箱筒型基礎結構氣囊出運方法

孫壯，別社安，李偉，倪敏，張延輝

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300072；2.中國港灣工程有限責任公司，北京 100027；3.天津港（集團）有限公司，天津 300461）

0 引言

箱筒型基礎結構適用于軟土地基[1]，可用于建造防波堤、碼頭等結構。與傳統的工程結構相比，在施工方面，省去了基槽挖泥、基床拋石、基床夯實和基床整平等一系列施工工序，簡化了基礎施工，現場作業時間短，風險小，工程建設成本低，是一種值得推廣的新型結構。針對箱筒型基礎結構，目前已有的出運工藝[2-3]需要在陸地上對箱筒結構分體預制，在半潛駁上拼裝，然后出運。這種方法由于占用半潛駁時間過長，費用高，效率低。

本文提出一種箱筒結構整體出運方案，在陸地對箱筒結構進行整體預制，使用氣囊頂升、橫移、縱移至半潛駁，然后運輸至現場下水安裝。

1 結構形式及預制場平面布置

1.1 箱筒型基礎結構

箱筒型基礎結構由4個圓筒呈矩陣形排列，每個圓筒設有頂蓋板，相鄰圓筒間用豎向連接墻和水平頂板將4個圓筒連結成整體。上部擋浪結構可采用多種形式，如直立墻、直立圓筒或半圓筒、橫臥半圓筒等。上下兩部分結構連接成整體。結構在水上采用氣浮拖運、氣浮定位、抽負壓下沉安裝。

在已建的工程中，箱筒型基礎結構（圖1）具有下述尺度。

圖1 箱筒型基礎結構Fig.1 Bucket foundation structure

基礎結構：由4個相同的圓筒組成，單筒外徑11.8m，筒高9m；圓筒連接處間距3.4m，頂板厚0.5m。結構總長和總寬均為27.0m。

上部圓筒：由2個單筒組成，外徑12.1m，高7m，連接墻厚0.6m。

圈梁：上部圓筒與基礎結構的頂板間有連接圈梁，其外徑13.5m，高1.2m。

單個箱筒結構的總重量約2852 t。

1.2 運輸底板

由于箱筒結構底部為空心結構，利用氣囊出運時，為保證氣囊與結構底部完全接觸，使氣囊受力均勻，需要在箱筒結構底部預先放置一個底板，運輸時，箱筒結構坐落在運輸底板上，由氣囊頂升運輸底板，然后滾動運輸。

為確保運輸穩定、箱筒結構不受破壞，采用抹角正方形混凝土運輸底板，如圖2、圖3所示。運輸底板的尺寸為：30m×30m×0.5m，總重量為1078 t，采用滾動氣囊協助運輸。

圖2 縱移方案預制場平面布置Fig.2 layout of precast yard by longitudinal movement scheme

圖3 橫斷面圖Fig.3 Cross section draw ing

1.3 預制場平面布置

根據碼頭岸線的長度，預制場的平面布置可分為兩種類型。第一種為橫縱移方案，半潛駁定點靠岸泊位，箱筒型基礎結構需先橫移、后縱移，然后出運。第二種為縱移方案，兩艘半潛駁同時或一艘半潛駁分時靠岸泊位，箱筒型基礎結構預制完成后，直接縱移出運，如圖2所示。兩種方案均需修建頂升臺，其橫斷面如圖3所示。

2 出運工藝

2.1 工藝流程

橫縱移方案的氣囊出運施工工藝流程見圖4。

圖4 出運工藝流程Fig.4 Transportation technological process

縱移方案出運工藝比橫縱移方案少橫移及橫縱移轉換兩步，其他均相同。

2.2 關鍵工藝

2.2.1 箱筒結構預制期間底板支撐

箱筒結構預制期間，由于運輸底板在頂升臺位置懸空，為防止底板破壞，在底部加入14個氣囊，氣壓100 kPa，作為支撐，如圖5所示。箱筒結構預制完成后，加入前后方4個氣囊，所有氣囊同步充氣頂升。采用水下氣囊的處理方法，氣囊兩頭安有360°旋轉快接頭，在快接頭上連接高壓氣管，以便進行充氣和氣壓監測。

圖5 箱筒結構預制期間底板支撐Fig.5 The floor support during the prefabrication of bucket structure

2.2.2 滾動運輸

滾動運輸時，需16個氣囊，但實際操作時，需要不斷在前方放入新氣囊，在后方撤出氣囊，實際作業氣囊保證在16～18個之間，此過程中，最危險的工況為只有16個氣囊的情況。

2.2.3 橫縱移轉換

為防止運輸底板破壞，橫縱移轉換必須分步進行，各步驟對應的情況如圖6所示。

圖6 橫縱移轉換步驟Fig.6 Transformation steps from transverse movement into longitudinal movement

第1步：插入3個縱移氣囊，充氣；并在運輸底板四角加入墊板，以保證轉換過程中結構穩定；

第2步：先對左上角橫移氣囊中的4個進行放氣，然后取出；第3步：放入左上角縱移氣囊，進行充氣；第4步：按前兩步方法，將右上角的橫移氣囊放氣取出，放入縱移氣囊，充氣；

第5步：按前幾步方法，依次將下方的橫移氣囊取出，安放縱移氣囊；

第6步：將中間兩個氣囊放氣取出，橫縱移轉換完成，準備進行縱移。

2.2.4 登船過程

由于是非坐底式半潛駁，因波浪作用、壓倉水調節不及時等原因，半潛駁甲板與碼頭前沿不可避免會出現一定高差，可以通過調整半潛駁的壓倉水，將半潛駁甲板與碼頭前沿的高差控制在一定范圍內。

因氣囊為柔性結構，當壓力分布不均勻時，可以自行調節，以確保運輸底板受力均勻。但當半潛駁上下浮動時，氣囊會出現瞬間壓力變大或變小的情況，因此需要對氣囊出現瞬間壓力變大的情況進行驗算。

本文按瞬間出現最大20 cm的高差，對氣囊及運輸底板的強度進行驗算。

3 設計驗算

3.1 底板強度驗算

箱筒結構完全坐落在運輸底板上，因此，不需要對箱筒結構的強度進行驗算。

采用Abaqus有限元軟件對整個出運過程的危險工況進行模擬，以確定在預制、頂升、運輸、橫縱移轉換的每一步過程中運輸底板的受力，確定底板厚度，結構的穩定性，并根據受力情況進行配筋。各工況驗算結果如表1所示。

表1 運輸底板強度驗算結果Table 1 Test results of the strength of transportation floor

計算結果顯示，箱筒結構與運輸底板接觸位置，應力集中，具體施工時，可在接觸位置加墊鋼板，以分散應力，在運輸底板應力集中位置配鋼筋網。經驗算，底板厚度取500mm可滿足要求。

3.2 地基強度驗算

各工況下，地基應力最大值為263 kPa，需根據實際預制場所在地的地質情況，對地基進行適當處理，以滿足施工要求。

3.3 氣囊驗算

滾動運輸時，箱筒型基礎結構和運輸底板的設計總運輸重量為4500 t。

頂升臺高200mm，為放入橫移氣囊留出空間，頂升后保證運輸底板離地面200mm，氣囊工作高度為400mm。

如圖7所示，氣囊受壓時，橫截面可以視為1個矩形與2個半圓形的組合，半圓的直徑為氣囊的工作高度[4]。所選取的氣囊及參數如表2和表3所示。

圖7 氣囊及其工作狀態Fig.7 Gasbag and its operating mode

表2 氣囊選取Table 2 Gasbag selection

表3 氣囊參數Table3 Gasbag parameters

為防止滾動氣囊壓疊在一起，一般要求氣囊間距不小于氣囊直徑。本方案中，滾動氣囊間距1.8m，滿足要求。

3.4 牽引力驗算

參考箱涵結構出運的阻力系數[5]，箱筒結構的運輸過程中，其阻力系數u取0.03，牽引力為1323 kN。

啟動時，可通過減小前方氣囊氣壓，使箱筒結構前傾，達到啟動目的。制動時與之相反。

4 結語

箱筒型基礎結構整體預制的氣囊出運方法是可行的，且具有結構整體預制質量好、效率高、工程建設速度快的優點。但該出運方法也有不利之處，預制場地需要的地基承載力較大、需要建造較多數量的運輸底板。

[1] 李偉.箱型吸力基礎防波堤結構探討[J].港工技術，2001（S1）：75-77.LI Wei.Discussion on structure of breakwater on box-type suction foundation[J].Port Engineering Technology，2001（S1):75-77.

[2] 矯捷.鋼筋混凝土箱筒型防波堤施工方法[J].中國港灣建設，2008（3）：55-58.JIAO Jie.Construction of a breakwater of reinforced concrete cylindrical caisson structure[J].China Harbour Engineering，2008（3）:55-58.

[3] 王冬生，宮云增.500 t半圓體與箱筒預制場的改擴建[J].中國港灣建設，2007（1）：54-59.WANG Dong-sheng，GONG Yun-zeng.Extension and Reconstruction of precasting yard for 500 t semi-circular cylinders and caisson cylinders[J].China Harbour Engineering，2007（1）：54-59.

[4] 周旭飛.圓柱形氣囊的壓縮計算[J].山東工業大學學報，1985（2）：31-43.ZHOU Xu-fei.Compression calculation cylindrical gasbag[J].Journal of Shandong University of Technology，1985（2）:31-43.

[5] 宋建東.大型預制構件出運及水上安裝施工技術[D].成都：西南交通大學，2005.SONG Jian-dong.Construction technique of the large-scale component convey and installation on the water[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.