技術(shù)問題。

2 氣囊出運(yùn)直角異型沉箱工藝

采用氣囊進(jìn)行沉箱出運(yùn)時(shí)，一般要經(jīng)過如下步驟：將沉箱用氣囊頂升至一定高度、用支墩將其支撐起來、拆除沉箱底部模板、沉箱底部均勻穿入氣囊、移動沉箱至半潛駁等。鑒于直角異型沉箱的特殊性，出運(yùn)前須選擇適宜的平移姿態(tài)，并驗(yàn)算平移工況下的穩(wěn)定性，以便事先采取措施，確保出運(yùn)安全。

2.1 直角梯形異型沉箱平移姿態(tài)選擇

沉箱預(yù)制完成后，需將其先橫移至出運(yùn)通道，再縱移至半潛駁。然而，由于直角梯形異型沉箱的特殊形狀，在氣囊出運(yùn)時(shí)應(yīng)重新對其平移姿態(tài)進(jìn)行評估，以確保后續(xù)平移工作的安全。綜合考慮后，存在如圖2所示4種可能的平移方式。

圖2 異型沉箱平移姿態(tài)Fig.2 The translation attitude of special shaped caisson

采用圖2（a）中平移方式1進(jìn)行平移時(shí)，氣囊在梯形斜邊區(qū)域與沉箱發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，氣囊的受力長度逐漸將減小為0 m。如果要保證沉箱的高度不發(fā)生較大變化，那么就需要給氣囊大量充氣或放氣，操作非常繁瑣。所以，不采用方式1；此外，當(dāng)位于沉箱底板以外的氣囊過長時(shí)，氣囊將產(chǎn)生如圖3所示的翹起，如果采用方式2和4所示的平移方向，則需要非常大的牽引力才能將氣囊壓入沉箱底部。因此，不采用方式2和4進(jìn)行出運(yùn)。

圖3 氣囊的翹起現(xiàn)象Fig.3 The warping phenomenon of airbag

采用圖2（b）中的方式3時(shí)，在斜邊依然存在一定的氣囊翹起現(xiàn)象，但是不會像方式1和2那么劇烈。在沉箱行進(jìn)的過程中，氣囊受力長度緩慢減小，無須將翹起的氣囊壓入沉箱底部，牽引沉箱移動時(shí)較為容易。

綜上所述，僅能采用方式3進(jìn)行沉箱平移。本項(xiàng)目沉箱在預(yù)制臺座上預(yù)制，然后需要將其平移至出運(yùn)通道。由于僅能采用方式3進(jìn)行平移，因此預(yù)制時(shí)將其直接放在出運(yùn)通道上，取消橫移工序，直接進(jìn)行縱移。

2.2 沉箱壓載調(diào)平

由于異型沉箱的非對稱性，可能導(dǎo)致頂升和出運(yùn)時(shí)，不同氣囊、甚至同一氣囊不同位置的受力及變形不均勻。此時(shí)，沉箱將產(chǎn)生一定傾斜，如果傾斜過大，則可能使頂升失敗，或者給出運(yùn)帶來危險(xiǎn)。為了查看異型沉箱頂升時(shí)的傾斜情況，異型沉箱預(yù)制結(jié)束后，采用氣囊對其進(jìn)行了頂升試驗(yàn)。

頂升試驗(yàn)時(shí)，在模板下部每一排工字鋼的中間穿入氣囊，氣囊布置形式如圖4所示。

圖4 頂升時(shí)氣囊布置形式Fig.4 The layout of airbags during jacking

頂升試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：1）沉箱左、右高差過大，同一條氣囊的頂升高度不一致；2）氣囊氣壓相差不大時(shí)，前后頂升高度差異大。沉箱后沿已被頂起，但是前趾頂升高度過低。進(jìn)一步增加氣壓時(shí)，由于左右高差存在，部分區(qū)域仍無法滿足頂升高度（40 cm）。

問題一產(chǎn)生的原因是沉箱為非對稱結(jié)構(gòu)，由于質(zhì)量分布不均勻，導(dǎo)致沿氣囊方向的受力不均衡，即使同一條氣囊上的受力也不一樣，因此出現(xiàn)前、后及左、右高差。沉箱在前進(jìn)過程中，受力的長度不斷變化，其對沉箱的支撐力和頂升高度也在不斷變化，其各個(gè)方向上的高差將進(jìn)一步加大。

問題二產(chǎn)生的原因是因?yàn)槌料滟|(zhì)量分布不均，質(zhì)量偏向于前趾分布，所以前趾氣囊所受的外力較大，當(dāng)外力超過了該位置的極限頂升高度時(shí)，就無法使沉箱頂升。

為了驗(yàn)證上述推測，對沉箱頂升過程進(jìn)行受力分析。

沉箱頂升時(shí)，一般要求沉箱的頂升高度一致，并且為了氣囊的安全，其氣壓也應(yīng)基本一致。計(jì)算時(shí)假設(shè)各氣囊氣壓和頂升高度基本一致。

氣囊受力的計(jì)算公式如下：

式中：f為氣囊對外頂升力；P為氣囊壓強(qiáng)，可以直接從壓力表讀?。籐為氣囊受力強(qiáng)度；D為氣囊直徑；B為氣囊受力寬度；H為頂升高度。

如圖4建立坐標(biāo)系，則由力和力矩平衡可得：

式中：S1為氣囊有效受力區(qū)域面積；籽（x，y）為沉箱在XOY平面內(nèi)的面密度；S為沉箱底板面積；M為沉箱質(zhì)量。

當(dāng)各氣囊的氣壓一致時(shí)，p為固定值。并且根據(jù)物體形心和質(zhì)心定理，式（4）和式（5）可以簡化為：

其中，（x1，y1）為所有氣囊受力面的總形心；（X0，Y0）為沉箱質(zhì)心在XOY平面內(nèi)的投影。

綜合式（3）、（6）和（7）可得：x1=X0且 y1=Y0。即，氣囊受力面的形心與沉箱質(zhì)心在平面內(nèi)的投影重合。

為了徹底解決試頂升時(shí)遇到的兩個(gè)難題，需要對沉箱進(jìn)行壓載以調(diào)節(jié)其內(nèi)部質(zhì)量分布，使上文提到的質(zhì)心與形心重合。壓載時(shí)應(yīng)該尋找合適的方案，以較小的壓載重量，滿足壓載后“兩心”重合。

在如圖4所示的坐標(biāo)系內(nèi)。通過計(jì)算得出沉箱的質(zhì)心在XOY坐標(biāo)系中的投影坐標(biāo)為（5.834，7.780），氣囊受力面的形心為（5.630，7.848），兩者之間存在一定差異。

根據(jù)壓載物的形式不同，壓載一般分為兩種：固體壓載和液體壓載。為了便于控制加載和卸載，采用液體壓載法。利用汽車泵和水泵控制沉箱格倉內(nèi)的加載和卸載，用以調(diào)節(jié)沉箱的質(zhì)量分布。

通過在沉箱格倉中泵入不同體積的水，可以調(diào)節(jié)沉箱的質(zhì)心，使其與氣囊受力區(qū)域的形心重合。沉箱格倉編號如圖1所示。通過計(jì)算，1~3格倉壓水高度如表1所示，其余格倉壓水量為0。

表1 沉箱格倉壓水量Table 1 The water volume in the grid of caisson

壓載后的沉箱質(zhì)心為（5.631，7.845），與氣囊受力面形心基本重合。應(yīng)該指出的是，各格倉壓載水的量不僅僅是上表中一種方式，存在多種壓載方式，均可以使沉箱的質(zhì)心與氣囊受力面的形心相等。但是，為了減小沉箱總重量，應(yīng)盡量減少壓載物的重量，尤其應(yīng)減少格倉1、5和9的壓倉重量，避免前趾處重量過大。

2.3 平移過程分析

異型沉箱頂升和平移時(shí)，首先應(yīng)對底部氣囊氣壓進(jìn)行核算，以確保該壓力在氣囊使用安全范圍以內(nèi)。

異型沉箱平移時(shí)，隨著其移動氣囊不斷進(jìn)入和離開沉箱底板，氣囊受力面的形心也在不斷變化。這必然造成該形心與沉箱質(zhì)心在底板上的投影不重合，如果偏差過大，將造成沉箱傾斜嚴(yán)重，給平移施工帶來安全隱患。因此也需要對沉箱在平移過程的平衡性進(jìn)行分析。

沉箱開始移動時(shí)，底部氣囊數(shù)量為9條，平均分布于沉箱底部，記此狀態(tài)為a；隨著沉箱的前移，末尾氣囊將逐漸離開沉箱，當(dāng)末尾氣囊的外邊界與沉箱邊界重合即該氣囊到達(dá)沉箱末端邊緣時(shí)，記為狀態(tài)b；當(dāng)末尾氣囊剛剛完全離開沉箱時(shí)，記為狀態(tài)c；隨著沉箱前移以及末尾氣囊離開沉箱，沉箱前端新的氣囊將重新進(jìn)入沉箱，記新氣囊剛好完全進(jìn)入沉箱時(shí)為狀態(tài)d。不難發(fā)現(xiàn)在a、b和d三種狀態(tài)下，沉箱底部受力氣囊數(shù)量為9條。狀態(tài)c時(shí)，受力氣囊為8條。結(jié)合頂升時(shí)的氣囊數(shù)量可知，在沉箱出運(yùn)時(shí)，沉箱底部最少的氣囊數(shù)量為7條（頂升時(shí)），為最危險(xiǎn)狀態(tài)，因此僅需驗(yàn)證頂升時(shí)氣囊的安全性即可。

沉箱在頂升時(shí)，最大工作高度：H=0.4 m，此時(shí)：

氣囊承載面寬B=仔（D-H）/2=0.942 m；

單根氣囊承載長度取承載面中心線長度，7列氣囊總承載面積S=71.59 m2；

總荷載F=沉箱自重+平衡壓載=2 100 t+147 t=2 497 t；

氣囊的總受力面積S為71.65 m2；

氣囊的壓強(qiáng)p=F/S=0.31 MPa。

考慮前氣囊可能存在1.25不均勻系數(shù)時(shí)，工作壓力為0.39 MPa，選擇的氣囊額定工作氣壓為0.45 MPa，滿足安全要求。

a、b、c和d四種狀態(tài)下，氣囊受力面積的形心分別為（5.618 2，7.891 8）、（5.354 9，8.891 6）、（5.628 0，7.854 9）和（5.872 0，6.928 5）。沉箱仍為頂升時(shí)壓載后的狀態(tài)，質(zhì)心為（5.630，8.123）。對比后可知，狀態(tài)b和d即第9條氣囊即將離開和第1條氣囊剛好進(jìn)入沉箱時(shí)，氣囊受力面形心坐標(biāo)與質(zhì)心坐標(biāo)差異最大。此時(shí)，沉箱必將發(fā)生較大的左右傾斜。為了避免這種情況發(fā)生，施工時(shí)保證第1條剛進(jìn)入沉箱和第9條即將離開沉箱的氣囊氣壓小于其他沉箱。并且隨著沉箱不斷向前移動，再不斷增大其氣壓。

3 應(yīng)用實(shí)例

沉箱頂升前，根據(jù)事先計(jì)算好的壓載量，用汽車泵向沉箱中壓入適當(dāng)?shù)乃?。壓水過程中應(yīng)控制好壓水量，如果超出設(shè)計(jì)量，應(yīng)采用水泵將多余水抽出，以確保壓載的準(zhǔn)確度。

采用圖4所示的氣囊布置形式進(jìn)行頂升，正式開始頂升時(shí)，發(fā)現(xiàn)沉箱可以被平穩(wěn)頂升相同高度（40 cm），左右高差不超過2 cm。此時(shí)，氣囊壓力0.3 MPa左右，與計(jì)算基本一致。

沉箱平移過程中，當(dāng)最后一條氣囊即將離開沉箱時(shí)，在不使沉箱產(chǎn)生較大左右高差的前提下，逐漸降低其氣壓值，直到該氣囊不再受力；當(dāng)氣囊進(jìn)入沉箱底部時(shí)，控制沉箱左右高差，并逐漸增加氣壓，直到該氣壓約為0.3 MPa。

由于氣囊受力面的形心在不斷變化，沉箱的左右高度也存在一個(gè)周期性變化，經(jīng)過測量發(fā)現(xiàn)該高差在5 cm以內(nèi)。最終，2個(gè)異型沉箱均安全完成了頂升和平移上駁，經(jīng)過浮游出塢[9]，最終完成了安裝，施工過程中無異常發(fā)生。

4 結(jié)語

1）由于直角梯形沉箱在任意方向均不存在對稱軸，因此屬于非對稱高度異型沉箱。這在工程中較為少見，給沉箱的出運(yùn)施工帶來了比較大的困難。

2）通過出運(yùn)過程中氣囊的受力和變形特性，選擇了合適的沉箱平移姿態(tài)。

3）理論計(jì)算及頂升試驗(yàn)均表明，如果沉箱質(zhì)心在底板上投影與氣囊受力面形心坐標(biāo)差異過大，則會使氣囊發(fā)生過大的前、后及左、右的傾斜，這將給施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算，選擇了較為合理的壓載方案，以使“兩心”重合，最終確保了沉箱能夠平穩(wěn)出運(yùn)。

4）通過分析計(jì)算，尋找出運(yùn)過程中最為危險(xiǎn)的工況，計(jì)算氣囊的氣壓，從而校核氣囊出運(yùn)的安全性。

5）沉箱平移過程中氣囊受力面的形心將不斷變化，該形心將與沉箱質(zhì)心在底板投影坐標(biāo)存在偏差，勢必引起沉箱的前、后及左、右擺動。施工時(shí)通過控制剛進(jìn)入沉箱以及即將離開沉箱的氣囊壓力，進(jìn)而調(diào)整沉箱的擺動情況，確保了沉箱平穩(wěn)。