阿爾及利亞BETHIOUA礦業(yè)碼頭工程沉箱安裝施工技術(shù)

◎ 林建明 中交第三航務(wù)工程局有限公司廈門(mén)分公司

1.工程概況

阿爾及利亞BETHIOUA港礦業(yè)碼頭工程項(xiàng)目位于奧蘭省BETHIOUA 港石油化工區(qū)內(nèi)，是Arzew港務(wù)局為土耳其Tosyali鋼鐵廠配套的鐵礦石卸料碼頭。

礦業(yè)碼頭設(shè)計(jì)靠泊能力1 5 萬(wàn)噸，呈突堤式布置，采用并排雙圓筒沉箱結(jié)構(gòu)，碼頭面高程+4.0m，寬26.0m，碼頭前沿水深-20m。沉箱共54件，為圓筒型結(jié)構(gòu)，單件重量約為1900T。沉箱安裝采用半潛駁進(jìn)行水上運(yùn)輸，起重船配合進(jìn)行沉箱定位安裝的施工方式[1]。

2.施工難點(diǎn)

2.1 沉箱安裝精度要求高

碼頭下部結(jié)構(gòu)由東西兩排底板結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)的細(xì)高型無(wú)隔倉(cāng)圓桶沉箱并列形成，沉箱安裝設(shè)計(jì)縫寬僅5cm，兩排沉箱的安裝誤差需同步控制，安裝的技術(shù)及精度要求高、難度大。

2.2 周?chē)h(huán)境復(fù)雜

工程施工區(qū)為無(wú)掩護(hù)海域，受地中海氣候影響，每年有5個(gè)月的季風(fēng)期，這期間風(fēng)浪大，施工期間確保大型船組安全作業(yè)、在計(jì)劃工期內(nèi)完成作業(yè)。

3.施工方案

沉箱安裝采用半潛駁進(jìn)行水上運(yùn)輸，起重船配合進(jìn)行沉箱定位安裝的施工方式。沉箱安裝的總體施工順序由引堤連接處朝外側(cè)安裝。因本工程沉箱采用雙排布置，且施工海域惡劣天氣時(shí)主浪向?yàn)槲飨?，因此，擬先行安裝西側(cè)沉箱，待西側(cè)沉箱安裝長(zhǎng)度對(duì)東側(cè)基床整平及沉箱安裝施工可起到掩護(hù)作用后，再安裝東側(cè)沉箱。沉箱安裝過(guò)程，始終保持西側(cè)對(duì)東側(cè)的掩護(hù)作用。安裝順序示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 沉箱安裝施工順序圖

3.1 沉箱偏心受力及浮游穩(wěn)定性計(jì)算

參數(shù)設(shè)定：

①海水密度1.025t/m3；②混凝土密度2.5t/m3。

3.1.1 沉箱偏心受力配載計(jì)算

本工程沉箱底板結(jié)構(gòu)形狀不對(duì)稱(chēng)，安裝時(shí)存在偏心受力情況，導(dǎo)致沉箱吊環(huán)及鋼絲繩受力不均，存在安全隱患，同時(shí)對(duì)沉箱著床控制也會(huì)造成影響。為解決這一問(wèn)題，可根據(jù)力矩平衡原理，在沉箱偏心受力一側(cè)加載配重塊，以達(dá)到力矩平衡目的，盡量減小偏心受力對(duì)沉箱安裝的影響。

受海水浮力影響，沉箱下沉過(guò)程所受偏心力為一變值，計(jì)算假設(shè)狀態(tài)定為沉箱著床前，即距離基床頂面約30cm左右時(shí)。

G1：沉箱八邊形底板8m邊側(cè)部分水下重量；G2：沉箱八邊形底板6.63m邊側(cè)部分水下重量；G3：?jiǎn)蝹€(gè)配重塊的水下重量G3=4m3×2.5t/m3=10t，水下重量6t（扣除浮力）。L1：沉箱八邊形底板邊長(zhǎng)8m側(cè)重心至底板中心的距離（力臂長(zhǎng)度）；L2：沉箱八邊形底板邊長(zhǎng)6.63m側(cè)重心至底板中心的距離（力臂長(zhǎng)度）；L3：配重的中心至底板中心的距離（力臂長(zhǎng)度）。根據(jù)力矩平衡原理：G1×L1=G2×L2+n×G3×L3。

偏心受力計(jì)算如下：①沉箱八邊形底板8m 邊側(cè)部分水下重量：G1=121.28m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3）=187.83t；②沉箱八邊形底板6.63m邊側(cè)部分水下重量:G2=111.63m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3)=172.89t；③配重塊單塊重量:4m3×2.5t/m3=10t，水下重量G3=6t（扣除浮力）；④沉箱八邊形底板8m 邊側(cè)部分重心至底板中心的距離：L1=4.10 5m(累加和求重心法)；⑤沉箱八邊形底板6.63m邊側(cè)部分重心至底板中心的距離:L2=3.938m(累加和求重心法)

圖2 受力分析示意圖

則：L3=(G1×L1-G2×L2)/(n×G3)

式中:n為加載配重塊塊數(shù);L3為配重塊力臂長(zhǎng)度。

n取3，G3=6t，可得L3=5.01m。

3.1.2 浮游穩(wěn)定性計(jì)算

本工程沉箱安裝采用半潛駁運(yùn)輸，起重船配合安裝，浮游穩(wěn)定計(jì)算主要考慮沉箱浮游時(shí)的吃水深度[2]。

根據(jù)阿基米德原理，浮力與重力平衡時(shí)，沉箱重量等于其排開(kāi)水的體積乘以水的密度，即：

式中：m為沉箱重量；ρ為液體的密度（海水取1.025）；V為沉箱排開(kāi)水的體積。

依據(jù)此公式，沉箱浮游穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)如下：

1）沉箱加平臺(tái)重量及配重塊重量：T=1916.68t+10t（工作平臺(tái)計(jì)10t）+3×10t（3個(gè)配重塊）=1956.68t；

2）浮游穩(wěn)定時(shí)排水體積：V排=T/ρ海水=1956.68/1.025=1908.956m3；

3）底板體積：V底板=232.91m2×1.05m=244.56m3；

4）倒角桶身外側(cè)倒角部分體積：

V倒角=0.5m×0.5m/ 2×（2×3.14×7.75m）=6.084m3；

5）平衡時(shí)桶身提供的體積數(shù)：

V桶=V排-V底板-V倒角=1908.956m3-244.56m3-6.084m3=1658.312m3；

6）桶身吃水底面積m3/m：S桶=3.14×7.5m×7.5m+1.039m2*2=178.703m2；

7）浮游穩(wěn)定吃水深度：H=V/S+1.05m=1658.312m3/178.703m2+1.05m=10.33m。

浮游穩(wěn)定時(shí)沉箱吃水深度10.33m＞沉箱重心高度7.861m（沉箱底為計(jì)算原點(diǎn)），故沉箱浮游穩(wěn)定時(shí)，沉箱重心位于水面以下，整體穩(wěn)定性較好，在起重船配合安裝的情況下，可不加載壓倉(cāng)水。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 沉箱水上運(yùn)輸

沉箱采用半潛駁進(jìn)行水上運(yùn)輸。沉箱完成上駁施工后，半潛駁脫離出運(yùn)碼頭，由拖輪托運(yùn)至安裝下潛位置拋錨定位。

3.2.2 半潛駁下潛

起重船預(yù)先在半潛駁下潛位置拋錨定位。不加載壓倉(cāng)水情況下，半潛駁下潛位置最下水深要求為17.0m。將根據(jù)沉箱安裝位置水深情況，就近選擇水深合適區(qū)域下潛，同時(shí)應(yīng)注意半潛駁不得在沉箱安裝基床處下潛。半潛駁托運(yùn)至指定下潛位置后半潛駁水倉(cāng)注水下潛，在達(dá)到沉箱浮游穩(wěn)定吃水深度前，安裝沉箱頂部吊環(huán)掛鉤（吊環(huán)在沉箱預(yù)制時(shí)預(yù)埋，共設(shè)8處），沉箱達(dá)到浮游穩(wěn)定狀態(tài)后，起重船吊運(yùn)沉箱出半潛駁，半潛駁撤離[3]。

3.2.3 沉箱安裝

沉箱安裝施工前需于岸側(cè)設(shè)立水尺，結(jié)合沉箱桶身標(biāo)尺(標(biāo)尺精度20cm)以控制沉箱下沉深度。沉箱達(dá)到浮游穩(wěn)定狀態(tài)后，由起重船結(jié)合陸上全站儀進(jìn)行粗定位。定位完成后，打開(kāi)沉箱進(jìn)水口，往沉箱圓筒內(nèi)注水，期間起重船維持80 T吊力不變，沉箱緩慢下沉，至拋石基床面頂以上約30cm高度時(shí)，關(guān)閉沉箱進(jìn)水口，沉箱停止下沉，進(jìn)行沉箱精定位，沉箱著床。

4.施工要點(diǎn)

4.1 沉箱著床過(guò)程控制要點(diǎn)

沉箱著床為沉箱安裝最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，需從以下幾方面進(jìn)行控制：

（1）沉箱安裝狀態(tài)的選擇。受多方面因素影響，沉箱安裝時(shí)頂面不同部位高程可能不一致，將出現(xiàn)兩種不同的安裝狀態(tài)：

狀態(tài)1，與已安裝沉箱對(duì)接一側(cè)高程低于另一側(cè)，如圖3所示。

圖3 沉箱安裝狀態(tài)1示意圖

在此狀態(tài)進(jìn)行沉箱著床時(shí)，沉箱頂端已率先緊靠，無(wú)法繼續(xù)移動(dòng)，但此時(shí)其底板并未靠攏，隨著起重船繼續(xù)落勾，沉箱安裝縫寬將不斷張大，在此種狀態(tài)下進(jìn)行著床施工，難以將沉箱縫寬控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

狀態(tài)2，與已安裝沉箱對(duì)接一側(cè)高程高于另一側(cè)，如圖4所示。

圖4 沉箱安裝狀態(tài)2示意圖

此種狀態(tài)下進(jìn)行沉箱著床施工時(shí)，沉箱底部先靠攏，此時(shí)沉箱頂部雖未完全靠攏，但隨著起重船繼續(xù)落勾，沉箱頂部也將逐漸靠緊，此種狀態(tài)利于沉箱著床時(shí)安裝縫寬的控制。

因此，沉箱著床施工前，應(yīng)事先進(jìn)行高程測(cè)量，選擇高程較高一側(cè)作為對(duì)接靠攏側(cè)，使沉箱底板先靠攏，如此將有利于沉箱安裝的縫寬控制。

（2）沉箱防撞措施。沉箱著床過(guò)程，碰撞的發(fā)生難以避免，尤其對(duì)于圓筒型沉箱，因其底板結(jié)構(gòu)為正八邊形而上部筒身結(jié)構(gòu)為圓筒形，加大了防撞的難度。為減少碰撞的發(fā)生和減輕碰撞的危害，可采取以下幾方面措施：

1）沉箱準(zhǔn)備著床前，與已安裝沉箱保持一定的安全距離，防止沉箱受風(fēng)浪等原因產(chǎn)生擺動(dòng)時(shí)發(fā)生碰撞。

2）沉箱棱角的碰撞，危害最大。因此，沉箱靠攏操作時(shí)，應(yīng)保證沉箱底板平行于已安裝沉箱，否則不得靠攏，以避免沉箱棱角碰撞的發(fā)生。

3）沉箱靠攏時(shí)，船機(jī)移動(dòng)應(yīng)緩慢，同時(shí)，應(yīng)使用軟木板于兩沉箱間作為緩沖保護(hù)，防止沉箱直接碰撞接觸。

（3）沉箱著床精度控制。沉箱著床過(guò)程，受外界因素及安裝船機(jī)自身的影響，著床過(guò)程沉箱容易發(fā)生擺動(dòng)，造成沉箱偏位，因此，在不剮蹭基床的情況下，應(yīng)盡量降低沉箱臨著床時(shí)距離基床頂面的高度（30cm左右為宜），如此可縮短沉箱著床過(guò)程的時(shí)間，一方面可降低沉箱發(fā)生偏位的概率，另一方面也可減少沉箱碰撞的發(fā)生。

沉箱準(zhǔn)備靠攏時(shí)，應(yīng)以倒濾井為參照，對(duì)齊兩沉箱倒濾井位置并使其平行后再進(jìn)行靠攏，否則，若沉箱已發(fā)生接觸后再進(jìn)行位置的調(diào)整，因兩沉箱間的相互影響，將導(dǎo)致調(diào)整難以進(jìn)行。

采取多次著床的方法逐漸提高沉箱安裝的精度。沉箱一次著床安裝精度即符合要求的可能性小，因此沉箱粗定位后可先進(jìn)行一次著床，一次著床可為再次著床提供必要參數(shù)，指導(dǎo)再次著床施工，同時(shí)也可起到壓實(shí)基床可能存在的虛石的作用，利于再次著床時(shí)沉箱安裝精度的控制。

沉箱精確著床后，打開(kāi)進(jìn)水閥往沉箱內(nèi)注水并再次測(cè)量沉箱偏位情況，當(dāng)符合規(guī)范要求時(shí)，繼續(xù)往沉箱內(nèi)注水，沉箱安裝結(jié)束。

4.2 船機(jī)定位方式

與已安裝沉箱對(duì)接過(guò)程，將主要需要調(diào)整沉箱左右方向位置。垂直于軸線定位，左右方向可通過(guò)起重船大臂變幅來(lái)實(shí)現(xiàn)左右方向的微調(diào)，利于沉箱精確定位，因此，沉箱安裝時(shí)起重船擬垂直于沉箱安裝軸線方向定位，進(jìn)行沉箱安裝施工。

5.結(jié)語(yǔ)

阿爾及利亞BETHIOUA港礦業(yè)碼頭工程項(xiàng)目位于阿爾及利亞奧蘭省BETHIOUA港區(qū)域，地處無(wú)掩護(hù)海域，受地中海氣候影響較大，每年有5個(gè)月的季風(fēng)期，這期間風(fēng)浪大，工程施工過(guò)程中采取一系列技術(shù)措施，克服了季風(fēng)期施工的難題，降低了工程施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)重力式碼頭沉箱安裝工程具有較好借鑒意義。