港口工程氣壓沉箱的氣囊運移與封底裝配技術探究

胡冬冬 周爾蕾 江西省路港工程有限公司

氣壓沉箱工藝是在沉箱底部設置一個氣密性較高的鋼砼結構作業室，借助自動氣壓調整裝置，向作業室內注入空氣，避免地下水滲入作業室，這樣操作人員就可在作業室內的無水環境中開展挖掘。在自身重量、上部載荷及受控水重力的影響下，箱體沉至指定深度，最終在作業室底部填充混凝土。本研究基于工程案例，詳細闡述氣壓沉箱工藝的氣囊運移與封底技術，為同類港口氣壓沉箱工程應用提供研究和技術參考。

1.案例工程

案例工程位處江南某船塢建造基地內的造船區，7#碼頭呈東西向分布，8#碼頭呈南北向分布，兩者垂直相連，全長1457m。

7#碼頭長774m，碼頭面標準高度5.8m；西段長108m，底標準高度-7.0m；中段長270m，底標準高度-9.0m；東段長396m，底標準高度-11.0m。8#碼頭長683m，碼頭面標準高度5.8m；南段長322m，底標準高度是-9.0m；北段長361m?底標準高度是-11.0m。

兩碼頭均采用鋼筋砼重力沉箱結構，下部是沉箱，上部是門座型起重機軌道梁和公共廊道，在墻頂設置了公用接頭箱、電動絞盤、系船柱等，墻側設置橡膠護舷設施等。在碼頭寬度區域內，路面鋪置連鎖塊。船塢后面設置了電纜管溝以及艙口蓋修理場，同時還設置了電動絞盤及暴風系船柱。

2.氣囊運移技術

2.1 氣囊運移原理

氣囊運移沉箱原理是在需要運移沉箱時，放置圓筒型高壓氣囊若干個，氣囊高壓充氣后，沉箱被墊起，之后可以借助牽引系統完成沉箱水平運動。水工高壓氣囊運移技術，解決了過去碼頭水工維修所面臨的移運困難，相較于其他運移技術更省力、省時、靈活、安全、投資少、經濟效益好。

2.2 氣囊運移大型沉箱工藝

（1）預制場配置：依照現場預制場地以及施工進度，沉箱一定要分6批預制裝配實現（半潛駁分兩次入場裝配），前2次每次運移10個沉箱，剩余4次每次運移8個沉箱，借助氣囊縱移或者橫移將沉箱移送至臨時運輸碼頭。沉箱預制場長、寬、深分別為148m、30m、14.1m。干船塢兩側配置80t的走行塔吊3座、150m3/h混凝土攪拌站、辦公場所、模板存儲場及鋼筋加工區等。

（2）預制沉箱底胎模：在預制沉箱底胎模中，需要考慮到氣囊是否可以置放于沉箱底部，是否利于沉箱完成水平移位。所以，將沉箱預制底胎模設計成為活動結構，方便放置氣囊。

（3）氣囊高度：氣囊高度過低或者過高，都不利于運移沉箱。氣囊作業高度太高，沉箱在運移時的穩定性將降低，并且囊體壓力大對工作安全不利。氣囊高度過低，囊體容易受到損壞，應用壽命亦受到影響，同時移送沉箱時需要更大的牽拉力。從安全及經濟方面考慮，選取H=400mm的氣囊工作高度。

（4）氣囊長度：氣囊的長度決定于氣囊的載承面長度及氣囊的公稱徑值。其載承面的長度同沉箱底板大小有關。氣囊囊頭伸到沉箱外面部分不宜太長，伸出長度稍高出氣囊徑值即可。氣囊長度計算公式L=L0+2×0.866D，公式中：L0系為氣囊載承面長度（m）；L系為氣囊全長（m）；D系為氣囊公稱徑值（m）。

（5）沉箱運移所需氣囊數量：依據運移沉箱重量，結合安全常數及氣囊功效，計算出運移單個沉箱需要的氣囊數量。氣囊數量計算公式：N=K1G/L0，公式中：N系為滾動氣囊個數；K1系為常數，K1=1.2～1.3；G系為沉箱重量（KN）；L0系為氣囊載承面長度（m）。

（6）氣囊的間隔距離：氣囊中心距通常應滿足中心距蕊凈距：A≤3m；凈距：S≥0.15m。

（7）供氣系統：氣體供應系統由空氣壓縮機、壓力計、閥門、接頭、供氣管道組成。選擇應用空氣壓縮機一般以氣囊的總容量、充氣時間和所需壓力等為依據。空氣機儲氣罐應裝配可調限壓閥，如果多個氣囊需要同時充氣時，應配置帶多管接頭的氣體分配器。

（8）牽引系統：牽引系統由提升機、地錨、鋼絲纜、固定架及滑輪組等組成。牽引時在沉箱兩側，使用2臺卷揚機經過滑輪組同步開展，為了保證在沉箱運移過程中的平穩與安全，在沉箱運移的反方向，用同樣的牽拉力計算。

（9）牽拉力計算：牽拉力公式F=K1gf+KQV/T，公式中F系為運移沉箱的牽拉力（KN）；Q系為沉箱自身重量（t）；g系為重力加速率（m/s2），g=10m/s2；f系為氣囊與地表的滾動摩擦常數，與地表情況和氣囊的工作高度有關，通常取f=0.05；V系為沉箱移動速率（m/s）；T系為起動時間；K系為安全常數，K=112～115，取K=112。經計算，案例港口工程883t沉箱牽拉力F=563KN。

2.3 氣囊運移的技術特點

選用氣囊運移大型拖沉箱，克服了傳統施工技術的缺點，并且重力式碼頭工程中的重要技術問題由此得到解決。該技術有以下特點。

（1）不需要大型起重裝備和大型專業預制廠。在現場的預制場采用塔吊與貝雷析架門機配合，便可解決了大型沉箱預制問題。其工程造價低，工期短，并且占用碼頭沿線較短。

（2）因氣囊選用整體纏繞的獨特工藝成型，氣囊壁無對接縫，強度各向均衡，有抗沖擊、耐磨性，并且氣囊為軟彈塑性體，適應性強。所以該項技術對運輸通道與預制場地的要求較低，場位處理費用也比較低，相應配套設備費用也非常低廉。

（3）氣囊的載承力大，耗能小，易于操作，安全可靠。

3.沉箱封底操作技術

3.1 施工機械

沉箱封底主要操作機械參見表1所示。

表1 沉箱封底主要操作機械

3.2 裝配操作方法

沉箱就位后，應連續觀察8小時，若下沉量低于10mm，可開展封底筑澆混凝土。

封底前應將挖掘機及其它主要裝備拆去，再開展封底施工。其做法具體為，在制作底板時，將底板分成三排，配置預留管15根，在沉箱下沉過程中，預留管在底板上選用上下兩道閥門進行臨時堵封。在封底時，先抽出隔艙中的壓艙水，再將預設管上口與泵車導管接連，開啟閘門，混凝土借助泵車壓力被壓入作業室。筑澆完畢一處，關閉閘門，把混凝土導管移到下一處澆注施工。

因為封底前需將作業室的裝備拆掉，故封底可以分兩次開展。

（1）第1次封底只需封住刃腳地表以上1m左右，便利以后裝備拆去。當混凝土封底強度達到需求后，可適當減少作業室的氣壓，操作人員進入作業室拆去裝備。同時操作人員可以將刃腳浮泥清理干凈，以確保第2次澆注混凝土封底時能夠與刃腳結合密切。

（2）在主裝備拆去后，再筑澆第2層混凝土封底。在混凝土達要求強度之前，作業室內須保持足夠的空氣壓力。封底完畢后，再借助預設注灌漿管壓注水泥漿，開展間隙充填。

使用多臺泵車在施工中連續筑澆，并確保混凝土澆注的連續性。為了保證混凝土能注滿整個作業室，一定要確保混凝土有很大流動性，故混凝土坍落度不應低于20cm。筑澆順序是從刃腳處到中間對稱筑澆。混凝土筑澆前，應盡量清除刃腳處的土。在室內筑澆混凝土時，作業室內因氣體空間逐步縮小，可以在底板上配置平衡閥給予適當放氣，以保持作業室內氣壓穩定。

4.結語

本研究基于港口碼頭工程案例，詳細闡述了氣壓沉箱工藝的氣囊運移與封底裝配技術要點。當然，氣壓沉箱工藝是一項涉及多學科、多技術的系統工程，加之沉箱基礎體積大、重量大、剛性大等特點，使得該技術的工程實現過程不可避免地具有技術復雜性和操作難度，因此需要我們結合工程實踐，不斷細化研究，使新技術更符合工程實際。