重力墩式碼頭大型沉箱安裝施工技術(shù)研究

丘福旺

（中交第四航務(wù)工程局有限公司粵東分公司,廣東 惠州 516000）

0 引言

重力墩式碼頭大型沉箱安裝施工速度快、水下工作量少、結(jié)構(gòu)整體性好、抗震性能好，并且整體造價(jià)較低，在施工地基能夠滿(mǎn)足重力墩式碼頭施工條件的情況下，成為很多水運(yùn)工程的首選結(jié)構(gòu)形式。該文將對(duì)重力墩式碼頭大型沉箱安裝進(jìn)行分析研究。

1 重力墩式碼頭

碼頭是建設(shè)在水域沿邊用來(lái)貨物裝卸、乘客上下的場(chǎng)所。現(xiàn)有的碼頭建設(shè)結(jié)構(gòu)形式有三種：重力式、高樁式和板樁式，其中重力式碼頭是國(guó)內(nèi)水運(yùn)工程中最常投入施工的碼頭結(jié)構(gòu)之一。重力式碼頭又依據(jù)平面布置的不同分為兩種：重力式岸壁碼頭和重力墩式碼頭。

碼頭建設(shè)施工方案的確定與選擇需要對(duì)各方面條件進(jìn)行科學(xué)合理的前期調(diào)研準(zhǔn)備，具體的碼頭設(shè)計(jì)條件如表1[1]。

表1 碼頭設(shè)計(jì)條件表

2 沉箱

沉箱是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安裝便捷的深基礎(chǔ)，常用于碼頭的建設(shè)，是水運(yùn)工程的重要組成部分。沉箱是一種有底的箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置隔板，可以漂浮在水中，可通過(guò)調(diào)節(jié)箱內(nèi)壓載水控制沉箱下沉或漂浮。沉箱設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 沉箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

目前大型沉箱施工的過(guò)程順序如下：沉箱預(yù)制→沉箱運(yùn)出→沉箱安裝。沉箱本身是一種超大型的構(gòu)件，在施工過(guò)程中受到自然地理?xiàng)l件的影響、構(gòu)件自身重量的約束、機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸能力的限制以及施工經(jīng)費(fèi)的制約[2]。

沉箱施工的第一個(gè)環(huán)節(jié)是沉箱預(yù)制，該施工環(huán)節(jié)的主要內(nèi)容有：沉箱預(yù)制場(chǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)與布置建設(shè)、選擇經(jīng)濟(jì)便捷的攪拌站、預(yù)制沉箱。

2.1 沉箱預(yù)制場(chǎng)的布置

沉箱預(yù)制場(chǎng)依照沉箱制作技術(shù)需求，需要布置的場(chǎng)地有：沉箱預(yù)制區(qū)、沉箱堆存區(qū)、鋼筋加工場(chǎng)、模板改造區(qū)、混凝土攪拌站等。除此之外沉箱預(yù)制場(chǎng)的布置還需要考慮到項(xiàng)目施工地的電力、水力、通信問(wèn)題以及沉箱制成后的運(yùn)輸問(wèn)題、施工人員的生活問(wèn)題。

2.2 沉箱預(yù)制技術(shù)

采用分層法預(yù)制沉箱，具體的預(yù)制過(guò)程如圖2。

圖2 沉箱預(yù)制施工工藝流程圖

3 重力墩式碼頭大型沉箱安裝施工

將預(yù)制的沉箱運(yùn)輸?shù)桨惭b地點(diǎn)之后需要進(jìn)行精準(zhǔn)的安裝。沉箱安裝施工過(guò)程分為兩步：第一步安裝前的準(zhǔn)備，第二步進(jìn)行沉箱安裝。

3.1 沉箱基礎(chǔ)施工條件準(zhǔn)備

3.1.1 擠密砂樁

沉箱安裝施工之前進(jìn)行擠密砂樁，目的是對(duì)地質(zhì)液化嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行地基加固保障施工項(xiàng)目安全。擠密砂樁施工工藝主要是將土擠壓、壓實(shí)，將成型的鋼筒底端進(jìn)行封閉處理，然后采用沖擊法或振動(dòng)法將其打入地基中成孔，最后將砂料填入孔內(nèi)再用鋼管進(jìn)行回壓搗實(shí)擴(kuò)徑成樁。擠密砂樁工法是將砂樁打入軟弱土體中，形成復(fù)合地基，此時(shí)砂樁對(duì)周邊的松散土產(chǎn)生擠密作用，可以大大提高地基承載力、抗液化變形和抗剪切力的能力。具體的擠密砂樁采用的是干法灌砂、加壓排砂。

擠密砂樁的制樁是通過(guò)向貫入土層中的套管內(nèi)部加壓，使套管端部?jī)?nèi)外壓力保持平衡，然后提管使套管內(nèi)砂料排出，再向下打回的方式來(lái)完成。在GPS 指導(dǎo)下進(jìn)行船舶的駐位以及對(duì)擠密砂樁進(jìn)行定位。在系統(tǒng)指令下，套管沉入地基土體下利用振動(dòng)錘的作用接近設(shè)計(jì)標(biāo)高，砂傳輸系統(tǒng)同時(shí)向套管內(nèi)提供定量砂料，套管內(nèi)利用空氣壓縮系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好一定的氣壓。此過(guò)程需要時(shí)間來(lái)向套管內(nèi)加砂和加壓，會(huì)有部分泥、水、砂等混合物進(jìn)入套管。等到套管繼續(xù)上拔，內(nèi)部的混合物在氣壓和砂料自重作用下排出。在氣壓作用下，砂料從套管內(nèi)落入孔洞后形成松散砂樁。隨后將管內(nèi)落入的砂達(dá)到的高度與上拔的高度進(jìn)行對(duì)比，控制人員得到系統(tǒng)的指令后停止上拔，然后將套管回壓至一定深度。內(nèi)部松散砂樁經(jīng)過(guò)搗實(shí)后擴(kuò)徑形成擠密砂樁。

3.1.2 基槽挖泥以及墊層和基床拋石

基坑挖泥的具體流程：測(cè)量具體的水下施工高度→施工時(shí)分層分條對(duì)砂層進(jìn)行挖掘。墊層和機(jī)床拋石的具體流程：做標(biāo)志位→拋石船根據(jù)GPS 定位到達(dá)拋石地點(diǎn)→拋石。進(jìn)行這些前期施工作業(yè)目的是為沉箱的安裝提供堅(jiān)實(shí)的水下地基，保障上層施工的穩(wěn)固性、安全性。

3.1.3 對(duì)基床夯實(shí)整平

采用錘夯法對(duì)基床進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，具體的夯實(shí)作業(yè)過(guò)程如下：設(shè)立標(biāo)志測(cè)量定位→初步進(jìn)行粗糙平整→基床夯實(shí)→基床驗(yàn)收→局部補(bǔ)充拋石。

基床的整平作業(yè)具體作業(yè)過(guò)程如下：基床夯實(shí)作業(yè)完成→整平前粗整平星床面→潛水員下放鋼軋→下放刮耙，投放二片石→移動(dòng)刮靶，細(xì)整平基床頂面→基床整平驗(yàn)收→起鋼軌科船至下段待整平基床。

3.2 沉箱安裝施工

沉箱安裝的具體過(guò)程分為三步：下潛出塢→拖輪拖運(yùn)→就位安裝。

3.2.1 沉箱的下潛出塢作業(yè)

下潛出塢作業(yè)的主要內(nèi)容是：選擇、布置和檢測(cè)下潛坑，進(jìn)行下潛準(zhǔn)備工作；半潛駁下潛、對(duì)沉箱進(jìn)行灌水作業(yè)；沉箱出塢[3]。

下潛前的準(zhǔn)備工作有以下幾點(diǎn)：依照工程施工標(biāo)準(zhǔn)采用精密探測(cè)儀對(duì)下潛坑數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收；半潛駁由測(cè)量船引導(dǎo)進(jìn)入下潛坑后，用GPS 進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，為半潛駁提供精密的下潛坑深度以及拋錨點(diǎn)位置；啟動(dòng)起重機(jī)進(jìn)行沉箱頂棧橋和操作平臺(tái)的安裝；通過(guò)浮游計(jì)算確定出適合下潛出塢的潮位和時(shí)間；進(jìn)行大型沉箱抽灌水系統(tǒng)的具體布置和安裝，以供抽壓載水出倉(cāng)、向沉箱內(nèi)部加水；為沉箱出塢時(shí)溜尾進(jìn)行遛尾纜繩的安裝和固定。

準(zhǔn)備工作完成，在潮位條件出現(xiàn)之后進(jìn)行半潛駁下潛和沉箱灌水作業(yè)。在半潛駁下潛過(guò)程中，指揮員需要時(shí)刻關(guān)注半潛駁的下潛情況以及沉箱當(dāng)前的吃水深度，達(dá)到沉箱深度施工標(biāo)準(zhǔn)深度時(shí)，開(kāi)啟注水閥門(mén)對(duì)沉箱進(jìn)行灌水作業(yè)，此時(shí)需要密切監(jiān)測(cè)倉(cāng)內(nèi)注水的深度，在達(dá)到倉(cāng)內(nèi)注水深度要求之后，立即關(guān)閉注水閥門(mén)。在沉箱起浮前完成剩余作業(yè)，當(dāng)沉箱穩(wěn)定在固定范圍并且吃水深度接近沉箱起浮的臨界條件時(shí)，停止半潛駁的下潛作業(yè)。開(kāi)始進(jìn)行鋼絲繩鏈接作業(yè)，同時(shí)檢測(cè)沉箱內(nèi)的壓倉(cāng)水深是否需要繼續(xù)進(jìn)行壓倉(cāng)注水。待所有作業(yè)全部完成后等待半潛駁自帶的起重機(jī)將連接半潛駁頂及沉箱頂?shù)墓ぷ鳁虻蹼x。隨后完成沉箱的起浮直至沉箱完全處于漂浮狀態(tài)再觀測(cè)沉箱的傾斜情況，通過(guò)注水對(duì)傾斜問(wèn)題進(jìn)行調(diào)節(jié)。

最后出塢階段：在沉箱的吃水達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)并保持穩(wěn)定之后啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼絲繩，沉箱出塢。時(shí)刻監(jiān)察沉箱的壓倉(cāng)水深以及沉箱是否傾斜，將沉箱勻速緩慢地拖出下潛坑并靠在方駁邊。沉箱出塢作業(yè)模擬圖如圖3。

圖3 沉箱出塢作業(yè)模擬圖

3.2.2 沉箱的拖輪托運(yùn)作業(yè)

沉箱拖輪托運(yùn)作業(yè)具體過(guò)程如下：選擇合適沉箱拖輪托運(yùn)作業(yè)的潮位、通過(guò)浮游托運(yùn)完成沉箱的拖輪托運(yùn)作業(yè)、對(duì)沉箱的?？孔龊们捌谑┕ぷ鳂I(yè)[4]。

其中沉箱拖輪托運(yùn)作業(yè)潮位選擇是依據(jù)沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算以及水運(yùn)工程施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定的，為了更好地控制作業(yè)環(huán)境，大多數(shù)情況下沉箱的拖輪托運(yùn)作業(yè)會(huì)在水深較大且流速較慢的平潮進(jìn)行。

在開(kāi)始沉箱拖輪托運(yùn)作業(yè)之前，需要運(yùn)用精密的儀器對(duì)沉箱出運(yùn)通道進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)測(cè)量，選取合適的托運(yùn)路線，確保沉箱在浮游拖運(yùn)作業(yè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)沉箱擱淺的狀況。

施工作業(yè)過(guò)程千變?nèi)f化，對(duì)于可能發(fā)生的狀況要做好預(yù)防。在安裝作業(yè)中出現(xiàn)需要安裝的沉箱但是基床尚未整理完畢時(shí)，浮游拖運(yùn)的沉箱就必須暫時(shí)?？坑诖a頭前沿，等待現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)至可進(jìn)行正常安裝。為了避免沉箱相互之間發(fā)生碰撞事故，就要設(shè)計(jì)合理安全的沉箱停泊區(qū)域。

3.2.3 沉箱的就位安裝作業(yè)

進(jìn)行第一個(gè)沉箱的安裝施工，周?chē)鷽](méi)有其它可以進(jìn)行輔助安裝的物體，需要借助半潛駁在安裝的時(shí)候?qū)Π惭b點(diǎn)進(jìn)行定位，實(shí)施粗安裝。在第一個(gè)沉箱安裝完成之后需要進(jìn)行復(fù)查審核，若與原先既定位置存在差距，可以在第二個(gè)沉箱安裝施工作業(yè)完成后再次進(jìn)行抽水起浮對(duì)沉箱位置進(jìn)行精密調(diào)整。

剩余沉箱的安裝分為兩個(gè)過(guò)程。首先是對(duì)沉箱安裝點(diǎn)進(jìn)行粗定位：對(duì)已經(jīng)完成施工的沉箱進(jìn)行安裝工作平臺(tái)進(jìn)行固定；其次是通過(guò)精密測(cè)量后在精準(zhǔn)的安裝點(diǎn)進(jìn)行施工安裝：施工人員利用GPS 測(cè)量出沉箱底部四個(gè)角點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及標(biāo)準(zhǔn)高度，然后依照數(shù)據(jù)對(duì)沉箱進(jìn)行灌水或者抽水作業(yè)使沉箱在既定的范圍之內(nèi)。隨后繼續(xù)向沉箱灌水，再調(diào)整使其到達(dá)既定位置，在符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下完成沉箱安裝，沉箱就位安裝作業(yè)模擬圖見(jiàn)圖4。

圖4 沉箱就位安裝作業(yè)模擬圖

3.2.4 起重船的就位與安裝

起重船就位安裝具體過(guò)程如下：首先精準(zhǔn)測(cè)量起重船拋錨的具體位置完成拋錨定位作業(yè)；接著通過(guò)吊裝開(kāi)始進(jìn)行沉箱出駁作業(yè)，將大型沉箱平穩(wěn)緩慢地吊起至沉箱施工預(yù)先選定的安裝區(qū)域正上方，然后平穩(wěn)緩慢地將起重船的主鉤下放至施工預(yù)定位置落鉤。

起重船在進(jìn)行沉箱安裝施工時(shí)需要注意：在進(jìn)行沉箱安裝作業(yè)時(shí)要善于利用精準(zhǔn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)調(diào)整起重船高強(qiáng)拉桿的長(zhǎng)度；起重船自身以及起重船上的吊起設(shè)施工具是否進(jìn)行探傷處理、施工試調(diào)、是否符合工程要求；在起吊作業(yè)開(kāi)始之前對(duì)起吊設(shè)備工具進(jìn)行檢查，看是否會(huì)和沉箱發(fā)生接觸碰撞，鋪設(shè)安裝一些具有保護(hù)作用的坐墊；進(jìn)行夜晚施工作業(yè)一定要設(shè)立警示標(biāo)牌作為提示以防發(fā)生接觸碰撞。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文通過(guò)圖文結(jié)合的方式對(duì)重力墩式碼頭大型沉箱安裝施工技術(shù)進(jìn)行了研究，按照重力墩式碼頭大型沉箱安裝工程施工的具體過(guò)程，對(duì)過(guò)程中的作業(yè)技術(shù)進(jìn)行講解。沉箱安裝施工技術(shù)是要求精準(zhǔn)度的技術(shù)，在進(jìn)行沉箱安裝作業(yè)時(shí)一定要將前期準(zhǔn)備工作嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赝瓿?，才能有足夠的能力去?yīng)對(duì)施工過(guò)程中的突發(fā)狀況，順利完成施工作業(yè)。