沉箱起吊助浮出運(yùn)安裝關(guān)鍵施工技術(shù)

張澤光

福建省港口工程有限公司，福建 福州 350000

1 工程概況

某碼頭工程為突堤式重力沉箱結(jié)構(gòu)，共有沉箱12 個(gè)，其中CX1 型號(hào)7 個(gè)，CX2 型號(hào)1 個(gè)，安裝在碼頭平臺(tái)位置，CX3 型號(hào)4 個(gè)，安裝在南段引堤位置。三種沉箱均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，底部設(shè)有對(duì)稱的1m的前后趾，底板厚550mm。CX1沉箱長18.91m，寬13.05m，高11.7m，重量1562.3t；CX2沉箱長18.91m，寬13.05m，高11.2m，重量1341.7t；

CX3 沉箱長13.15m，寬9.63m，高9.9m，重量781.9t。

2 沉箱出運(yùn)

現(xiàn)場(chǎng)自然地質(zhì)多為外露的全風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，地質(zhì)條件好，承載力滿足要求，挖掘機(jī)開挖整平后可直接澆筑混凝土路面形成出運(yùn)通道，建設(shè)成本低，綜合考慮自然環(huán)境、沉箱重量、船機(jī)設(shè)備、施工成本和工期要求等各方面因素，沉箱出運(yùn)安裝采用氣囊和卷揚(yáng)機(jī)從預(yù)制場(chǎng)通過出運(yùn)通道移至坡底末端的起吊平臺(tái)后，高潮位利用潮差浮力，500t 起重船起吊助浮出運(yùn)進(jìn)行安裝。

2.1 沉箱出運(yùn)施工工藝流程

圖1 沉箱出運(yùn)施工工藝流程圖

2.2 出運(yùn)通道

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)自然地形，選擇合適的出運(yùn)線路，盡量選擇挖填方量較少的線路，沉箱預(yù)制場(chǎng)標(biāo)高+6.8m，從沉箱預(yù)制場(chǎng)中部建設(shè)一條沉箱出運(yùn)通道，出運(yùn)通道末端設(shè)置一個(gè)起吊平臺(tái)，出運(yùn)通道長度194m，寬度18m，出運(yùn)通道坡度3%，起吊平臺(tái)長度25m，寬度18m，平臺(tái)標(biāo)高+1.0m，出運(yùn)通道路面采用C30 砼混凝土路面。如下圖所示

2.3 牽引系統(tǒng)

圖2 沉箱出運(yùn)通道平面布置圖

牽引系統(tǒng)包括前、后牽引，前牽引用于將沉箱牽引前移，后牽引主要用于制動(dòng)限制沉箱移動(dòng)速度過快。前后牽引系統(tǒng)均采用2 臺(tái)8t 卷揚(yáng)機(jī)，氣囊充氣達(dá)到工作高度后，卷揚(yáng)機(jī)牽引，氣囊滾動(dòng)，沉箱移動(dòng)，由兩臺(tái)8t 卷揚(yáng)機(jī)通過滑輪組在沉箱移動(dòng)的方向兩側(cè)同步牽引。沉箱牽引速度控制在2.5m/min 左右，牽引鋼絲繩的系掛在沉箱前后趾預(yù)留的牽引點(diǎn)上。氣囊牽引力約為沉箱重量的5%，可隨著牽引高度的降低而減少，本工程沉箱移運(yùn)共設(shè)置8 個(gè)地錨和8 臺(tái)8t 卷揚(yáng)機(jī)。

牽引力這里取最重的CX1 型沉箱進(jìn)行驗(yàn)算，平地牽拉沉箱所需最大牽引力：Fc=G×u=1562.3t×0.03=46.87t，（Fc 為沉箱所需牽引力，u 為氣囊與混凝土地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取0.03,G 為沉箱重量），2 臺(tái)8t 卷揚(yáng)機(jī)通過滑輪組的施工總牽引力為96t，滿足要求。

2.4 供氣系統(tǒng)和氣囊配置

供氣系統(tǒng)采用2 套9m3的空壓機(jī)組配集中供氣，其中一臺(tái)作為備用。高壓氣囊選用直徑1.0m 長度13.05m 和5m 的兩種，氣囊工作壓力0.3MPa，實(shí)驗(yàn)檢查壓力0.45MPa（工作壓力1.5 倍），工作高度0.4m，其充氣壓扁后接觸承壓面寬度L1=0.942m，氣囊寬度1.34m。CX1沉箱出運(yùn)縱移時(shí)采用7根氣囊，橫移時(shí)采用6 根氣囊，計(jì)算如下：

（1）縱移：

氣囊工作長度為： L0=13.05m，工作高度：H=400 mm

承載面寬：B=π（D-H）/2=3.14（1.0-0.4）/2=0.942m

承載面積：S=B×L0=0.942×13.05=12.293m2

單根氣囊承載力：F=P×S=0.3MPa×12.293m2=368.8t；

所需氣囊的數(shù)量：N=K×G/F=1.4×1562.3/368.8=5.9根 取N=6 （K 取1.4）；

因沉箱縱橫牽引平移轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)際受力氣囊數(shù)量比正常狀態(tài)少一根，故取N=7 根；

（2） 橫移：

氣囊工作長度為：L0=13.05+5=18.05m，工作高度：H=400mm

承載面寬：B=π（D-H）/2=3.14（1.0-0.4）/2=0.942m

承載面積：S=B×L=0.942×18.05=17m2

單根氣囊承載力：F=P×S=0.3MPa×17m2=510.1t

所需氣囊的數(shù)量：N=K×G/F=1.4×1562.3/510.1=4.3根 取N=5 （K 取1.4）；

因沉箱縱橫牽引平移轉(zhuǎn)換時(shí)實(shí)際受力氣囊數(shù)量比正常狀態(tài)少一根，故取N=6 根；

2.5 沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算

鋼筋混凝土容重： 浮游穩(wěn)定計(jì)算時(shí)γ0＝2.45t/m3，吃水計(jì)算時(shí)γ1＝2.5t/m3；海水容重：γ水＝1.025t/m3；通過計(jì)算沉箱不進(jìn)行壓艙，CX1 沉箱吃水6.1m，重心高度4.649m，浮心高度2.953m，定傾半徑ρ=2.335m，重心到浮心的距離α=1.696 m，定傾高度m=ρ－α=0.64m，干舷高度5.72m，CX3 沉箱吃水5.9m，重心高度3.872m，浮心高度2.845m，定傾半徑ρ=1.309m，重心到浮心的距離α=1.027 m，定傾高度m=ρ－α=0.28m，干舷高度5.92m，定傾高度均＞0.2m，內(nèi)外水頭差小于設(shè)計(jì)要求6.31m，滿足要求［1-2］。

2.6 起吊助浮重量分析

這里取單件最重的CX1 型沉箱進(jìn)行分析，單件CX1 型沉箱重1562.3t，海水重度取1.025 t/m3，枕木高度300mm。

沉箱前后趾排水體積：(0.4+0.55+0.55)/2×1×13.05×2=9.7 87×2=19.575m3

沉箱每米排水體積：18.91×13.05=246.78 m3

沉箱吃水起算高度：1.0+0.3(枕木高度)+0.5（吃水富余深度）=1.8m

沉箱吃水深度：6.0-1.8=4.2m，設(shè)計(jì)起吊水位+6.0m

沉箱浮力：（246.78×4.2+19.575）×1.025=1082.5t

起吊助浮重量：1537.5-1082.5=455t，所以選用500t起重船起吊助浮沉箱滿足要求。

2.7 主吊鋼絲繩驗(yàn)算

主吊鋼絲繩擬采用2根直徑110mm抗拉強(qiáng)度R=1870MPa的鋼芯鋼絲繩，穿過沉箱底部系掛在吊架上，沉箱起吊起吊鋼絲繩系掛如圖所示：

圖3 沉箱起吊鋼絲繩系掛示意圖

鋼絲繩的容許拉力（安全荷載）按下式計(jì)算：

S——鋼絲繩的容許拉力（kN）；

Sb——鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

Pg ——鋼絲的破斷拉力總和（kN）；

α——考慮鋼絲繩之間荷載不均勻系數(shù)，取 0.80；

K1——鋼絲繩使用安全系數(shù)，取 5；

鋼絲繩的截面積：A=πD2/4=3.14×1102/4=9498 mm2

鋼絲繩中全部鋼絲的截面積：

k0為鋼絲繩的截面積折減系數(shù)（根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算）

鋼絲繩的破斷拉力總和：

鋼絲繩的破斷拉力：Sb=αPg=0.80×8454=6763 kN

鋼絲繩的容許拉力（安全荷載）：S=Sb/K1=6720/5=1344 kN

鋼絲繩所承受的拉力設(shè)計(jì)值：F拉=3541/4=885kN,小于容許拉力，滿足要求。

2.8 沉箱拖運(yùn)

沉箱出運(yùn)安裝前應(yīng)對(duì)施工水域水深進(jìn)行復(fù)核測(cè)量，起重船吃水深度2.5m，沉箱吃水6.1m,施工水域未存在礁石和淺點(diǎn)，水深滿足施工要求。沉箱起吊平臺(tái)與碼頭位置距離約240m，起重船單根錨纜長度500m，根據(jù)安裝位置和起吊助浮位置，一次拋錨可完成沉箱的起吊助浮和安裝，沉箱起吊助浮后，起重船保持80t 吊力直接攪錨拖帶沉箱至安裝位置。

3 沉箱安裝

本項(xiàng)目沉箱采用定位船配合起重船落潮安裝的施工工藝。沉箱安裝第一件時(shí)的精確定位安裝至關(guān)重要，定位船粗定位好位置，起重船先將沉箱拖至浮靠定位船，然后解綁起吊助浮的鋼絲繩，再系掛鋼絲繩于沉箱頂?shù)陌惭b吊環(huán)，待落潮后開始安裝沉箱，起重船保持吊力穩(wěn)定在80t 左右，潛水員打開沉箱進(jìn)水閥門進(jìn)行注水使沉箱下沉，此時(shí)應(yīng)注意沉箱各倉格壓水高度，以保持沉箱正直。測(cè)量人員用華測(cè)GPS 測(cè)量沉箱的設(shè)計(jì)坐標(biāo)位置，當(dāng)沉箱下沉至距離基床頂面約0.5m 時(shí)，潛水員關(guān)閉進(jìn)水閥門，用雙GPS 測(cè)量前沿兩個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行精確定位，然后起重船調(diào)整沉箱位置，再利用落潮或進(jìn)行壓水將沉箱平穩(wěn)、準(zhǔn)確的坐落于基床上。沉箱落至基床面后測(cè)量隊(duì)利用GPS 復(fù)核沉箱的安裝誤差值，符合規(guī)范要求則打開進(jìn)水閥均勻灌水穩(wěn)定沉箱，安裝結(jié)束，后續(xù)沉箱依靠前一件沉箱進(jìn)行安裝。沉箱安裝完成后經(jīng)兩個(gè)低潮位后觀測(cè)復(fù)核符合要求后及時(shí)對(duì)沉箱進(jìn)行回填壓載［1-2］。

4 施工注意事項(xiàng)

（1）本施工工藝所需施工用地多，出運(yùn)通道建設(shè)長度較長，需要良好自然環(huán)境和地質(zhì)條件。

（2）出運(yùn)通道長度較長，沉箱移運(yùn)工作量比較大，還需乘潮作業(yè)，所以沉箱出運(yùn)準(zhǔn)備工作比較重要，施工前多注意牽引系統(tǒng)、氣囊和供氣系統(tǒng)的檢查工作，移運(yùn)過程氣囊不得浸水作業(yè)。

（3）出運(yùn)通道坡度不得大于3%，否則沉箱移運(yùn)過程容易失穩(wěn)傾覆。

（4）開工進(jìn)場(chǎng)后，設(shè)置水尺進(jìn)行潮位觀測(cè)并形成記錄與潮汐表進(jìn)行比較，這項(xiàng)工作尤其重要，是為起吊平臺(tái)標(biāo)高確定、乘潮移運(yùn)作業(yè)時(shí)間和起吊助浮重量分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參數(shù)的基礎(chǔ)工作。

（5）選擇起重船起吊助浮時(shí)，應(yīng)考慮一定的富余起重能力，本文采用吃水富余深度500mm 進(jìn)行考慮。

（6）出運(yùn)前應(yīng)驗(yàn)算沉箱浮游穩(wěn)定各項(xiàng)參數(shù)，沉箱起吊助浮完成后應(yīng)及時(shí)灌注壓艙水，使沉箱浮游穩(wěn)定后再進(jìn)行拖帶。

（7）沉箱起吊過程應(yīng)注意沉箱成品結(jié)構(gòu)的保護(hù)，尤其是邊角區(qū)域的保護(hù)，防止掉塊破角。

（8）沉箱預(yù)制時(shí)應(yīng)考慮沉箱的頂升方式和吊點(diǎn)位置，預(yù)埋安裝輔助吊環(huán)或者設(shè)置吊孔。

（9）施工水域水深施工前應(yīng)進(jìn)行復(fù)核測(cè)量是否滿足要求。

5 結(jié)束語

沉箱出運(yùn)安裝應(yīng)綜合考慮自然環(huán)境、沉箱重量、船機(jī)設(shè)備、施工成本和工期要求等各方面因素，然后充分利用現(xiàn)場(chǎng)有利條件，采用科學(xué)有效的沉箱出運(yùn)安裝施工方法，才能確保沉箱出運(yùn)安裝施工的安全、高效和經(jīng)濟(jì)［3］。起吊助浮出運(yùn)安裝沉箱無需調(diào)遣半潛駁和大型起重船，靈活性高，節(jié)省施工費(fèi)用，沉箱可分批次預(yù)制下水安裝，同時(shí)還可以減小沉箱起吊重量，避免吊點(diǎn)應(yīng)力過大對(duì)沉箱結(jié)構(gòu)造成破壞等優(yōu)點(diǎn)，本文對(duì)關(guān)鍵施工技術(shù)進(jìn)行總結(jié)提供借鑒。