關(guān)于大型沉箱扶正方案的確定

◎曹宏橋 劉滔 中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司

許建軍 中鐵二院（廣東）港航勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司

1.項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

中石化（香港）洋浦成品油保稅庫(kù)項(xiàng)目配套碼頭工程位于海南省洋浦港神頭港區(qū)，隸屬儋州市，具體位于神頭港區(qū)規(guī)劃的液體危險(xiǎn)品作業(yè)區(qū)3#港池內(nèi)，臨近神尖角附近，東南望蓮花山，南靠已建中石化海南煉化30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭。

本工程沉箱數(shù)量多、分布廣、形狀各異、高度不一，經(jīng)過(guò)核算及專(zhuān)家論證，采用浮船塢“浮塢102”出運(yùn)（船長(zhǎng)66.6米、船寬35米、主體型深3.8米、塢墻內(nèi)凈寬24米）至現(xiàn)場(chǎng)下潛坑后，采用500噸起重船助浮出塢，并助浮運(yùn)至指定的安裝位置。因?yàn)轫?xiàng)目所在地海況復(fù)雜、沉箱的規(guī)格多、安裝沉箱的工藝流程復(fù)雜，本項(xiàng)目41件沉箱安裝從2016年3月19日開(kāi)始至9月15日完成安裝，耗時(shí)約6個(gè)月。

1.2 沉箱偏位原因與狀態(tài)

“莎莉嘉”臺(tái)風(fēng)2016年10月16日凌晨2點(diǎn)20分前后以超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)在菲律賓呂宋島東部沿海登陸，隨后2016年10月18日上午9點(diǎn)50分前后第21號(hào)臺(tái)風(fēng)“莎莉嘉”在海南省萬(wàn)寧市和樂(lè)鎮(zhèn)沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力有14級(jí)（45米/秒），中心最低氣壓為955百帕，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度快、風(fēng)力蓄積能量大。為保證施工船舶安全，項(xiàng)目所有施工船舶于2016年10月16日撤離至白馬井防臺(tái)錨地避臺(tái)，此時(shí)，沉箱內(nèi)已回填滿(mǎn)砂壓載防臺(tái)（按照設(shè)計(jì)僅填至沉箱頂面以下4.73m），但是沉箱基床柵欄板及護(hù)底塊石沒(méi)來(lái)得及施工。18日20時(shí)臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過(guò)項(xiàng)目所在地，臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)時(shí)候風(fēng)力12級(jí)，海上風(fēng)浪巨大，對(duì)#1泊位的5個(gè)沉箱（3個(gè)工作平臺(tái)沉箱和2個(gè)靠船墩沉箱）造成偏位，其中最大的偏位近190cm，最小偏差22cm，垂直度最大偏差5%，最小偏差0.5%，均超過(guò)規(guī)范要求的偏位15cm及垂直度0.5%要求。

2.沉箱扶正工藝流程確定

2.1 沉箱扶正實(shí)施難點(diǎn)

①本項(xiàng)目沉箱安裝于2016年9月15結(jié)束，起重船已退場(chǎng)。需要大型的起重船二次進(jìn)場(chǎng)施工。

②沉箱內(nèi)部已經(jīng)回填砂，存在板結(jié)液化的情況，需要將沉箱內(nèi)部的砂抽出來(lái)，在沉箱深度較深的情況下難以尋得合適的抽砂設(shè)備。

③該季節(jié)施工區(qū)域海況復(fù)雜，時(shí)常有寒潮、臺(tái)風(fēng)等季節(jié)性海洋氣候，海面6級(jí)以上風(fēng)力和大浪情況較多，需要提前做好氣象條件的預(yù)報(bào)，而且對(duì)于大型起重船舶設(shè)備的避風(fēng)也需提前預(yù)警。

④對(duì)起重船及抽砂船各設(shè)備之間的施工工效難以估量，施工安全、質(zhì)量、工期及成本不好確定，對(duì)后續(xù)的施工工序的安排影響較大。

⑤沉箱扶正工作處于本項(xiàng)目施工高峰期，施工海域船舶較多，疏浚挖泥船、泥駁、平板駁、吊機(jī)船較多。同時(shí)本項(xiàng)目北側(cè)10米臨近逸盛的PTA碼頭，該碼頭經(jīng)常?？孔鳂I(yè)船舶，沉箱扶正施工船舶需經(jīng)常避讓航道，調(diào)遣繁瑣。

2.2 施工工藝流程

經(jīng)過(guò)對(duì)基床進(jìn)行測(cè)量，沉箱基床周?chē)倌嗪穸绕骄咏?m，超過(guò)規(guī)范要求的0.3m，必須將基床淤泥清除后才能進(jìn)行沉箱扶正。沉箱出現(xiàn)平面偏位及豎向高差，是因?yàn)槭鼙敬闻_(tái)風(fēng)影響導(dǎo)致基床遭受了破壞，必須將沉箱吊離原基床后，對(duì)原基床重新進(jìn)行拋石、整平等工序，再對(duì)沉箱進(jìn)行重新安裝。沉箱+回填砂的重量在2562.44t～4554.74t之間。在不考慮其余力的作用下，起浮方沉箱最小力需要：2547.86-1990.76=557.1t；圓沉箱最大起重力為：4554.74-1609.3=2945.44t。而海南洋浦附近水域能夠找到的起重量在300～500t不等的起重船，均不能滿(mǎn)足起重條件，只有通過(guò)減少沉箱箱體內(nèi)的壓載物，將沉箱內(nèi)部的回填砂抽出，減少沉箱的總重量，方能滿(mǎn)足起浮條件。

圖1 400噸起重船的吊裝現(xiàn)場(chǎng)圖

仔細(xì)研究，初步確定沉箱扶正采用施工工藝流程如下所示：

沉箱四周清淤→沉箱內(nèi)抽砂→沉箱臨時(shí)存放點(diǎn)拋石整平→沉箱起浮臨時(shí)存放→原基床拋石、整平→基床驗(yàn)收→沉箱重新安裝定位→沉箱內(nèi)回填砂回填。

3.沉箱扶正方案選擇與實(shí)施

3.1 起重船選擇

經(jīng)對(duì)洋浦附近水域現(xiàn)有的“500噸固定趴桿起重船粵廣州工0063”“400噸固定趴桿起重船粵廣州工0016”“400噸全回轉(zhuǎn)趴桿起重船粵東莞工0228”進(jìn)行比選，對(duì)于起重量及跨度，三艘船舶均滿(mǎn)足要求，同時(shí)對(duì)比兩條400噸起重船的參數(shù)，回旋吊與趴桿吊的穩(wěn)定性方面，趴桿吊穩(wěn)定性較強(qiáng)，且固定趴桿吊的費(fèi)用也比較低，船體較小，占用水域小，在施工海域其余船舶較多的情況下能夠減少對(duì)其余船舶的干擾，施工避讓情況也較少，故最終選擇“粵廣州工0016”起重船作為沉箱扶正的主要起重設(shè)備。

圖2 氣舉法抽砂設(shè)備組合圖

3.2 沉箱四周清淤

經(jīng)過(guò)對(duì)沉箱基床進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)本次臺(tái)風(fēng)，沉箱腳趾處平均存在2m深度左右的淤泥。淤泥的存在，不僅影響后續(xù)拋石質(zhì)量，而且還使沉箱與基床保持較大的粘結(jié)力，影響沉箱的起浮。利用潛水員+1500m倉(cāng)容的抽砂船對(duì)沉箱底部基床進(jìn)行清淤，潛水員下潛至基床面，在水下抬動(dòng)抽砂船吸管在水下來(lái)回移動(dòng)管頭，對(duì)所有沉箱四周進(jìn)行清淤，直至清淤結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.3 沉箱內(nèi)抽砂

3.3.1 抽砂量的計(jì)算

因?yàn)槌料鋬?nèi)已充填砂，臺(tái)風(fēng)襲擊后，每個(gè)沉箱的砂面標(biāo)高均不相同，沉箱含砂總重亦不相同。起浮沉箱，需根據(jù)起浮水位計(jì)算沉箱內(nèi)抽砂的最大深度，以#1泊位方沉箱CX2-1為例說(shuō)明，根據(jù)沉箱安裝平面布置圖，#1泊位CX2-1沉箱吊距為：2m（安全距離）+10m（前一排沉箱寬度）+8m（沉箱間距）+5m（吊點(diǎn)中心間距）+5m（趴桿腳至船頭距離）=30m，經(jīng)查起重船吊裝曲線，吊裝最大重量為229t，考慮安全系數(shù)，按照200t吊力進(jìn)行起吊計(jì)算，在實(shí)際操作中，因?yàn)榛舱辰Y(jié)力不好估算，按經(jīng)驗(yàn)預(yù)估基床粘結(jié)力為100t，將起重船吊力先控制在100t后再逐漸增加。

清理沉箱內(nèi)回填砂高度計(jì)算：沉箱蓋板及操作人員重量為10t，選擇在平均高潮位+2.8m時(shí)候?qū)Τ料溥M(jìn)行扶正安裝時(shí)候需要抽取的最少砂重量為：2547.86+10+100-1990.76-100=567.1t。

方沉箱的4 個(gè)隔倉(cāng)截面積總和為：20.395625×4=81.58m，則沉箱抽砂最少深度為：567.1/（81.58＊1.8）=3.86m。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際抽砂深度控制，以此為最低控制標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測(cè)比重已達(dá)1.8t/m左右，所以在沉箱總重量的計(jì)算中按照此比重予以計(jì)算。

3.3.2 沉箱內(nèi)抽砂

為減少沉箱的總重，需將沉箱內(nèi)部的回填砂抽出。此項(xiàng)工作為沉箱扶正工作的重點(diǎn)，在選擇抽砂設(shè)備的方案上，我公司從始至終制定了五種方案，根據(jù)實(shí)際情況從中選擇了合適的抽砂方案。

方案一：以拋石方駁上的長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行挖砂為首選方案。本方法效率較高，挖出來(lái)的砂能夠放置在方駁上循環(huán)利用。但是長(zhǎng)臂挖掘機(jī)臂長(zhǎng)有限，加上跨距較大，僅能夠挖深6m左右，余下的回填砂需靠其余方法抽出。

方案二：選擇現(xiàn)有的清淤抽砂船進(jìn)行抽砂。利用吊機(jī)方駁將抽砂船的抽砂管頭放入沉箱內(nèi)進(jìn)行吸砂，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作中由于抽砂管管徑較大，水深較深，同時(shí)沉箱內(nèi)部回填砂已經(jīng)板結(jié)，難以將沉箱內(nèi)砂高效抽出，大部分時(shí)候抽出來(lái)的僅海水而已。

表1 各抽砂方法綜合比較分析表

方案三：我單位采購(gòu)了一臺(tái)大型抽砂泵，利用抽砂泵下部攪葉將板結(jié)砂攪松以后進(jìn)行抽砂，但經(jīng)實(shí)操發(fā)現(xiàn)沉箱內(nèi)回填的砂密度較大，沉淀時(shí)間久，已經(jīng)發(fā)生板結(jié)液化現(xiàn)象，加之抽砂泵吸水流量較大，外部抽水泵來(lái)不及抽水進(jìn)去沉箱內(nèi)，抽砂效率低，而且沉箱內(nèi)部回填砂會(huì)含有一部分顆粒較大的物體，易造成堵管的現(xiàn)象，抽砂管來(lái)回?cái)[動(dòng)，管頭脫離沉箱內(nèi)部砂表面，固體飛濺，危險(xiǎn)性較大。

方案四：結(jié)合灌注樁的清孔經(jīng)驗(yàn)，我部利用“氣舉法”進(jìn)行抽砂作業(yè)。首先配備相應(yīng)設(shè)備：將DN100鍍鋅導(dǎo)管分為3m、6m的管節(jié)，根據(jù)實(shí)際抽砂深度利用法蘭連接成整體，將高壓氣管與空壓機(jī)相連，綁扎在鍍鋅鋼管外側(cè)引到管底部沖擊砂層，鍍鋅鋼管頂部連接排砂塑料鋼絲管，將抽出來(lái)的砂引至固有抽砂船上存放。工作中，開(kāi)動(dòng)空壓機(jī)，利用高壓氣體沖擊導(dǎo)管底部，將已沉積的砂掀起，高壓氣體在導(dǎo)管底部形成真空進(jìn)行“氣舉”抽砂 。

方案五：在方案四氣舉法的基礎(chǔ)上，在導(dǎo)管底部加裝攪葉，利用攪葉的攪動(dòng)，使得沉箱底部板結(jié)砂松掉，然后抽砂，增加抽砂的效率，但是在實(shí)際運(yùn)用中，由于上下提動(dòng)導(dǎo)管，易造成攪葉的損壞，同時(shí)由于電線及氣管較多，容易造成纏繞，易發(fā)生觸電事故，不利于抽砂。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安全、可操作性、抽砂工效綜合比較，最終選用方案一+方案四進(jìn)行作業(yè)。方案一長(zhǎng)臂挖掘機(jī)挖砂能夠保證最快工效，從現(xiàn)場(chǎng)選擇已有的平板駁船及長(zhǎng)臂挖掘機(jī)進(jìn)行施工，挖出來(lái)的回填砂放置在平板駁船上，待沉箱扶正復(fù)位后可以循環(huán)利用。方案四抽砂工效較高，能夠保證抽砂效果，對(duì)比其余方案，操作過(guò)程中不帶電作業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較低，實(shí)際操作中可以根據(jù)沉箱內(nèi)回填砂的高低不同而選擇不同長(zhǎng)度的接管方式，在抽砂過(guò)程中利用吊機(jī)駁船將抽砂管上下提起，左右擺動(dòng)，有利于砂的快速排出，與此同時(shí)，不斷更換抽砂導(dǎo)管的位置，確保沉箱內(nèi)不同隔倉(cāng)的砂同步抽取，減小沉箱隔倉(cāng)壁的兩側(cè)壓力。

3.4 沉箱起浮

利用400t起重船對(duì)沉箱進(jìn)行起浮，沉箱起浮各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，先將沉箱內(nèi)的水抽到砂面。再將起重船的吊力從100噸開(kāi)始慢慢加載。起重船不能一次性將吊力加到200t，因?yàn)樵诔料涿撾x基床的一瞬間，起重船的吊力會(huì)瞬間減少至理論計(jì)算值，對(duì)整個(gè)起吊船的平衡造成不利影響，甚至損壞起重船的趴桿鋼絲繩組合，為避免發(fā)生該種現(xiàn)象，暫定吊力最大控制在200t左右，起重船吊力逐漸增大，從100t開(kāi)始，每次增加10t吊力，增加一次吊力后需穩(wěn)定一定時(shí)間，待確定沉箱及起重船的穩(wěn)定后再增加下一輪吊力。在對(duì)沉箱進(jìn)行調(diào)整時(shí)候，根據(jù)起重船上實(shí)際受力的電子顯示，分析基床對(duì)沉箱的粘結(jié)力值。根據(jù)沉箱的不同，吊力增加到160～180t，保持吊力10～20分鐘，仔細(xì)觀察沉箱狀況，避免沉箱突然起浮的上沖力。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)臺(tái)風(fēng)等不可抗力引起的類(lèi)似沉箱扶正施工增項(xiàng)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)、質(zhì)量工期要求、成本等因素合理確定施工工藝流程和方案。

（2）影響沉箱扶正工期的因素，最主要是沉箱內(nèi)抽砂效率。實(shí)踐證明，空壓機(jī)配置在24m以上時(shí)，能夠?qū)⑸疃?9m的中粗砂有效抽出。

（3）在沉箱扶正的過(guò)程中，難以定量計(jì)算的是基床粘結(jié)力，有待在今后類(lèi)似的施工過(guò)程中積累更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析沉箱底部面積與基床粘結(jié)力的關(guān)系。本項(xiàng)目在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，考慮對(duì)基床粘結(jié)力留有余量，盡量減少沉箱內(nèi)的留砂量，為沉箱順利起浮留有余地。

（4）結(jié)合現(xiàn)狀船機(jī)性能，采取氣舉法抽砂+固定趴桿起重船助浮進(jìn)行沉箱扶正，通過(guò)精心組織，其質(zhì)量、進(jìn)度、安全等均可得以保證，可作為同類(lèi)項(xiàng)目實(shí)施借鑒。