沉箱施工技術在海外港口工程建設中的應用研究

摘要 該文深入分析了海外港口工程沉箱施工技術，涵蓋了沉箱預制、安裝及回填等關鍵環(huán)節(jié)。通過實際案例分析，詳細探討了沉箱制作、吊運、下沉等核心技術，并提煉出全過程施工質(zhì)量控制要點。研究成果為沉箱技術在海外欠發(fā)達地區(qū)港口碼頭建設中的應用提供了重要技術支撐和實踐借鑒。

關鍵詞 港口施工；沉箱；氣囊浮運；安裝；施工技術

中圖分類號 U655 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0151-04

0 引言

沉箱施工技術是港口碼頭建設中的核心技術，以其操作性強、效果顯著、效率高和易于質(zhì)量控制而廣泛采用，然而，在坦桑尼亞，面臨大型吊裝設備不足，資源有限和地形復雜等挑戰(zhàn)，精確掌握沉箱技術顯得尤為關鍵，這對于項目確保安全、保證質(zhì)量、提升施工效率具有重要意義。

1 項目概況

姆萬扎北港項目位于坦桑尼亞維多利亞湖畔，項目旨在改造現(xiàn)有港口，并通過中央鐵路連接首都達累斯薩拉姆，打造區(qū)域鐵路走廊的重要節(jié)點。工程涉及疏浚、沉箱安裝等多個環(huán)節(jié)，包含28個沉箱，高度5～7 m，最大重量83.75 t。該項目在保持北港口運營的前提下，進行升級改建；施工區(qū)周邊環(huán)境復雜，沉箱預制區(qū)受限，僅可用已拆除的鐵路停車區(qū)和儲油罐區(qū)，周邊緊鄰1#泊船區(qū)、旅客候船廳、TPA辦公樓、市警察局及魚市。

2 工程建設中沉箱施工關鍵技術要點

該項目在海外施工資源有限、場地狹窄等不利條件下，在該國首次設計使用單棧橋+75 t履帶吊氣囊浮運吊裝工藝，解決了大重量沉箱吊裝等難題，保證了工程安全和施工效率。從技術上解決了公路、鐵路、水路聯(lián)通的技術難題，填補了該國相關技術領域的空白。

沉箱施工，其工藝如下。

2.1 施工準備

施工前，清理施工場地，確保場地干凈無雜物，以便施工開展。

2.2 沉箱預制場地及臨時設施設置

沉箱預制場建在靠近沉箱碼頭湖岸區(qū)，布局原則為物資進出方便、施工干擾少、預制沉箱便于水陸相連；預制場坪清表壓實，承載力大于200 kPa后，澆筑10 cm厚混凝土封面層硬化處理[1]，預制臺座根據(jù)沉箱類型和工期安排，共設計4個，臺座硬化區(qū)域比沉箱輪廓寬50 cm，四周設排水設施。

2.3 疏浚清淤

沉箱碼頭疏浚分三個區(qū)域進行，清淤深度4～8 m。基槽開挖采用疏浚船與長臂挖機聯(lián)合作業(yè)，臨岸區(qū)以長臂挖機為主，遠岸區(qū)以疏浚船為主。施工采取分區(qū)域、分段、分條模式，條間重疊2 m。棄土棄渣由運泥船運至指定區(qū)域。

2.4 沉箱預制

沉箱碼頭施工位于一號碼頭附近，實際長度83.15 m，設計延長至115 m。沉箱由CA1-CA28號呈“Z”形排布，填湖區(qū)距河岸10 m。

（1）鋼筋加工與安裝。除600 mm間距固定筋為12 mm外，其余為16 mm鋼筋。鋼筋在加工場集中加工，檢驗合格后堆放。預制區(qū)綁扎成型，按圖施工，確保間距和搭接長度。鋼筋骨架底部、兩側(cè)綁扎同級混凝土墊塊，保護層墊塊分布均勻，數(shù)量足夠，保護層厚度應滿足設計要求[2]。

（2）模板安裝。根據(jù)設計圖紙制作沉箱模具，預制沉箱450 mm厚底板采用方木進行固定，立墻模板采用大塊拼裝定型鋼模板，由模板廠統(tǒng)一定制。模板采用內(nèi)撐外拉、無對拉式加固，防止沉箱滲漏水。

（3）混凝土澆筑。集中拌制，混凝土罐車運輸至現(xiàn)場，吊車提升料斗灌注，插入式振搗器振搗。

（4）養(yǎng)護。澆筑后，底板和立墻頂部覆蓋土工布或麻布，灑水養(yǎng)護。

（5）移箱。強度達到要求后，人工牽繩引導輔助，75 t履帶吊橫移至存放區(qū)，讓出空間再次制箱。

2.5 沉箱底部片石基礎施工

（1）沉箱片石基床拋填施工

沉箱水下片石基礎，首先使用長臂挖機及泊船開挖至設計深度，GPS測量標高，在控制點上校驗GPS高度，然后將GPS固定在7 m長的方鋼上，方鋼底部焊接10 cm×10 cm鋼板，使用泊船測量水下開挖深度，在數(shù)據(jù)處理時，GPS量取的標高需加上方鋼的長度即為水下基礎的深度。基槽開挖至設計標高并驗收后，通過平板拖船運石，人工配合長臂挖機拋填完成基床回填作業(yè)?；不靥钣弥睆?0～100 cm塊石，確保石質(zhì)未風化、無裂紋、級配良好[3]。

（2）沉箱片石基床夯實

基床拋石采用履帶吊結(jié)合630 mm管樁插打錘于棧橋上分段振搗夯實。使用60管樁插打錘，下方焊接1 m2鋼板，厚度2 cm。采用縱橫向相鄰接茬半夯，每點一錘，并分初、復夯各一遍，一遍四夯次，每夯次振搗5 s。分段振搗夯實的搭接長度不小于2 m。以防止基床局部隆起或漏夯。

（3）沉箱片石基床整平

在驗收夯實的基床上，采用GPS水下定點，在需要進行整平基床的兩側(cè)，埋設混凝土小方塊（30 cm×30 cm×10 cm），埋設間距小于整平用輕軌長度。用水準儀測量小方塊頂高（要求整平的基床頂標高減去軌高），測好后將小方塊埋設牢固，放上輕軌，并將輕軌用石塊固定（石塊頂要低于軌高），以防止細平時輕軌移位，再測量輕軌高（即要求整平的標高）是否符合要求，否則重新調(diào)整使其符合要求?；布毱綍r由潛水員在凹坑處立浮標，在水面竹竿間進行補石并用地瓜石找平[3]。補完石后潛水員將整平尺放在輕軌上一端一人反復推移并用碎石找平。基床細平結(jié)束后，即進行極細平，用10～30 mm碎石找平。

2.6 沉箱安裝

鑒于現(xiàn)場設備限制，該沉箱下水安裝采用臨時棧橋結(jié)合75 t履帶起重機（SCC750A-8）及氣囊浮運法。在沉箱基床外緣0.5 m處搭建棧橋平臺，以供沉箱運輸和吊裝。地面完成沉箱基礎（0.45 m）及箱體（2 m）混凝土澆筑，并預埋吊裝件。混凝土強度達到設計強度的85%后，使用起重機將沉箱起吊至水中的馬鐙平臺上。

根據(jù)：沉箱混凝土質(zhì)量=混凝土密度×底座混凝土底面積×厚度+混凝土密度×墻身混凝土截面積×高度，以7 m、4 m、2 m沉箱為例，計算如下：沉箱混凝土質(zhì)量（7 m）=2.45×4.5×3.4×0.45+2.45×3.9×7=83.75 t

沉箱混凝土質(zhì)量（4 m）=2.45×4.5×3.4×0.45+2.45×3.9×4=55.09 t沉箱混凝土質(zhì)量（2 m）=2.45×4.5×3.4×0.45+2.45×3.9×2=35.98 t

根據(jù)浮力公式：F浮=G排=ρ水gV排=ρ水g（V底座+V墻身）（g=9.8 N/kg），以4 m、2 m沉箱為例，計算沉箱自身浮力，如下：

F浮（4 m）=1×103×9.8×（6.9+9.84×4）=453.35 kN

F?。? m）=1×103×9.8×（6.9+9.84×2）=260.48 kN

依次計算得出以下參數(shù)表：

預制沉箱（2 m高，理論重量35.98 t）入水2 m后，于馬鐙平臺上續(xù)筑混凝土至4 m，見圖2。此時沉箱自重增至55.09 t，浮力為260.48 kN。沉箱接長至4 m后移至4 m水深區(qū)，按設計要求繼續(xù)接長至5～7 m，見圖3。7 m沉箱理論重量為83.75噸，浮力453.35 kN（按4 m水深計算）。吊裝時，使用直徑1.2 m的氣囊，有效入水深度3 m，單個氣囊提供33.23 kN浮力，6個氣囊共提供199.38 KN浮力，總浮力達652.73 KN。履帶吊僅需提供17.91 t吊力，配置后配重23.5 t，中央配重4 t，主臂12 m、極限半徑10 m時，最大起重能力為22.8 t，滿足吊裝需求。

在沉箱吊裝至棧橋前沿時，進行以下操作：（1）浮運氣囊安裝。在沉箱7 m墻側(cè)安裝3個浮運氣囊，并與預埋件固定，確保連接緊密。（2）吊裝與浮力調(diào)整。吊裝過程中，沉箱及氣囊逐漸入水，浮力增加。至設計位置后，精調(diào)沉箱至設計軸線重合。（3）沉箱放置。履帶吊緩慢放置沉箱于水下片石基礎，保持鋼絲繩適度緊張。（4）氣囊泄壓。對角兩側(cè)同時泄壓，防止浮力不均導致位移，氣囊提供緩沖保護。（5）穩(wěn)定檢查與拆除。氣囊泄壓后，檢查沉箱穩(wěn)定性。確認穩(wěn)定后，放松吊繩，由工人和潛水員拆除氣囊及吊件，使用副鉤調(diào)離現(xiàn)場。

2.7 沉箱內(nèi)腔填充及上部結(jié)構(gòu)施工

根據(jù)設計圖紙進行測量放線，確定片石填充的高度和位置。在沉箱底部鋪設一層碎石或砂墊層，厚度一般為10～20 cm，以便于排水和增加穩(wěn)定性。從沉箱的一側(cè)開始鋪設片石，逐步向另一側(cè)推進，注意片石的鋪設應均勻，層層相疊。片石填充應分層進行，每層厚度一般為30～50 cm，每層鋪設完成后進行初步找平。每層片石鋪設完成后，使用夯實工具進行夯實，確保片石層的密實度和穩(wěn)定性。完成所有層的片石填充后，進行最后一層的填充和找平，確保表面平整、密實。最上部為250 mm厚的鋼筋混凝土面板封閉，沉箱上方則為400 mm厚的鋼筋混凝土蓋板，寬3.6 m，兩側(cè)為600 mm厚的防撞蓋梁，寬600 mm。

3 工程建設中沉箱施工質(zhì)量控制措施

3.1 疏浚清淤施工質(zhì)量控制措施

長臂挖機駕駛員嚴格遵循施工控制圖開挖寬度，維持挖槽精度，減少廢方。施工交接處，挖機執(zhí)行2 m重疊寬度，避免漏挖。技術人員強化過程檢測，頻繁監(jiān)測開挖深度，防止超挖，確保質(zhì)量。施工員根據(jù)潮位變化實時調(diào)整挖深，接近設計深度時，按設計定深，防止超挖。施工中記錄挖泥情況，特別關注地質(zhì)變化，與設計圖紙對比，不符時及時通知設計方。施工前，辦理挖泥許可證，檢查渣土車密封，并在指定區(qū)域卸泥。

3.2 沉箱預制施工質(zhì)量控制措施

沉箱預制中，模板加工精度嚴格控制，確保表面平整、尺寸準確、強度足夠，且接縫嚴密不漏漿。安裝后，檢查模板線形、垂直度、拼縫及預埋件位置，采取堵漿措施，防止漏漿，確保無貫穿孔洞，避免沉箱滲水?；炷翝仓r采用對稱灌注的方法，斜向分層厚度不大于30 cm?；炷敛捎玫醵啡肽?，插入式振搗棒振搗，插入點布置均勻，振動器移動間距不超過其作用半徑的1.5倍，保持與模板5～10 cm的間距，插入下層5 cm，防止碰撞模板、鋼筋及預埋件。振搗至混凝土表面均勻出漿，無下沉和氣泡為止。

3.3 沉箱底部片石基礎施工質(zhì)量控制措施

試拋作業(yè)確定在水流、風浪和水位的影響下最佳拋石船位和標高，技術負責人指導勤點水、對標，確保導標和水尺精準，避免漏拋或拋高。拋石分粗拋（±300 mm）和細拋（0～300mm），拋填控制高差，細拋在平潮時進行。

基床粗平后，高差不超過30 cm，防止振搗鋼板滑移影響夯實質(zhì)量?；埠粚崟r，采用縱橫向相鄰接壓半夯，每點一錘并分初、復夯各一遍，一遍四夯，兩遍共八夯，每夯次持續(xù)5 s的方法施工?；舱駬v夯實時，履帶吊平移的過程中應對準棧橋邊緣標識，振搗鋼板的落點及鋼板樁長度需按要求控制，當基床補拋塊石頂面積大于1/3構(gòu)件底面積或連續(xù)面積大于30 m2，且厚度普遍大于50 cm時須進行補拋、補夯處理。嚴禁出現(xiàn)漏夯現(xiàn)象。

整平時，潛水員倒退作業(yè)，嚴禁潛水員在整平好的基床上走動，以免破壞已經(jīng)整平好的基床。進行基床整平時，對于塊石間不平整的部分，用二片石填充，對于二片石之間不平整的部分用碎石填充，其碎石厚度不應大于50 mm。

3.4 沉箱安裝施工質(zhì)量控制措施

在沉箱安裝前，執(zhí)行以下精簡但專業(yè)的操作流程：

（1）基床檢查與清淤。使用測繩檢測基床回淤，若超過20 cm則進行吸泥清淤。（2）定位與標記。進行四角定位測量，并在安裝位置做標記。（3）安裝保護措施。安裝過程中，用方木隔離相鄰沉箱，防止碰損，安裝后移除方木。（4）位置控制與誤差減少。分段控制沉箱位置，確保碼頭總長及分段長符合設計要求。（5）沉箱放置與檢查。沉箱到位后，測量偏位和頂標高，檢查底部接觸及相鄰錯牙情況，糾正偏差。（6）吊裝與導向。吊裝前平整頂部區(qū)域，減少顛簸；人工牽繩引導，安裝導向架，勻速緩慢下放沉箱。（7）位置調(diào)整與固定。若沉箱位置偏差或接口不密合，則抽水上浮重新定位。移除吊件和氣囊后，及時注水或回填片石，增加自重防止移位[5]。

4 結(jié)語

該研究針對坦桑尼亞姆萬扎北港項目面臨的復雜地形和資源約束挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性提出了“單棧橋結(jié)合75 t級履帶吊的氣囊浮運的集成吊裝工藝”。經(jīng)工程實踐驗證，該工藝有效保障了項目安全、質(zhì)量與效率，顯著節(jié)約資源并提升經(jīng)濟效益。該技術體系不僅有效破解非洲湖區(qū)復雜地形下的吊裝難題，更通過“馬古富力大橋-北港”運輸動脈的貫通，使區(qū)域物流效率顯著提升，對該國南北經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。研究成果所體現(xiàn)的低資源依賴型施工方案可為其他欠發(fā)達地區(qū)港口施工提供有益借鑒。

參考文獻

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收稿日期：2025-01-14

作者簡介：趙光?。?992—），男，本科，工程師，主要從事工程施工管理與技術領域工作。