外海無掩護條件下預制蓋板和靠船構件分體安裝精度控制

柳延江，遲速，姜興偉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

在茂名港吉達港區(qū)東二港池1 號、2 號液體散貨泊位工程沉箱預制蓋板和靠船構件的安裝過程中，對安裝精度控制方法進行研究，制定了相應的控制措施，大幅度提高了安裝精度。此類沉箱蓋板及靠船構件安裝施工工藝在國內(nèi)已廣泛應用，但在外海無遮掩水域環(huán)境下進行圓沉箱重力式碼頭預制蓋板與靠船構件分體安裝應用較少，本文研究成果可為以后同類工程提供借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

茂名港吉達港區(qū)東二港池1 號、2 號液體散貨泊位工程主要內(nèi)容為建設2 個5 萬噸級液化烴泊位及配套設施，由北向南依次為1 號、2 號液體散貨泊位，碼頭[1]泊位[2]為蝶形布置形式，重力獨立墩式結構，碼頭總長596 m，共計9 個平臺墩、6 個系纜墩，4 個碼頭平臺分別通過4 座引橋與后方擬建公用管廊相接，引橋長均為13.4 m，平臺墩至引橋安裝預應力空心板，系纜墩與平臺墩之間安裝鋼結構聯(lián)橋，見圖1[2]。圓沉箱上部預制蓋板安裝60 塊，單塊最大吊重為382 t，靠船構件預制安裝18 個，單個吊重為25 t[3-4]。

圖1 碼頭模型圖Fig.1 Model diagram of the dock

1.2 工程水文條件

1.2.1 潮汐及水位

1） 基準面關系

高程基面采用當?shù)乩碚撟畹统泵?。茂名港的理論最低潮面?5 國家高程基準下1.18 m，如圖2 所示。

圖2 基準面換算關系圖Fig.2 Datum conversion diagram

2） 潮汐及設計水位

本海區(qū)潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，一般潮差約1.0～1.5 m。

工程設計水位為：設計高水位3.32 m；設計低水位0.46 m；極端高水位4.75 m；極端低水位-0.44 m。

3） 乘潮水位

歷時2 h 保證率90%的乘潮水位為1.90 m。

1.2.2 波浪

1 號、2 號泊位重現(xiàn)期10 a 設計波浪要素表見表1。

表1 碼頭前沿設計波浪要素表（重現(xiàn)期10 a）Table 1 Wave elements of terminal front design(10 years recurrence)

1.2.3 海流

工程海域潮流呈往復流，灣內(nèi)漲潮流自東向西，落潮流自西向東；工程附近海域大潮平均流速約0.13 m/s，最大流速約0.25 m/s。

1.3 首個構件安裝時氣象水文條件

1） 首座沉箱預制蓋板安裝

每座沉箱安裝4 塊預制蓋板，首座沉箱預制蓋板安裝施工條件為：2022 年5 月17 日，天氣晴，東北風3～4 級，浪高0.5～0.6 m，波周期9～10 s，潮位1.3～3.6 m。因沉箱頂標高為+3.40 m，預制蓋板安裝過程中需趁潮位+3.40 m 以下。

2） 首個靠船構件安裝

首個靠船構件安裝施工條件為：2022 年7 月12 日，天氣晴，東北風3～4 級，浪高0.3～0.4 m，波周期8～11 s，潮位1.3～2.4 m。靠船構件安裝過程中，為減少波浪對靠船構件沖擊影響，需趁低潮+2.0 m 以下施工。

1.4 施工特點

1） 本項目地處亞熱帶季風氣候帶，4—5 月受西南季風、10—11 月受東北季風影響較為嚴重，每年臺風集中在6—9 月，施工水域波長較長（一般為20～30 m），波周期長（一般為9～10 s），涌浪高度多數(shù)為0.6 m 以上，每月有效施工時間僅有10 d。本工程屬于外海無掩護施工水域，相鄰在建防波堤工程未對本工程形成有效掩護，見圖3，因此給海上構件運輸?shù)跹b帶來極大困難[5]。

圖3 總平面布置圖Fig.3 General layout

2） 預制蓋板與靠船構件安裝精度要求高，在安裝過程中受預留鋼筋影響，安裝精度不易保證。

3） 預制蓋板安裝后受波浪浮托力的影響，穩(wěn)定性較差，需及時采取臨時加固措施并盡快澆筑接縫混凝土，將4 塊蓋板澆筑成整體。

4） 靠船構件安裝后受波浪作用，引起靠船構件不穩(wěn)定，需采取臨時穩(wěn)固措施，保證接縫混凝土澆筑后靠船構件與蓋板能夠形成整體，見圖4。

圖4 預制蓋板與靠船構件分體安裝BIM 圖Fig.4 BIM diagram of splitting installation of prefabricated cover plate and berthing components

2 設計優(yōu)化

1） 本工程靠船構件位于預制蓋板側邊，見圖5，因整體形狀的不規(guī)則性不便于整體預制、出運吊裝，整體安裝重心偏外，受波浪浮托力影響較大，不利于構件安裝完成后的整體穩(wěn)定性控制，故預制蓋板與靠船構件采用分體預制、分體吊裝施工工藝。

圖5 預制蓋板與靠船構件立面圖（mm）Fig.5 Elevation view of prefabricated cover plate and berthing components（mm）

2） 原設計預制蓋板十字縫寬度為0.65 m，外伸鋼筋直徑為?25 mm，長度為200 mm，間距為150 mm，沉箱外伸鋼筋直徑為?16 mm，高度為500 mm，間距為200 mm?？紤]到預制蓋板安裝時相鄰蓋板外伸鋼筋以及與沉箱外伸鋼筋位置沖突影響，故變更十字縫寬度為1.65 m，外伸鋼筋直徑為?20 mm，長度為1 610 mm/740 mm，滿足搭接綁扎長度，間距為200 mm，見圖6、圖7，減少了外伸鋼筋的相互影響，從而使安裝精度控制得到進一步保障。

圖6 十字接縫變更前立面圖（mm）Fig.6 Cross seam change front elevation（mm）

圖7 十字接縫變更后立面圖（mm）Fig.7 Cross seam change rear elevation（mm）

3） 預制蓋板與靠船構件采用分體預制安裝，使得預制蓋板重心向沉箱內(nèi)側偏移，見圖8、圖9，圖中左側前沿蓋板由6.664 m 變?yōu)?.419 m，提高了預制蓋板安裝后的穩(wěn)定性。

圖8 重心變化前平面圖（m）Fig.8 Plan of centre-of-gravity before change（m）

圖9 重心變化后平面圖（m）Fig.9 Plan of centre-of-gravity after change（m）

3 預制蓋板安裝施工工藝

3.1 工藝流程

施工準備→蓋板上駁→水上運輸→吊裝蓋板→焊接加固→下一塊蓋板安裝→接縫處混凝土澆筑。

3.2 施工方法

3.2.1 施工準備

沉箱內(nèi)回填完成后，及時澆筑封倉混凝土，頂面進行找平處理，高差控制在±2 cm，澆筑完成后在封倉混凝土上頂面確定蓋板安裝位置，并安裝限位，安裝時應注意預埋錨板的錨固深度以及封倉混凝土強度、厚度。預制蓋板裝船前應提前編號，并根據(jù)蓋板水平方向甩筋判別安裝方向。

3.2.2 預制蓋板上駁與水上運輸

用600 t 起重船將預制蓋板[4]由出運碼頭吊裝至1 800 t 自航方駁上，然后水上運輸至預制安裝位置。1 800 t 方駁甲板面積64 m×14 m，每次運輸1座沉箱頂部的4 塊預制蓋板，下方墊木枋，蓋板兩側設型鋼斜撐限位。

3.2.3 吊裝工裝件

蓋板吊裝時設置4 組工裝件，每組工裝件設置4 根?84 圓鋼吊桿。每組吊桿底部與預制蓋板內(nèi)的預埋錨板螺栓連接，頂部絲扣連接固定在箱梁上，吊桿采用無縫鋼管密封加固，預制蓋板安裝后可拆出吊桿重復利用，見圖10。工裝件在加工過程中應對套管與錨板的相對位置精密控制，確保吊桿能夠順利擰入錨板并與上方鋼箱梁相連接。吊裝前檢查吊桿的擰入深度≥6 cm，滿足要求后方可進行吊裝作業(yè)。

圖10 工裝件示意圖（mm）Fig.10 Schematic diagram of tooling（mm）

施工前充分考慮到前沿2 塊預制蓋板的精度要求更高以及預制蓋板甩筋對最后一塊預制蓋板安裝的不利影響，故先依次安裝2 塊前沿蓋板，再依次安裝2 塊后沿蓋板。安裝時，注意相鄰預制蓋板的側向預留鋼筋與沉箱隔墻外伸鋼筋位置避開，局部鋼筋位置微調(diào)。為避免波浪浮托力對已安裝完成的蓋板整體穩(wěn)定造成影響，4 塊蓋板安裝完成后，將預留水平直筋綁扎搭接，頂層預留筋與沉箱隔墻外伸鋼筋焊接加固，每個接縫面焊接6 道，焊接長度均不小于10d，以保證預制蓋板穩(wěn)定性。

3.2.4 接縫混凝土澆筑

為保證蓋板安裝后的整體穩(wěn)定，預制蓋板安裝完成后應及時澆筑接縫混凝土?？紤]到接縫前沿模板和底模支模受波浪和潮位影響較大，同時支立模板時間較長[6]，為了盡快將4 塊蓋板中心部位現(xiàn)澆成整體，故采取了2 次澆筑的施工方法，第1 次先澆筑中間部分，即蓋板接縫預留1.5 m端頭，見圖11，第2 次澆筑端頭混凝土。

圖11 接縫混凝土澆筑Fig.11 Joint concrete pouring

3.2.5 精度控制研究

1） 限位控制。預制蓋板安裝前，將加工好的雙拼槽鋼與封倉混凝土內(nèi)預埋的錨板進行焊接加固，通過限位來調(diào)節(jié)預制蓋板的安裝位置，從而達到一定的精度控制，施工過程中應注意錨板材料及強度、焊接質量滿足施工要求。

2） 海況作業(yè)條件選擇。通過首座沉箱預制蓋板安裝典型施工總結，確定了預制蓋板安裝作業(yè)海況：浪高≤0.5 m；風向為東北風或東南風；風力等級≤4 級。

3） 船舶駐位。由于受已安裝沉箱的影響，起重船必須垂直于碼頭前沿線和波浪方向駐位，起重船抵抗涌浪能力較弱，因此，在施工過程中起重船在滿足下錨條件的同時盡可能斜向駐位，減小預制蓋板在安裝過程中的起浮晃動。

4 靠船構件安裝施工工藝

4.1 工藝流程

施工準備→靠船構件上駁→水上運輸→吊裝靠船構件→焊接加固→接縫混凝土澆筑。

4.2 施工方法

4.2.1 施工準備

吊裝系統(tǒng)的組成：主鋼絲繩（?26 mm，L=8 m）+輔鋼絲繩（?26 mm，L=5 m）+龍門架+10 t 手拉葫蘆+工裝件?？看瑯嫾5]安裝前，需提前處理待安裝位置的預制蓋板外伸筋，預留出吊桿安裝及手拉葫蘆安裝位置。

4.2.2 靠船構件上駁與水上運輸

靠船構件吊放在平板車上并采用手拉葫蘆將靠船構件與板車相連，臨時加固；使用方駁吊機將靠船構件吊裝至方駁，水上運輸至待安裝位置。

4.2.3 初步安裝

利用75 t 方駁吊機起吊主鋼絲繩，將靠船構件緩慢吊放入水中移至待安裝位置下方，水的阻力能夠有效減少靠船構件的晃動。4 根輔助鋼絲繩通過16 mm 纖維繩連接在一起，與方駁吊機輔鉤連接，人工將輔助鋼絲繩拉起，利用卡環(huán)與32號工字鋼扁擔梁連接，摘掉主鋼絲繩[7]。

4.2.4 二次提升

采用方駁吊機將龍門架吊放至靠船構件上方，龍門架放置10 t 手拉葫蘆，手拉葫蘆與構件頂面吊點連接。人工利用手拉葫蘆二次提升靠船構件，以靠船構件頂面與預制蓋板底面平齊為準。

4.2.5 工裝件安裝

手拉葫蘆提升靠船構件完成后，將工裝吊桿（長4 164 mm，?36 mm 螺栓）從靠船構件頂面向下穿入（靠船構件預先埋設錨板）。使用活動扳手，將吊桿擰入底層錨板M36 螺母內(nèi)，擰入深度至少為30 mm，共8 件。吊桿安裝完成后，從吊桿套入中層定位架。中層定位架安裝完成后擰入M36螺母固定，見圖12。

圖12 工裝件安裝完成圖Fig.12 Tooling installation completion drawing

4.2.6 接縫混凝土澆筑

靠船構件安裝完成后，及時調(diào)整位置及焊接限位，隨后焊接接縫鋼筋，支立模板，澆筑接縫混凝土。

4.3 精度控制

1） 為解決靠船構件受潮水涌浪影響后產(chǎn)生晃動，澆筑混凝土后，混凝土無法與鋼筋有效連接牢固等問題，采用2 種方法組合加固靠船構件，具體方法為：通過10 號槽鋼一端與靠船構件外伸筋焊接，一端與預制蓋板外邊緣連接，南北及東側各焊接2 個10 號槽鋼，加固靠船構件；預制蓋板開口處底面預留筋與靠船構件外伸筋相互焊接，使靠船構件與預制蓋板連接，與槽鋼加固方式共同加固靠船構件，使靠船構件平面位置及標高不發(fā)生變化，見圖13。

圖13 靠船構件限位加固布置圖Fig.13 Limit reinforcement layout of the berthing components

2） 標高控制：龍門架放置完成后，手拉葫蘆與靠船構件吊點相連，通過提升手拉葫蘆進而提升靠船構件，每個吊點配備1 個手拉葫蘆，靠船構件四角均可自由調(diào)節(jié)高度，從而達到一定的精度控制。

3） 通過首個靠船構件安裝完成后典型施工總結，確定了安裝作業(yè)海況：浪高≤0.3 m；風向為東北風或東南風；風力等級≤4 級。

5 施工效果及工效分析

1） 施工效果

通過設計方案的整體優(yōu)化，吊裝工裝件設計與研究，以及安裝施工限位吊索具的不斷優(yōu)化比選，并選擇適宜的海況施工條件，嚴格按照施工方案、安全技術交底內(nèi)容進行預制蓋板與靠船構件分體安裝施工，預制蓋板安裝位置最大偏差為5 cm，即滿足設計規(guī)范要求≤7 cm，靠船構件安裝前沿邊線最大偏差為9 mm，滿足設計及規(guī)范要求≤1 cm，均達到了預期效果[7]。

2） 工效分析

選擇適宜海況條件下，預制蓋板安裝工效為4 h/座，即1 h/塊，靠船構件安裝工效為4 h/個。

6 施工控制重點及改進措施

1） 在預制蓋板安裝過程中發(fā)現(xiàn)蓋板限位剛度不足，每塊蓋板安裝時蓋板限位均受到不同程度的損壞，施工過程中應加強控制封倉混凝土的強度和厚度，預埋件的強度剛度及埋深。

2） 在靠船構件安裝過程中發(fā)現(xiàn)鋼筋接長采用焊接方式施工周期較長，可采用直螺紋套筒施工工藝，施工過程中應對直螺紋絲扣進行保護并加強現(xiàn)場連接的質量控制和檢測復核，工藝變更后大大提高了施工工效。

7 結語

預制蓋板與靠船構件分體安裝是碼頭主體建設最重要工序之一，通過對預制蓋板與靠船構件分體安裝工藝的研究，有效縮短了施工時間，節(jié)約了施工成本，為后續(xù)外海無掩護施工水域預制構件安裝提供了寶貴經(jīng)驗，具有較高的推廣應用價值。