重力式碼頭沉箱出運及安裝關鍵施工技術分析

熊 祥 俊

(廈門鑫華港勘察設計有限公司，福建 廈門 361000)

重力式碼頭沉箱出運及安裝關鍵施工技術分析

熊 祥 俊

(廈門鑫華港勘察設計有限公司，福建 廈門 361000)

結合平潭港區金井作業區1號～5號泊位工程沉箱出運、安裝實踐，從氣囊搬運工藝、半潛駁出運、沉箱安裝等方面對沉箱施工的關鍵技術進行了詳細介紹，可為類似工程提供參考。

氣囊搬運工藝，半潛駁出運，沉箱安裝

1 工程概況

平潭港區金井作業區1號～5號泊位工程中的3號～5號泊位沉箱CX1設計有55件，沉箱設計尺寸為：長19.13 m,寬19.80 m(包括前后趾3.0 m)、高18.2 m、單個沉箱重量為2 969 t。沉箱預制場地設在原平潭遠大船廠塢坑上。

2 施工總體部署

沉箱預制場及出運設在原遠大船廠內，在本工程沉箱預制后移至寄存場。安裝前采用氣囊搬運沉箱至出運碼頭前沿并過駁到“三航工3”半潛駁上，拖輪拖半潛駁運輸至安裝現場,在下潛坑位置下潛,安裝時采用200 t起重船結合半潛駁進行安裝。

根據出運碼頭的設計資料，并結合實際的施工經驗，其碼頭整體穩定性、承載力均滿足沉箱預制出運的安全使用要求。

沉箱出運、安裝工藝流程如下：

寄存區沉箱→氣囊載運沉箱→半潛駁停靠在出運碼頭邊并定好位→沉箱移動上半潛駁→半潛駁至施工現場→半潛駁下潛→200 t起重船吊拖沉箱離駁→起重船吊拖沉箱至安裝位置→測量定位安放沉箱。

3 氣囊搬運工藝

使用超高壓氣囊滾動平移運載著沉箱出坑。氣囊搬運指的是把超高壓的圓柱形膠囊鋪墊在沉箱的底面，往膠囊里填充氣體后把沉箱頂起來，把支承枕木取出來，再確定頂升高度(工作高度)為0.4 m，然后算出承載面積，氣囊采購的最短總長度應根據氣囊的允許壓力值來測算，再定出鋪墊氣囊的位置及鋪墊氣囊的數量。氣囊工作高度H和氣囊直徑D這兩個因素共同決定了氣囊承載面寬度B，對氣囊施加壓力使之變形后，氣囊的截面形狀可近似的看成是由長度為B,H的方形及直徑為H的2個半圓組成，采用移動沉箱的超高壓滾動氣囊的直徑D=1.0 m，工作高度H=0.4 m。

3.1氣囊選擇

1)橫向移動沉箱CX1時：

氣囊的長度：L=L0+2×0.866D=19.13+2×0.866×1=20.862 m(L0取19.13 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承載面的寬度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承載面的面積：S=L×B=20.862×0.942=19.65 m2；

每根氣囊的容許承載力：F=P×S=0.3 MPa×19.65=589.56 t；

需要的氣囊數量：N0=G×K/F=2 969×1.3/589.56=6.5≈7根(K的取值為1.3)。由于實際受力的氣囊數量在平移轉換時比在正常狀態時少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面積較大，為了減輕氣囊承受的允許壓力，保證平穩搬運沉箱，防止氣囊之間的距離過大，氣囊的實際使用數量取N=9根。

2)縱向移動沉箱CX1時：

氣囊的長度：L=L0+2×0.866D=19.8+2×0.866×1=21.532 m(L0取19.8 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承載面的寬度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承載面的面積：S=L×B=21.532×0.942=20.28 m2；

每根氣囊的容許承載力：F=P×S=0.3 MPa×20.28=608.5 t；

需要的氣囊數量：N0=G×K/F=2 969×1.3/608.5=6.34≈7根(K的取值為1.3)。由于實際受力的氣囊數量在平移轉換時比在正常狀態時少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面積較大，為了減輕氣囊承受的允許壓力，保證平穩搬運沉箱，防止氣囊之間的距離過大，氣囊的實際使用數量取N=9根。

3.2校核氣囊的承載力

1)橫向移動沉箱CX1時(見表1)：

D=1.0 m，8根氣囊時(轉換狀態)：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/8=482.5 t，氣囊內壓強P=482.5/(0.942×19.13)=0.268 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根氣囊時(正常狀態)：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/9=428.9 t，氣囊內壓強P=428.9/(0.942×19.13)=0.238 MPa<0.30 MPa。

2)縱向移動沉箱CX1時(見表2)：

D=1.0 m，8根氣囊時(轉換狀態)：單根承載力F=2 969×1.3/8=482.5 t，氣囊內壓強P=482.5/(0.942×19.8)=0.259 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根氣囊時(正常狀態)：每根氣囊的承載力F=2 969×1.3/9=428.9 t，氣囊內壓強P=428.9/(0.942×19.8)=0.230 MPa<0.30 MPa。

3.3校核氣囊的間距

表1 橫向移動時采用氣囊指標表

表2 縱向移動時采用氣囊指標表

為了保證沉箱混凝土的強度應使氣囊有合適的間距，還應避免氣囊之間互相壓疊在一起，校核氣囊間距的公式為：3.14×D/2-0.5

3.4牽引系統

3.4.1驗算卷揚機的牽引力(按照荷載大的沉箱CX1進行驗算)

兩側各配備一臺8 t卷揚機合計兩臺，其牽引力為F=8 t×2=16 t≥KFc/Nc×cosb=1.2×118.76/13×cos0°=10.96 t，安全系數K取1.2;Nc為鋼絲繩道數,取13道;b為牽引用的鋼絲繩與坡道之間的角度,取0°，所以牽引力滿足要求。

3.4.2鋼絲繩安全系數的驗算

鋼絲繩采用貴州鋼絲繩廠家生產的φ24 mm纖維芯鋼絲繩(6×37S+1WR)，鋼絲繩的公稱抗拉強度為1 960 MPa，鋼絲繩的最小破斷力為37.3 t。平地牽拉沉箱時所需的牽引力為Fc=G×u=2 969×0.05=148.5 t，則鋼絲繩在牽拉沉箱過程中的安全系數為：K=37.3 t/(Fc/Nc/2)=37.3/(148.5/13/2)=6.53，所以，φ24 mm纖維芯鋼絲繩(6×37S+1WR)在牽引沉箱過程的安全系數大于規范所規定的K0=5，滿足使用要求。

3.5搬運程序

把氣囊鋪墊在沉箱底部，氣囊之間應整齊排列，相互平行，把牽引系統和供氣管道連接好；開動空壓機向各個氣囊同步供氣，當充氣壓力上升到預定頂升壓力的80%時，暫停供氣。查看所有的氣囊壓力是否相同，不相同時可向單個氣囊充氣，使壓力基本相同后再繼續充氣，直到沉箱脫離支承枕木。關閉氣囊的進閥，暫停供氣，移開支承枕木。把聯接膠管全部拆除，把所有氣囊的排氣閥打開，緩慢放氣。當氣囊的高度下降到出運高度時，關閉排氣閥，檢查各氣囊的壓力是否基本相同，如沒有基本相同則調整氣囊壓力至基本相同。開動卷揚機，牽引沉箱緩慢向前移動。當沉箱移動的方向上空出一個氣囊的間距時，暫停牽引，放入氣囊，向氣囊充氣直至達到預定壓力后再重新牽引。當沉箱末端的氣囊快要離開沉箱時，打開該氣囊的排氣閥放氣，并拿到沉箱前面的擺放位置備用。重復以上步驟，直到將沉箱移到目的地；當移動沉箱到達目的地后，停止牽引。把支承枕木鋪墊在沉箱底部，再把所有氣囊的排氣閥打開排氣，把沉箱平穩地安放在支承枕木上；把氣囊取出，進行下個沉箱的出運。

4 半潛駁出運

4.1半潛駁的技術參數

本工程施工采用的半潛駁為“三航工3號”。其參數為：船長50.4 m、船寬31.2 m、型深4.5 m，載重量3 000 t，空船吃水1.5 m，最大潛深21 m。在允許載重量范圍下，每500 t載重量吃水為0.31 m。船首部設有一靠岸搭板，其尺寸為長1.2 m、寬22.6 m、高1.2 m。

4.2沉箱上半潛駁

沉箱上半潛駁牽引系統是由設置于岸上的地垅、卷揚機、滑輪組和半潛駁上的導輪固定架及其相連接的鋼絲繩組成。在漲潮時安排沉箱上半潛駁，當潮位漲至+4.0 m～4.5 m時，半潛駁搭靠出運碼頭。半潛駁每次裝載一件沉箱，沉箱上船后移動至半潛駁的中部，把專用鋼墊枕作為沉箱的支墊，并做好臨時加固工作。當在高平潮未退潮之前，沉箱必須完全上駁并且半潛駁退出出運碼頭，見圖1。

當半潛駁就位結束后，往半潛駁內艙抽水，使半潛駁吃水增加20 cm作為壓艙用水。然后將半潛駁調整水平，絞緊船頭左右纜繩，使駁船垂直靠緊岸壁。在半潛駁與碼頭平臺搭接處鋪上鋼板，啟動牽引系統，開始移動沉箱上駁。

由于沉箱從岸端牽引上駁時，船體會繞支座逐漸下沉，船尾吃水增加，搭板則繞支座轉動上翹。在上沉箱過程中及時調節船尾部的壓載水，讓船尾部稍許上浮，以確保整個船體水平。

沉箱上駁并移至指定位置后，在沉箱底部均勻墊放支承枕木以減少沉箱對甲板的應力集中。本工程使用的墊木尺寸為20 cm×15 cm×120 cm，間距1.5 m，為了能方便抽出氣囊，鋪墊兩層枕木。

4.3半潛駁離開碼頭

在半潛駁上把沉箱支承牢固并把氣囊取出后，半潛駁利用艙內排水上浮及潮水上漲使其脫離碼頭承臺支座，半潛駁在后錨的作用下鉸移離開碼頭。

4.4參數確定

4.4.1壓載平衡水

本工程沉箱前后趾對稱，在倉內壓載平衡水的過程中，隨時觀測倉內水面高度，確保各倉內水面高度一致，吃水平衡。

4.4.2臨界吃水深度

CX1沉箱總重G=2 969 t，為了確保沉箱在下沉及吊離半潛駁過程的安全，起重船要持力100 t左右，設H為沉箱臨界吃水深度,則：100+16.8×19.13×1.025×H+(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×1.025×2=2 969，得出H=8.56 m(CX1沉箱的前后趾寬3.0 m，CX1沉箱扣除前后趾的寬度為16.8 m，CX1沉箱前后趾的合計體積為(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×2)。

4.4.3半潛駁下潛深度

半潛駁型深4.5 m，半潛駁下潛到CX1沉箱吃水8.56 m時停止下潛，半潛駁底離海底面有1.0 m富裕水深。因此，半潛駁下潛深度為安裝CX1沉箱時H1=4.5+8.56=13.06 m，安裝CX1沉箱時半潛駁下潛水域深H2=H1+1.0=14.06 m，沉箱現場安裝施工水位定為+2.8 m，因此安裝CX1沉箱時下潛水域底標高H3=2.8-14.06=-11.26 m。經現場安排下潛坑選在基槽開挖的邊坡范圍內(碼頭前沿80 m寬度范圍)。因本工程沉箱現場安裝施工水位定為+2.8 m，碼頭停泊水域底標高為-15.4 m，滿足半潛駁下潛的水深要求。

4.4.4半潛駁駐位

由于在漲潮時移動沉箱上船，運移沉箱至下潛坑時已是在落潮時間段，在安裝現場依據漲落潮流趨勢，半潛駁垂直前沿線駐位，船艉朝海側，船頭對著岸側，船艏位于下潛坑的中心，在駁船4個主錨下潛時調整定位半潛駁。

5 沉箱安裝

在半潛駁就位并壓載下沉時，應保證待安裝沉箱有最低壓載量，以防止沉箱上浮，使沉箱處于穩定狀態。沉箱自重2 969 t，沉箱的外形尺寸為長19.13 m，寬19.8 m，高18.2 m。經計算，當沉箱自重與浮力平衡時，沉箱下沉的上浮臨界吃水深約8.56 m。即當沉箱下沉吃水至8.56 m前，必須注水壓載，沉箱的倉內須加水(各倉一樣高)，以使沉箱處于穩定狀態。安裝沉箱前應詳細計算沉箱的每個隔倉的加水量、加水速率和沉箱在半潛駁上及在吊運、安裝過程中的穩定性。半潛駁駐位后，200 t起重船移船靠近沉箱就位，開始向半潛駁的壓載水艙灌水，使半潛駁均勻下潛，向沉箱內注入符合要求的壓載水，當沉箱吃水達到6.7 m左右時給起重船掛鉤，繼續使半潛駁下潛，沉箱內注水，當沉箱吃水達到8.6 m時，加大起重船的吊力，此時沉箱脫離半潛駁甲板面，緩慢平移離開半潛駁，吊移至預定安裝位置安放。

5.1200 t起重船就位

沉箱運移至現場后，200 t起重船根據預先安放的安裝位置浮筒標志進行拋錨定位，當低潮時的水位小于+2.8 m時開始安裝沉箱。調整起重船的船頭朝東側，船身大致與前沿線垂直，在岸上測量平臺上布設兩臺測量儀器，采用正面交匯法控制沉箱安裝的平面位置。

5.2沉箱下沉就位

由于本工程沉箱頂面設計標高為+2.8，設計低水位為+0.54 m，因此本工程沉箱安裝著床就位后，沉箱頂部可以露出水面。安裝沉箱順序為第一批安裝2號泊位CX2沉箱2件，第二批安裝3號泊位與2號泊位拐角處的CX1沉箱2件及2號泊位剩余的CX2沉箱，第三批安裝3號泊位剩余CX1沉箱，第四批安裝1號泊位CX2沉箱，第五批安裝4號、5號泊位CX1沉箱，沉箱定位好后，通過沉箱的灌水閥門開關控制向箱內注水，同時備用2臺潛水泵，以防應急使用。通過注水量把沉箱的坡度調成與基床一致。通過向沉箱隔倉內注水使沉箱逐漸下沉，沉箱下沉過程中，控制起重船的吊力穩定在100 t左右。當沉箱下沉至距基床頂面約30 cm時停止注水，檢查沉箱的平面位置是否符合要求，檢查沉箱底面坡度與基床頂面坡度是否一致。經檢查符合要求后，緩慢放下起重船大鉤使沉箱著床，并往沉箱內各隔倉注滿水。安裝好沉箱后，在每個沉箱頂面的四個角設置沉降、位移觀測點，定期進行沉降、位移觀測。安裝沉箱后為了避免受臺風影響及確保沉箱穩定，應及時向沉箱內各隔倉回填。

[1] JTS 257—2008,水運工程質量檢驗標準[S]．

[2] 張茂華．某碼頭沉箱拖運與安裝施工控制[J]．中國水運(下半月)，2016(7):247-250,297．

[3] 李桂發．沉箱出運與安裝關鍵技術[J]．江西建材，2016(14):85,88．

Analysisoncriticalconstructiontechnologiesofthegravity-stylewharfcaissontransitandinstallation

XiongXiangjun

(XiamenXinghuaHarborSurvey&DesignCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

Combining with caisson transit and installation practice of 1#～5# parking engineering of Jinjing working area in Pingtan harbor region, starting from aspects of gasbag transit technique, semi-submerged barge and caisson installation, the thesis introduces critical caisson construction technologies in detail, which can provide some guidance for similar engineering.

gasbag transit technique, semi-submerged barge, caisson installation

1009-6825(2017)32-0084-04

2017-09-05

熊祥俊(1981- )，男，工程師

U656

A