沿海港口碼頭大型沉箱出運(yùn)安裝施工技術(shù)應(yīng)用研究

作者簡(jiǎn)介：孫美燕（1971—），高級(jí)工程師，研究方向：交通、建筑工程。

摘要：針對(duì)半潛駁船在水平潛水作業(yè)中穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求以及沉箱出船時(shí)潛水深度不足的問題，文章采用了半潛駁船艏傾下潛和起重船吊扶聯(lián)合出運(yùn)安裝大型橢圓形沉箱的施工工藝方案。沉箱出運(yùn)結(jié)果表明，該施工工藝是可行的，對(duì)類似工程的大型橢圓形沉箱出運(yùn)安裝具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：大型橢圓型沉箱；半潛駁艏傾下潛；起重船吊扶；安裝

中圖分類號(hào)：U655.4

0 引言

隨著沿海港口碼頭大型化、深水化發(fā)展趨勢(shì)，作為碼頭水工結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉箱，其設(shè)計(jì)的尺寸和重量也越來越大，隨之對(duì)沉箱出運(yùn)安裝的技術(shù)要求也越來越高。4 500 t以上的大型沉箱作為港口工程中重要的預(yù)制構(gòu)件，被越來越多地應(yīng)用于深水重力式碼頭、垂直防波堤、環(huán)海島嶼建筑等水工結(jié)構(gòu)中，甚至在跨海橋梁工程中被用作錨固基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。沉箱重量的提高有利于大型港口結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但同時(shí)對(duì)沉箱的出運(yùn)安裝也造成了一定的困難?；舱降馁|(zhì)量、海況的好壞、安裝工藝的選取、安裝設(shè)備是否先進(jìn)等都會(huì)對(duì)沉箱的安裝質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用^［1］。為此，選擇合適的大型沉箱安裝施工工藝和方法，已成為大型沉箱安裝進(jìn)度控制和安全控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用了起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝大型橢圓形沉箱的施工工藝并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。

1 沉箱出運(yùn)安裝施工工藝

沉箱出運(yùn)安裝的施工工藝大致分為3類：第一類為出運(yùn)至安裝地點(diǎn)，大部分通過方駁轉(zhuǎn)運(yùn)，采用起重船安裝，一般用于小型沉箱的安裝，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是速度快、精度高；第二類為采用半潛駁出運(yùn)安裝，通過半潛駁將沉箱運(yùn)至安裝地點(diǎn)附近，借助方駁定位及卷揚(yáng)機(jī)或倒鏈拖拽對(duì)沉箱進(jìn)行精確安裝，該工藝一般用于較大沉箱的安裝^［2］；第三類為起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝工藝，該工藝為半潛駁出運(yùn)安裝的擴(kuò)展，一般用于大型或超大型沉箱的安裝^［3］。

本文介紹的是第三類起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝大型沉箱施工技術(shù)的案例應(yīng)用。

2 起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝大型沉箱案例運(yùn)用

2.1 工程概況

本工程為新建1個(gè)20萬噸級(jí)散貨泊位，碼頭水工結(jié)構(gòu)按30萬噸級(jí)散貨船設(shè)計(jì)。碼頭結(jié)構(gòu)長(zhǎng)415 m，寬32.5 m，碼頭面頂高程為+11.00 m。碼頭平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式采用橢圓形沉箱重力式獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)，共11件，分為CX1和CX2～CX11兩種規(guī)格。

CX1橢圓形沉箱結(jié)構(gòu)：沿泊位長(zhǎng)度方向?qū)挾葹?8.3 m，垂直碼頭岸線方向?qū)?9.0 m，高27.9 m，底板厚0.8 m，外壁厚0.40 m，內(nèi)為3 m×5 m形式隔倉，隔墻厚度為0.25 m。單個(gè)沉箱混凝土工程量為2 077.7 m³，重量為5 391 t，重心高度為11.497 m。沉箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

CX2～CX11橢圓形沉箱結(jié)構(gòu)：沿泊位長(zhǎng)度方向?qū)挾葹?7.1 m，垂直碼頭岸線方向?qū)?9.0 m，高27.9 m，底板厚0.8 m，外壁厚0.40 m，內(nèi)為3 m×5 m形式隔倉，隔墻厚度為0.25 m。單個(gè)沉箱混凝土工程量為1 999.9 m³，重量為5 179 t，重心高度為11.591 m。沉箱結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

本工程沉箱浮游穩(wěn)定吃水深度較大，CX1下潛吃水深度達(dá)18.24 m，CX2～CX11下潛吃水深度達(dá)到18.77 m，半潛駁最大受限于半潛駁下潛深度，需采用起重船進(jìn)行助浮出駁及沉箱安裝（沉箱內(nèi)預(yù)埋插銷吊孔）。

2.2 技術(shù)方案分析

本工程沉箱結(jié)構(gòu)較為特殊，采用的是水運(yùn)工程施工領(lǐng)域比較少見的橢圓形沉箱，與常規(guī)的圓形、方形沉箱相比，橢圓形沉箱重心相對(duì)較高且迎水面不規(guī)則，易受海浪沖擊而自由偏位，浮游穩(wěn)定性相對(duì)較差；本工程為典型的外海開敞式碼頭，所處海域海況條件較為惡劣，風(fēng)、浪、流條件復(fù)雜，沉箱安裝工期的控制難度較大；本工程沉箱體積和重量大，是本工程所在海域有史以來最大的沉箱，對(duì)半潛駁裝載能力的要求極高，需采用市場(chǎng)上為數(shù)不多的大型半潛駁，選取適合的大型船機(jī)設(shè)備至關(guān)重要。

鑒于本工程沉箱安裝難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、工期緊等實(shí)際情況，對(duì)沉箱的安裝技術(shù)要求也極高。經(jīng)綜合研討，采取起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝的施工技術(shù)方案，即將沉箱經(jīng)半潛駁浮運(yùn)至碼頭現(xiàn)場(chǎng)后，在起重船的助浮下使其浮游出塢，起重船通過移船絞錨，牽引沉箱進(jìn)行安裝。該方案可有效解決本工程沉箱安裝的難點(diǎn)，具有安全性能高、穩(wěn)定性高、安裝精確度高和安裝效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 安裝工藝流程

沉箱安裝工藝流程如圖3所示。

2.4 半潛駁選型

工程采用6 500 t大型半潛駁（見表1），通過對(duì)該半潛駁裝載本工程沉箱下潛時(shí)的穩(wěn)定性核算，計(jì)算結(jié)果接近規(guī)范允許值，安全儲(chǔ)備存在不足，需采取技術(shù)措施提高半潛駁裝載沉箱下潛穩(wěn)定性。經(jīng)半潛駁原船舶設(shè)計(jì)單位針對(duì)本工程沉箱裝載和下潛設(shè)計(jì)，明確了相應(yīng)的船舶技術(shù)改造方案，有效提升了整體船組的穩(wěn)定性。

具體技術(shù)改造方案：在半潛駁上新增助浮浮箱2個(gè)，分別位于舉升甲板面上，左右舷各一個(gè)，浮箱尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）：5.4 m×4.5 m×8.0 m，單個(gè)重量約為40 t。新增浮箱為水密箱體，能承受最大沉深時(shí)的水壓力，在提升整體穩(wěn)定性的同時(shí)，增加了400 t的浮力，經(jīng)改造后半潛駁滿足本工程沉箱裝載的需求。

2.5 起重船選型

經(jīng)計(jì)算，半潛駁搭載沉箱下潛至一定深度后，需由起重船提供200 t吊力。本工程擬采用1 200 t起重船進(jìn)行助浮出駁及沉箱安裝，吊具、操作平臺(tái)、索具等重量如下：吊具重量為16 t，吊具上起重吊索重量為4.8 t，下吊索及插銷重量為2.2 t，操作平臺(tái)為8.5 t。吊具下起重量（含吊具）小計(jì)為26.7 t，起重船掛鉤下起重量合計(jì)為31.5 t。

助浮起重量：計(jì)算助浮力為200 t，取安全系數(shù)為2.25，即450 t，滿足起重量要求。

2.6 半潛駁下潛及沉箱出駁安裝

沉箱經(jīng)拖運(yùn)至下潛區(qū)附近水域后，即進(jìn)入浮游安裝階段。為保證助浮安裝的安全性和穩(wěn)定性，以最重的CX1沉箱為例，計(jì)算了下潛、出駁相應(yīng)的壓載水深和沉箱吃水深度，其他沉箱根據(jù)沉箱助浮穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)取用。

2.6.1 準(zhǔn)備工作

（1）半潛駁進(jìn)入潛水區(qū)后，測(cè)量人員利用GPS輔助半潛駁在潛水區(qū)精確拋錨定位，并用水砣測(cè)量下潛區(qū)實(shí)際水深作為參考。

（2）半潛駁定位完成后，由半潛駁上的吊機(jī)將通道跳板吊裝擱置至沉箱頂部與半潛駁駕駛樓頂之間，形成半潛駁與沉箱頂之間的人行安全通道。

（3）將起重船左右前錨拋至半潛駁邊上，注意不能壓住半潛駁的錨繩，將前纜系掛在由半潛駁引出的兩根浮式纜繩上，做取沉箱時(shí)前移用。

2.6.2 半潛駁下潛

當(dāng)準(zhǔn)備工作完成，下潛區(qū)潮位條件滿足下潛要求時(shí)，半潛駁開始加水下潛。下潛過程中，需特別注意觀察沉箱內(nèi)倉是否漏水，如漏水，要停止下潛，查明原因并解決問題后方能繼續(xù)施工。潛水至沉箱吃水7 m時(shí)停止?jié)撍?，打開閥門，開始向沉箱注入壓載水，當(dāng)沉箱內(nèi)壓載水高度注入浮穩(wěn)定計(jì)算壓水高度時(shí)（CX1為6.1 m），關(guān)閉注水閥門。

2.6.3 起重船掛鉤

沉箱壓載水加載完成后，半潛駁繼續(xù)下潛至半潛駁吃水20 m（沉箱吃水14 m）時(shí)，起重船移船靠近半潛駁，在沉箱上安裝施工平臺(tái)，隨后人員下至下層操作平臺(tái)安裝起重船鋼絲繩插銷和纜風(fēng)繩。安裝完成后，半潛駁繼續(xù)下潛，下潛過程中起重船鋼絲繩始終處于放松不受力的狀態(tài)。隨著半潛駁不斷下潛，起重船跟進(jìn)松鉤。當(dāng)半潛駁下潛至沉箱吃水深度達(dá)到17 m時(shí)，半潛駁結(jié)束下潛，檢查沉箱內(nèi)壓載水和閥門密封情況。檢查無誤后，人員撤離沉箱頂部，半潛駁上的吊機(jī)將跳板吊走。

2.6.4 沉箱出駁

半潛駁繼續(xù)下潛，待沉箱吃水深度達(dá)到17.39 m時(shí)（半潛駁下潛23.59 m），沉箱開始緩慢起鉤提升。根據(jù)理論計(jì)算，此時(shí)起重機(jī)船的提升力為200 t。吊起沉箱后，起重船啟動(dòng)尾部錨機(jī)，同步放松船艏纜繩，吊取沉箱船移后退，完成沉箱駁船作業(yè)。

2.6.5 起重船移船

沉箱出駁后，由錨艇輔助起重船進(jìn)行拋錨定位，起重船通過絞錨的方式移船至指定位置。

2.6.6 沉箱安裝

沉箱安裝采用雙GPS定位實(shí)現(xiàn)沉箱的精確安裝。取沉箱前后沿角點(diǎn)為安裝時(shí)的控制角點(diǎn)，開工前技術(shù)主管根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙換算出對(duì)應(yīng)角點(diǎn)坐標(biāo)，向測(cè)量人員交底及下發(fā)測(cè)量工作任務(wù)；沉箱安裝過程中，測(cè)量人員根據(jù)相關(guān)角點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)值與計(jì)算坐標(biāo)的偏差，指導(dǎo)船組進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)沉箱精確安裝。

（1）起重船移船至基床上方后，根據(jù)當(dāng)天的潮位情況，當(dāng)潮位達(dá)到2.5 m（沉箱高27.9 m+基床頂標(biāo)高-24.9 m-浪高0.5 m=2.5 m）以下時(shí)，操作人員通過爬梯上到沉箱頂部操作平臺(tái)，打開沉箱進(jìn)水閥門，注水使沉箱下沉，起重船同步下鉤。

（2）測(cè)量人員用GPS測(cè)量沉箱的頂標(biāo)高及位置，當(dāng)沉箱下沉至距離基床頂面0.5 m時(shí)，用雙GPS測(cè)量?jī)蓚€(gè)角點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

（3）精確定位后，起重船松鉤，期間起重船通過纜風(fēng)繩對(duì)沉箱位置進(jìn)行微調(diào)，使沉箱坐底，實(shí)現(xiàn)沉箱精確安裝。

（4）沉箱坐底后測(cè)量人員復(fù)核沉箱的安裝誤差值，若不符合要求，則由起重船起吊沉箱進(jìn)行調(diào)整，若符合規(guī)范要求，則打開進(jìn)水閥均勻灌水穩(wěn)定沉箱。

（5）沉箱灌水穩(wěn)定后，解除連接插銷，起重船起鉤移船退出。

2.6.7 沉箱進(jìn)水孔封堵及檢驗(yàn)

沉箱安裝到位后，必須堵住進(jìn)水閥，防止回填后漏砂。進(jìn)水孔用隔水塞封堵，封堵方法如下：

（1）隔水塞為圓臺(tái)體形狀，使用比沉箱強(qiáng)度高一標(biāo)號(hào)的混凝土預(yù)制而成，外裹一層厚土工布。

（2）潛水員攜帶隔水塞至沉箱進(jìn)水孔隔倉內(nèi)側(cè)進(jìn)行安裝。

（3）安裝時(shí)，將隔水塞放入進(jìn)水孔內(nèi)，潛水員用錘子將隔水塞用力錘入孔內(nèi)。

（4）直至無法錘進(jìn)即為安裝完成。

等待一個(gè)漲落潮位周期后，在低潮位時(shí)，若沉箱隔倉內(nèi)水面仍與沉箱頂面齊平，即進(jìn)水孔已完成封堵且不漏水；若沉箱隔艙內(nèi)水面比沉箱頂面低，即進(jìn)水孔封堵后仍存在漏水現(xiàn)象，需要重新進(jìn)行封堵。

2.6.8 檢測(cè)

沉箱安裝完畢后，經(jīng)過兩次連續(xù)低潮觀測(cè)，沉箱穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求；然后提起密封蓋板，立即拋砂充填沉箱。在沉箱四角頂面上布置沉降位移觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量初始值，然后按規(guī)定時(shí)間進(jìn)行沉降位移觀測(cè)。在安裝過程中，對(duì)每個(gè)沉箱和每一段進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保濱水線、接縫寬度、相鄰塊交錯(cuò)齒和碼頭總長(zhǎng)度符合規(guī)范要求。沉箱安裝的允許偏差、檢驗(yàn)數(shù)量和方法應(yīng)符合表2規(guī)定^［4］。

2.6.9 注意事項(xiàng)及安全措施

（1）沉箱運(yùn)輸前，船機(jī)部門和水上調(diào)度必須了解天氣和海況，及時(shí)掌握短期預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)；預(yù)期風(fēng)速應(yīng)≤6級(jí)，波高應(yīng)≤1.5 m，作業(yè)區(qū)內(nèi)海水流速應(yīng)＜1 m/s。當(dāng)船舶被拖曳或停泊時(shí)，必須確保纜繩具有足夠的強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，以防止纜繩斷裂。

（2）當(dāng)半潛式駁船下潛到規(guī)定深度時(shí)，通過沉箱上的埋設(shè)環(huán)用四根纜繩與半潛式駁船的塔柱連接，以保持沉箱穩(wěn)定。拖船向前牽引沉箱時(shí)，應(yīng)注意減慢船速，避免與沉箱和半潛式駁船塔體相撞。

（3）半潛式駁船的垂直傾角和水平傾角的平衡調(diào)節(jié)只能通過自然進(jìn)水和強(qiáng)制排水來實(shí)現(xiàn)。除4個(gè)塔式壓載筒倉外，半潛駁船不得強(qiáng)制注水，4個(gè)塔式壓載筒倉不得強(qiáng)制調(diào)水。當(dāng)操作者熟悉升降操作時(shí)，應(yīng)隨時(shí)觀察船的4個(gè)角的吃水情況。微機(jī)顯示與塔柱吃水符號(hào)不一致時(shí)，以塔柱吃水符號(hào)為準(zhǔn)，縱傾≤0.55，橫傾≤0.33。

（4）沉箱安裝完畢后，潛水員應(yīng)下水檢查沉箱上下縫寬、相鄰交錯(cuò)齒、與基床接觸平整度是否滿足技術(shù)要求。如果不符合要求，就需要調(diào)整安裝。

3 結(jié)語

為進(jìn)一步提高碼頭工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性以及施工工效，沉箱結(jié)構(gòu)將隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展而越來越大，由此導(dǎo)致沉箱安裝的難度和風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。為此，選取合適的沉箱安裝技術(shù)方案是保證工程施工質(zhì)量、安全和進(jìn)度的關(guān)鍵。本工程采用起重船助浮半潛駁出運(yùn)安裝施工技術(shù)，攻克了工程難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了沉箱快速、安全的浮運(yùn)安裝，沉箱安裝工期較原計(jì)劃提前近兩個(gè)月，取得了良好的施工效果，對(duì)當(dāng)前比較少見的類似大型橢圓形沉箱安裝施工具有較好的借鑒意義。通過本工程的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）提前策劃，采取切合工程實(shí)際的技術(shù)方案。

沉箱安裝屬于碼頭工程施工過程中的關(guān)鍵工序，對(duì)工程總體進(jìn)度的影響至關(guān)重要。針對(duì)大型沉箱安裝，前期策劃、技術(shù)方案研究、相關(guān)穩(wěn)定性驗(yàn)算、船機(jī)設(shè)備選型是保證沉箱安裝工序平穩(wěn)進(jìn)行的先決條件。

（2）起重船助浮沉箱安裝工藝的優(yōu)點(diǎn)：

①起重船助浮沉箱安裝工藝不僅能有效提升沉箱浮游時(shí)的吃水深度，降低半潛駁所需的最大下潛深度要求，還能增加助浮安裝過程中構(gòu)件及船組的安全儲(chǔ)備以及穩(wěn)定性能。

②起重船助浮后，沉箱下潛深度減少，碼頭停泊水域可滿足下潛需求，避免了半潛駁下潛坑的開挖施工，施工工藝更加環(huán)保、高效。

③采用起重船助浮后，半潛駁所需下潛深度減小，潮差對(duì)施工作業(yè)無影響，解除了沉箱安裝施工作業(yè)限制；同時(shí)，船組下潛時(shí)間更短，有效提升了整個(gè)沉箱安裝的施工工效。

（3）起重船助浮沉箱安裝工藝的局限性：

①由于沉箱安裝所需的起重船僅用于沉箱安裝的部分工序，設(shè)備的整體利用率不高；同時(shí)，所采用的助浮起重船比較大型且數(shù)量較少，設(shè)備臺(tái)班費(fèi)用相對(duì)較為昂貴，由此導(dǎo)致施工成本也相對(duì)增加。

②采用助浮沉箱安裝工藝時(shí)，起重船的船位需根據(jù)半潛駁下潛深度的變化而作相應(yīng)的調(diào)整，并在中間穿插絞錨移船、掛鉤等操作，對(duì)施工作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)要求以及船組間的配合默契程度要求都比較高。施工過程中，必須要設(shè)立統(tǒng)一指揮并絕對(duì)服從，以保證沉箱整個(gè)安裝過程的連續(xù)性和安全性。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-03-20