封倉法打撈傾斜沒頂沉箱

景春榮 關(guān)明鳴

摘 要：本文主要以東莞市虎門港沙田港區(qū)三期工程沉箱側(cè)滑沒頂?shù)拇驌茷榘咐＝榻B鋼蓋板封倉法打撈沉箱的鋼蓋板設(shè)計(jì)、臨界水位計(jì)算、打撈過程控制要點(diǎn)。通過打撈案例證明，鋼蓋板封倉打撈沉箱工藝成本較低、實(shí)施可行性強(qiáng)，具有較好實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：臨界水位計(jì)算 鋼蓋板設(shè)計(jì) 打撈方法

1.引言

沉箱重力式碼頭在沉箱儲存、浮運(yùn)、安裝等施工過程中，因各種原因?qū)е鲁料錄]頂?shù)氖鹿蕰r有發(fā)生。沉箱發(fā)生沒頂后，急需一種成本低、可行性強(qiáng)的打撈方案。本文通過沉箱打撈的工程實(shí)例，為大家介紹了鋼蓋板封倉打撈沉箱的施工工藝及過程中的設(shè)計(jì)、計(jì)算、注意事項(xiàng)等，供相關(guān)工程技術(shù)人員參考、借鑒。

2.工程概況

本工程位于東莞市虎門港沙田港區(qū)西大坦作業(yè)區(qū)北端，下游緊鄰已投產(chǎn)的西大坦作業(yè)區(qū)7#、8#泊位，上游緊鄰正在施工的客運(yùn)碼頭。建設(shè)規(guī)模為2個5萬噸級集裝箱泊位，碼頭岸線長度648m，重力式沉箱結(jié)構(gòu)。沉箱主要尺寸寬×長×高為：14.2（含前趾1.0m）×24.8×17.1m，單件重2454t。共需安裝沉箱21個。

發(fā)生傾斜沉箱為標(biāo)準(zhǔn)型CX1型號（本工程安裝編號為16#），臨時寄存區(qū)泥面標(biāo)高為-14.8m（拋填0.8m袋裝砂），由于業(yè)主原因停工時間長達(dá)一年，停工期間施工水域偷采砂事件時有發(fā)生，造成16#沉箱臨時存儲地海側(cè)地勢發(fā)生塌陷，沉箱在自重和涌浪影響下發(fā)生傾斜沒頂，導(dǎo)致在潮水最低潮位時，沉箱靠海側(cè)10個倉格仍沒入水中，無法按正常施工方法直接抽水上浮，且已回淤約4m沉淀物“包裹”沉箱。經(jīng)潛水和測量人員調(diào)查，沉箱傾斜沒頂情況如圖2。

3 .沉箱打撈方案比選

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和其它工程類似沉箱打撈工藝，初步制定以下幾種方案進(jìn)行比選（見表1）。

經(jīng)過方案比選，確定采用鋼蓋板封倉法進(jìn)行沉箱打撈。

4.鋼蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1鋼蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1.1最不利荷載設(shè)計(jì)

沉箱最低點(diǎn)標(biāo)高為-0.5m，本工程安裝沉箱施工一般選擇在潮位2.5m以下進(jìn)行施工，沉箱起浮應(yīng)選擇高平潮抽水開始，低平潮沉箱起浮，故鋼蓋板設(shè)計(jì)考慮最不利承受水深為3m，即蓋板水壓為30KN/m，蓋板設(shè)計(jì)自重為約0.5 KN/m，故鋼蓋板承受最不利荷載為30.5 KN/m。

4.1.2鋼蓋板結(jié)構(gòu)

根據(jù)鋼蓋板以上承受最不利荷載，制定以下結(jié)構(gòu)尺寸：

（1）單個倉格鋼蓋板平面尺寸為4460*3960mm;

（2）面板：δ=5 mm厚鋼板;

（3）主梁：雙拼[12a槽鋼，最大間距940mm;

（4）次梁：雙拼[12a槽鋼，最大間距1230mm;

（5）吊梁：雙拼[14a槽鋼;

（6）鋼煙筒：φ700mm，δ=3mm鋼管。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.2.1材料參數(shù)

型鋼（Q235）：抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fm=215MPa，抗剪fv=125MPa，彈模E=210GPa。

雙拼[14a：截面系數(shù)W=161*103 mm3，慣性矩I=1126*104mm4

雙拼[12a：截面系數(shù)W=124.2*103 mm3，慣性矩I=782*104mm4

4.2.2計(jì)算過程

按照鋼蓋板承受最不利荷載30.5 KN/m進(jìn)行計(jì)算，采用Madis軟件建模進(jìn)行計(jì)算可得：

最大組合應(yīng)力95.3MPa< [σ]=215MPa，滿足抗彎要求。

最大撓度為底主梁雙拼[12槽鋼x=7.1mm（跨中），根據(jù)《建筑施工計(jì)算手冊》的規(guī)定，容許撓度為L/500（L的取值為跨長度3600mm）=7.2mm，滿足要求。

5.打撈施工方法

5.1鋼蓋板制作及安裝

5.1.1.鋼蓋板制作

鋼蓋板制作場地利用本工程旁邊的客運(yùn)碼頭碼頭面作為加工場，加工資源配置主要包括：焊工5名、200KW發(fā)電機(jī)1臺、50t船吊1臺等。

鋼蓋板的焊接質(zhì)量至關(guān)重要，必須嚴(yán)格按照焊接規(guī)范要求進(jìn)行焊接作業(yè)，保證鋼蓋板不發(fā)生過大的變形從而發(fā)生滲漏。鋼煙筒細(xì)而高，受風(fēng)浪作用影響較大，因此除煙筒底部與蓋板之間焊接確保質(zhì)量外，另外必須用角鋼在兩者之間焊多道支撐桿件，以保持鋼煙筒的穩(wěn)定。

5.1.2鋼蓋板吊裝及塞縫

5.1.2.1鋼蓋板安裝

鋼蓋板安裝采用50t吊船配合潛水員進(jìn)行安裝，從岸向海側(cè)依次安裝，安裝過程特別注意海側(cè)預(yù)留胸墻錨固鋼筋位置，提前切割、彎曲，確保封板順利安裝。

5.1.2.2封板初步固定、封堵

封板安裝完成，潛水利用加工好的實(shí)木三角條、土工布、棉被等材料進(jìn)行初步封堵，考慮封板部分處于浪濺區(qū)，封堵前采用較大木尖進(jìn)行定位的固定方式。

5.1.2.3封板細(xì)部封堵

封板初步封堵完畢，開始吊水泵入倉格內(nèi)，水泵長度設(shè)置為距離底板4m位置（根據(jù)以下沉箱浮游穩(wěn)定驗(yàn)算而來），水泵吊裝完畢試抽水，抽水過程利用土工布、棉被進(jìn)行細(xì)部堵縫，直至倉格內(nèi)水面脫離封板底面，且抽水效率較為適中完成。

5.2沉箱周邊清淤

沉箱周邊淤泥深度約3.5～5.6m左右，抽淤設(shè)備選用清淤船，在沉箱起浮前先進(jìn)行清淤，清淤位置選擇岸側(cè)上游角點(diǎn)（沉箱頂面最高點(diǎn)）開始，清除掉岸側(cè)一半淤泥，為防止沉箱進(jìn)一步傾覆，沉箱較低側(cè)（海測）淤泥不能清除。

5.3沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算

沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)根據(jù)定傾高度計(jì)算式：

公式中：—定傾高度（m）;—定傾半徑（m）;—沉箱重心到浮心的距離（m）;—矩形斷面沉箱在水面處的斷面對縱向中心軸的慣性矩（m4）;L—沉箱長度（m）;B-沉箱在水面處的寬度（m）;—各箱格內(nèi)壓載水的水面對該水面縱向中心軸的慣性矩之和（m4）;—縱向墻之間的凈距離（m）;—橫向墻之間的凈距離（m）;V—沉箱的水排水體積（m3）;

通過計(jì)算，CX1沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)如表1所示。

5.4 沉箱臨界水位計(jì)算

5.4.1 附著力計(jì)算：

吸附力計(jì)算公式（高占鋒 《坐底結(jié)構(gòu)物吸附力計(jì)算模型和方法研究》論文中推導(dǎo)公式）

式中：Fi-結(jié)構(gòu)體的理論吸附力;S-底質(zhì)的抗剪強(qiáng)度;A-結(jié)構(gòu)體與底質(zhì)的水平投影接觸面積;D-結(jié)構(gòu)體在底質(zhì)中的浸深;B-結(jié)構(gòu)體的寬度;L-結(jié)構(gòu)體的長度;S實(shí)-結(jié)構(gòu)體浸在淤泥中的接觸面積;S投-結(jié)構(gòu)體浸在淤泥中五向投影面積

代入本工程數(shù)據(jù)：S=5.0kpa;A=347.8m2;D=2.8m（平均浸深）;B=14.2m;L=24.8m;s實(shí)=602.2m2;s投=594.8m2。

計(jì)算可得：Fi=11728.5kN

5.4.2 臨界水位計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算可得沉箱自重G= 24049.2kN;F浮=54300kN（計(jì)算浮力時取最低潮時+1.0m時計(jì)算）。

臨界水位可由下式計(jì)算：

式中：S為沉箱內(nèi)空箱截面積，g為重力加速度。

計(jì)算可得：h=6.85m。

5.4.2 浮起后沖高高度估算：

浮起高度可由下式估算：

式中：S為沉箱截面積，g為重力加速度。

經(jīng)計(jì)算可得h2=3.66m，預(yù)計(jì)起浮達(dá)到臨界點(diǎn)時沉箱會沖高約7m。

為控制在最低潮時沉箱起浮，根據(jù)臨界水位和泵的抽水速度，開始抽水時間為最低潮之前5小時。

5.5 沉箱起浮

（1）利用50t起重船將24臺抽水泵經(jīng)過鋼煙筒放入沉箱各倉格內(nèi)。同時利用浮運(yùn)沉箱所用的鋼絲繩綁扎沉箱，用以控制沉箱浮起時的平衡。牽引繩要預(yù)留一定的長度，以防沉箱突然起浮沖高時拉斷繩索，發(fā)生傾倒。

（2）開啟水泵試抽水，將泵調(diào)整到正常狀態(tài)，并測算出每分鐘水位下降值等參數(shù)，同時潛水員下水檢查密封情況，對滲漏處及時處理。經(jīng)開泵抽水后，潛水員下水檢查，鋼蓋板已緊緊壓在沉箱上，與沉箱口部接合嚴(yán)密。

（3）正式抽水起浮前，須確定水位下降速率，起浮臨界水位，壓倉水最低水位等施工參數(shù)。按照以上計(jì)算，起浮臨界水位為6.85m。

（4）準(zhǔn)備工作完成后，根據(jù)臨界水位計(jì)算的抽水開始時間，即可以開始正式抽水。每臺泵由獨(dú)立開關(guān)對應(yīng)控制。同時在抽水前在每個煙筒內(nèi)放置1條測繩，測繩的下端系著浮標(biāo)，浮標(biāo)隨箱內(nèi)水位升降，測量人員測讀繩上刻度，便知抽水的深度。通過控制水泵將各倉室水位調(diào)整平衡。當(dāng)水位達(dá)到起浮臨界水位時，應(yīng)停泵觀測，如10分鐘后沉箱仍未浮動，可對角開啟水泵，降慢抽水速度，抽水30cm停泵觀測10分鐘，如此重復(fù)直至沉箱浮起。沉箱浮起并穩(wěn)定后繼續(xù)抽水至浮游穩(wěn)定所需水位。

6.體會

（1）鋼蓋板焊接質(zhì)量非常關(guān)健，必須經(jīng)過嚴(yán)格檢查。

（2）沉箱前壁倉頂有外伸鋼筋，鋼蓋板吊梁與沉箱頂面混凝土之間較難支墊平整，導(dǎo)致蓋板各個吊梁不均勻受力，受力最大的吊梁折斷后，其余吊梁會相繼折斷。且吊梁折斷形式一般為受扭彎曲后折斷。對此，采用辦法將蓋板每側(cè)的4條吊梁用[14槽鋼連接成一個整體，增加吊梁的整體受力。

（3）抽水至起浮臨界水位前，起重船舶要離開沉箱15m之外。水泵電纜要放松入水至少10m。潛水員不得待在沉箱頂，防止沉箱沖高，發(fā)生安全事故。

（4）抽水嚴(yán)格按照鋼蓋板承受最不利荷載設(shè)置的邊界條件進(jìn)行，本工程抽水條件是潮位為不高于2.5m，且在最低潮前5小時開始抽水作業(yè)，可根據(jù)潮水選擇高潮水位在一個月內(nèi)較低時進(jìn)行沉箱的打撈工作。

（5）由以上沉箱沖高計(jì)算可知，沉箱沖高高度跟吸附力大小成正比，要確保沉箱起浮安全，不產(chǎn)生很大沖高，需要在起浮之前盡量清除周圍淤泥，降低吸附力。

（6）因?yàn)槌料溥_(dá)到臨界水位時會沖高，此時最易發(fā)生安全事故，因此需要計(jì)算抽水達(dá)到臨界水位時間，控制沉箱浮起時為最低潮位，沉箱大部分露出，方便沉箱沖高時觀察沉箱周邊情況。

7.結(jié)語

沉箱重力式碼頭在沉箱儲存、浮運(yùn)、安裝等施工過程中，因各種原因?qū)е鲁料錄]頂?shù)氖鹿蕰r有發(fā)生。通過本工程的實(shí)踐證明鋼蓋板封倉打撈沉箱是一種行之有效的打撈方法，此工藝具有安全可靠、操作簡單、成本較低等特點(diǎn)，可在類似工程中不斷摸索優(yōu)化、推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]石毅.《利用水壓密封艙頂法打撈沉箱》.港口工程，1992年第3期.

[2]高占鋒.坐底結(jié)構(gòu)物吸附力計(jì)算模型和方法研究.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.