半潛駁出運高大沉箱整體穩(wěn)定性分析及對策

鄧應橋，陶立雙

（中交第三航務工程局有限公司，上海 200030）

0 引言

沉箱的預制、出運、安裝是一個工程的關鍵施工工序。小型沉箱安裝可以采用大型起重設備直接進行安裝，大型沉箱一般采用半潛駁或浮船塢進行浮運安裝。對于結構特殊的高大型沉箱需要采用半潛駁和起重設備配合進行安裝[1]。

1 工程背景

中緬30 萬t 原油碼頭項目位于緬甸西海岸皎漂馬德島，孤島作業(yè)，施工條件惡劣，社會資源匱乏。本項目結構形式為重力式沉箱碼頭，采用獨立墩式蝶形布置。沉箱為直徑18m 的圓形結構[2]，內部采用“井字形”薄壁隔艙，底部為八角形底板，趾長為1.5 m。沉箱高度分為3 種：30.05 m、27.8 m 和19.3 m，具體規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 沉箱規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specifications of caisson

沉箱預制采用現(xiàn)場籌建大型預制場地和出運碼頭，沉箱安裝采用中國調遣半潛駁現(xiàn)場安裝。

2 原安裝方案

以CX1 沉箱首次安裝為例，沉箱在項目現(xiàn)場籌建的預制場預制完成，混凝土強度達到設計要求后，采用氣囊運輸?shù)桨霛擇g上，半潛駁利用錨艇和拖輪配合從出運碼頭移動至下潛坑位置，半潛駁打開灌排水系統(tǒng)開始下潛，沉箱同步注水，待沉箱滿足浮游穩(wěn)定條件后，利用200 t 起重船配合出駁和安裝[3-4]。沉箱安裝采用定制的半潛駁（三航工5）進行浮運、下潛、安裝。三航工5 型長為100 m，型寬為40 m，型深為7 m，最大下潛深度為26.5 m，最大舉力為15 000 t。

通過對沉箱進行浮游穩(wěn)定計算，當壓載水深度為5.8 m 時，沉箱吃水深度為19.5 m，沉箱底部墊木厚度為0.35 m，半潛駁型深為7 m，下潛深度為26.85 m，定傾高度為0.003 m，沉箱浮游穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，沉箱無法直接拖帶出駁。

當壓載水深度為6.2 m 時，沉箱吃水深度為19.85 m，沉箱底部墊木厚度為0.35 m，半潛駁型深為7 m，下潛深度為27.2 m，定傾高度為0.22 m，沉箱浮游穩(wěn)定滿足規(guī)格要求，但下潛深度超過半潛駁的最大下潛深度，需要起重船配合出駁。

根據(jù)沉箱首次安裝實際情況，當半潛駁下潛到7 m，甲板淹沒到水面的時刻，半潛駁出現(xiàn)大角度的橫向搖擺，現(xiàn)場通過控制下潛速度和調整船舶姿態(tài)無法改變船舶橫搖現(xiàn)象，見圖1。為了避免橫搖導致沉箱在船舶甲板出現(xiàn)滑動或傾覆，項目部當即停止了下潛，組織專家團隊對現(xiàn)場出現(xiàn)的情況進行原因分析和尋找對策。

圖1 半潛駁發(fā)生橫搖Fig.1 Rolling of semi-submersible barge

3 原因分析

針對半潛駁下潛出現(xiàn)橫搖情況，項目部組織工程專家、船舶操作專家、船舶設計院對半潛駁狀態(tài)、施工條件及下潛工況進行分析，導致出現(xiàn)橫搖的原因如下：

1）半潛駁下潛時船首和船尾保持水平，當下潛到7 m 時，船身甲板入水時刻，半潛駁與水面接觸的面積由整個船體突變?yōu)榍昂? 個塔樓，提供給船舶的穩(wěn)性慣性矩突然變小，導致船舶浮游穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

2）半潛駁在現(xiàn)場下潛坑位置下潛時，船舶與現(xiàn)場水流存在一定夾角，導致半潛駁下潛后，受水流外力影響較大，使得半潛駁出現(xiàn)晃動。

3）本項目沉箱為高大結構，重心較高，雖然半潛駁的舉力遠遠大于沉箱重量，但是沉箱和半潛駁形成一個整體后，浮游穩(wěn)定需要重新考慮。

4）半潛駁壓載艙灌排水設備是受艙內的壓力傳感器控制，由于水艙排氣閥出現(xiàn)堵塞，導致壓力傳感器數(shù)據(jù)不準確，水艙內水位實際高度與顯示器高度不一致，出現(xiàn)壓載水不夠的情況。

5）半潛駁頂部甲板上擺放很多重物、下潛之前半潛駁上吊車沒有放平，導致半潛駁的重心偏高，影響到處于極限狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性。

4 應對措施

按照專家要求，針對出現(xiàn)橫搖的原因，對沉箱安裝采取以下措施：

1）在三航工5 號艉部塔樓兩邊外側甲板向上各增加1 個鋼浮箱，長12 m、寬1.2 m、高4.5 m。鋼浮箱底部設排水閥、頂部設置排氣管和進水管。

2）三航工5 號采用縱傾1?進行下潛，直到整體定傾高度值滿足設計要求。

3）制定半潛駁下潛工作流程，確定壓載艙加載順序與操作要求，經船舶設計院復核后實施。項目部依據(jù)下沉全過程確定幾種最不利工況（如：甲板全部沒水、沉箱底部開始沒水、浮箱頂部沒水、沉箱內灌水、塔樓變截面處沒水等），請船舶設計驗算穩(wěn)性高度是否滿足規(guī)范要求。

4）調整沉箱橫向平面位置，位置偏差在±50 mm 以內，減少沉箱偏心力矩，降低船體搖擺幅度。

5）三航工5 號卸下船上塔樓頂面及機艙內多余貨物；更換調試有故障的設備、儀器、儀表；下潛前要檢查船體油艙、生活水艙實際艙位情況；對CX1 位置的甲板結構變形情況進行檢查；嚴格按確定工作流程、壓載艙灌排水順序進行操作。

6）在幾種不利工況下，塔樓起重吊架應處于擱置放平狀態(tài)。

7）優(yōu)化三航工5 號錨位，減少水流對沉箱下沉的影響。

8）暫停澆筑沉箱頂部牛腿，將已經澆筑的混凝土鑿除，鑿除的混凝土碎渣作為沉箱的固體壓載物，降低結構物重心。

9）沉箱下沉前，應對沉箱內水位進行檢查，積水不超過30 cm。減小沉箱入水前積水自由液面對沉箱的影響。

10）沉箱下沉實施前應掌握氣象情況，測量沉箱下潛位置處全斷面的水流流速，并考慮水流力對沉箱就位的影響，以便指導沉箱安裝。

5 處理方法及效果

5.1 半潛駁船尾兩側增加浮箱

根據(jù)專家意見，在半潛駁船尾塔樓的外側增加2 個長12 m、寬1.2 m、高4.5 m 的浮箱[5]，見圖2，浮箱的頂面布置4 根高度為1 m、直徑150 mm的鋼管作為自動進水口，當水位超過浮箱頂面1 m 后能自動進水，然后在浮箱頂面做1 個排氣管，直接固定在半潛駁的塔樓上，高度到半潛駁塔樓的頂甲板上，管頂安裝1 個閥門，控制是否放氣；在浮箱底板安裝1 個DN200 的排水閥門，當半潛駁上浮出水面時，打開排水閥門將浮箱內的水排出，減小箱內海水的影響。

圖2 半潛駁船尾安裝浮箱Fig.2 Installation floating tank to stern of semisubmersible barge

浮箱與半潛駁的連接方式：在半潛駁的塔樓外側每隔2 m 有一道塔樓結構龍骨，先將制作好的三角托架與半潛駁的龍骨焊接，采用雙面焊接4 段焊縫，每段焊縫長度22 cm，然后用1 條通常的槽鋼將7 個托架連接成一個整體，然后將浮箱吊裝到托架上面，浮箱與托架和半潛駁塔樓焊接，再用7 個三角架從浮箱頂面反壓下來，與底部的托架對稱，最后用槽鋼將上下2 個三角架外口連接成一個封閉結構，將浮箱包裹在中間，確保浮箱的穩(wěn)定性。

經計算，浮箱長12 m，寬1.2 m，高4.5 m，安裝在尾塔樓兩邊上，安裝高度范圍為7.0～11.5 m，在船舶下潛7.0～11.5 m 的過程中起作用，相當于增加了12 500 t·m 的慣性矩，相當于在7.0～11.5 m范圍內增加了0.45 m 的定傾高度值。

5.2 半潛駁保持縱傾姿態(tài)下潛

原安裝方案中考慮到半潛駁為15 000 t，沉箱約為4 000 t，安裝的富裕量較大，所以第一次沉箱安裝時半潛駁采用的水平狀態(tài)下潛，出現(xiàn)嚴重橫搖情況。通過專家組討論，考慮到本次安裝的沉箱重心較高，水平下潛時船舶與水接觸面發(fā)生突變，浮力的慣性矩突然變小，導致出現(xiàn)失穩(wěn)，因此，要求半潛駁保持縱傾1?下潛[6]，船尾先下潛，始終與船首保持2.0～2.5 m 的高差，避免出現(xiàn)整體結構與水面的慣性矩發(fā)生突變，整體定傾高度由0.33 m 增加到0.85 m，提升了半潛駁和沉箱在最不利情況下的整體穩(wěn)定性。

5.3 通過整體穩(wěn)定性計算指導半潛駁灌水下潛

根據(jù)船舶設計院提供的穩(wěn)性計算書，半潛駁兩側增加浮箱后的下潛各種工況的整體穩(wěn)定性情況，用于指導半潛駁下潛時各個水艙的灌水順序和速度，LOAD2-A 至LOAD2-J 為加浮箱后的典型工況[7]：

1）LOAD2-A 為半潛駁無縱傾，舉升甲板被淹沒時的工況，此時沉箱沒有淹沒水面，修正后定傾高度GM=0.33，穩(wěn)性雖然足夠，但并不大，考慮到外部施工條件，建議半潛駁采取帶縱傾角度下潛。

2）LOAD2-B 為舉升甲板剛被淹沒的帶縱傾工況，在主甲板完全淹沒時，沉箱底部也已經接觸水面，此時沉箱提供了慣性矩，修正后定傾高度GM 值達到0.85 m。此時半潛駁NO.3（P1，S1,P2，S2），NO.4（P1，S1，P2，S2），NO.5（P1，S1，P2，S2）和NO.6（P1，S1）14 個壓載艙水已灌滿，可以利用NO.2（P1，S1），NO.6（P2，S2）進行船體平衡調節(jié)，半潛駁各艙位編號見圖3。

圖3 半潛駁壓載艙平面圖Fig.3 Plan of ballast compartments of semi-submersible barge

由于本項目沉箱重心高度較高，沉箱自身提供的慣性矩較少，LOAD2-B 工況是本船相對比較危險的工況。因此，下潛時需要集中裝載壓載水，盡量消除自由液面對船舶穩(wěn)性的影響。根據(jù)船舶操作要求，壓載艙灌滿或者空艙情況下無需考慮自由液面影響，其它情況下每個艙的最大自由液面將使船舶定傾高度GM 值大約減少0.04 m。如：LOAD2-B 工況將7 對艙裝滿，這7 對艙則無需考慮自由液面。其他艙原則上可以為空艙，但考慮到可操作性問題，將在其他艙內注水，則需要考慮自由液面影響，因此，LOAD2-B 工況在考慮一半艙的自由液面后，GM 值達到了0.85 m。

3）LOAD2-C 為船舶下潛深度為8.1 m 的工況，此時沉箱基座被淹沒，沉箱接觸水面的部分半徑從10.5 m 變成了9 m，修正后定傾高度GM值為0.71 m。

4）LOAD2-D 為船舶下潛到11.5 m 前的工況，此時浮箱還沒淹沒，修正后定傾高度GM 為1.14 m。

5）LOAD2-E 為船舶下潛到11.5 m 后的工況。此時浮箱淹沒于水下，浮箱所起作用消失，此時提供船舶慣性矩的為塔樓和沉箱。修正后定傾高度GM 為0.73 m。

6）LOAD2-F 為船舶下潛到12.5 m 前的工況。此時浮箱尚未開始進水，修正后定傾高度GM 為0.82 m。

7）LOAD2-G 為船舶下潛到12.5 m 后的工況。此時浮箱進滿水，修正后定傾高度GM 為0.83 m。

8）LOAD2-H 為船舶下潛深度為15.2 m 的工況，此時除了NO.2（P2，S2）和NO.7（P2，S2），其他艙都已經裝滿。

9）LOAD2-I 和LOAD2-J 表示沉箱開始注水，與半潛駁同步下潛到最大深度的工況。

5.4 降低半潛駁及沉箱重心高度

根據(jù)現(xiàn)場情況，對半潛駁和沉箱均采取了降低結構重心的措施，首先將半潛駁操作平臺頂部的重物，如鋼絲纜繩、船舶備件等吊上岸邊暫存，半潛駁下潛至15 m 前，塔樓上的2 臺吊車把桿平放，處于不工作狀態(tài)，待下潛到15 m 后，開始使用吊車工作，配合施工。對于已經完成預制的沉箱，將沉箱頂部的牛腿混凝土鑿除，做為沉箱的固定壓載物，對于沒有完成預制的沉箱，暫停牛腿施工，待沉箱安裝就位后，進行水上現(xiàn)澆牛腿混凝土，降低沉箱重心高度。

5.5 排查半潛駁艙位儀表設備

根據(jù)船舶專家意見，對半潛駁灌排水系統(tǒng)，包括水泵、管道、閥門和儀表進行檢查和復核，發(fā)現(xiàn)在半潛駁操作平臺外的壓載艙排氣閥出現(xiàn)故障，導致進行壓載時，壓載艙進水時，艙內空氣無法排出，導致儀表顯示水位已滿，但實際里面封閉了大量空氣，水位并未達到實際高度。通過更換排氣閥后，壓載艙水位滿艙后，排氣閥會有水柱噴出，即表示壓載艙已滿。

5.6 現(xiàn)場測量潮位和水流，確定半潛駁下潛時機

為了了解沉箱安裝施工水域的流速變化規(guī)律，項目部利用LS1206B 流速儀每隔0.5 h 測量1 次5 m、10 m、15 m、20 m 不同深度的流速情況。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析：同一個測量點隨水深越深流速越大，靠近工作船碼頭距離越近的基坑位置流速越大，小潮汛的流速比大潮汛的流速要小，即使在平潮時刻，基坑上下的流速也不相同[8]。

因此，沉箱安裝選擇每個月2 次小汛潮期間（每次時間窗口為4～5 d），從最低潮位為開始漲潮時，流速開始變小，半潛駁開始下潛，高平潮時流速最小，起重船配合沉箱出駁，移運至安裝位置，沉箱注水下沉至20 m，等待落潮，在低平潮前沉箱注水下沉至距離基床頂面2 m 位置，最后在低平潮時沉箱安裝就位。

5.7 起重船配合沉箱出駁、安裝

根據(jù)重力式碼頭施工技術規(guī)范要求，浮游穩(wěn)定的定傾高度m＞0，沉箱即可穩(wěn)定，m≥0.2 m，沉箱滿足近程拖帶要求。

根據(jù)現(xiàn)場對沉箱注水后的浮游穩(wěn)定性計算，該沉箱壓載水高度為5.3 m 時，定傾高度m＞0，沉箱處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)，沉箱吃水深度為19.10 m，墊木高度為0.35 m，半潛駁型深7.0 m，半潛駁下潛深度為26.45 m，半潛駁下潛的最大深度26.5 m，沉箱與半潛駁甲板的距離為5 cm，兩者間距太小，無法拖帶沉箱出駁。因此，必須利用起重船助浮，施加100 t 吊力，沉箱吃水可減少38 cm，沉箱底板距離半潛駁甲板面43 cm，此刻可將沉箱吊裝移出半潛駁甲板面，見圖4。當沉箱完全移出半潛駁后，繼續(xù)往沉箱內注水，當壓載水高度為6.5 m 時，定傾高度m＞0.2 m，沉箱滿足浮游穩(wěn)定要求，起重船可以慢慢釋放吊力，讓沉箱自身保持平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 起重船配合沉箱出駁Fig.4 Unloading a caisson with assistance of a floating crane

6 結語

通過對第一次沉箱安裝出現(xiàn)的橫搖狀況進行原因分析，發(fā)現(xiàn)利用半潛駁安裝高大沉箱時，不能只考慮沉箱的自身浮游穩(wěn)定，而是在下潛過程中需要把沉箱和半潛駁做為一個整體，考慮整體的浮游穩(wěn)定。針對影響整體穩(wěn)定的各種因素，制定了相應的對策，解決了高大大型沉箱下潛安裝的難題。同時在境外實施項目要因地制宜，結合現(xiàn)有的施工船舶條件，采用半潛駁+起重船配合的安裝方式，解決了半潛駁下潛極限問題，從而確保了中緬30 萬t 原油碼頭項目的順利完工，為打通中國西部能源通道奠定了堅實的基礎。