重力式碼頭沉箱水上出運與安裝施工技術(shù)

劉曉慧，劉濤，呂俊峰

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510240）

隨著國外貿(mào)易的快速發(fā)展，船運公司為了節(jié)省運輸成本、提高效率，船舶朝著大型化方向發(fā)展。各大港口為了適用船舶大型化的需要，越來越多的碼頭向大型化、深水化發(fā)展。隨之而來的大型重力式沉箱應(yīng)用越來越廣。沉箱的預(yù)制和出運工藝有了改進和提高。其中利用高壓氣囊頂升沉箱出運的工藝目前應(yīng)用得較為廣泛。本文結(jié)合一個工程實例，探討了通過氣囊頂升沉箱的方式，詳細介紹了沉箱下潛、出運、安裝的關(guān)鍵技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實踐。

1 工程概況

某沿海港區(qū)新建2 座重力式沉箱泊位，水工建設(shè)規(guī)模為新建2 個20 萬噸的散貨泊位，沉箱重力式結(jié)構(gòu)。設(shè)計吞吐量為860 萬T，碼頭設(shè)計岸線總長度為640 米。本工程碼頭共需安裝沉箱22 件，單件沉箱重量約為706.4t～4911.5t。沉箱尺寸見表1 所示。

表1

2 重力式沉箱出運工藝

2.1 沉箱預(yù)制場簡介

沉箱預(yù)制工作安排在現(xiàn)場建設(shè)的沉箱預(yù)制，共有2條沉箱預(yù)制生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線配置 4 條氣囊溝，氣囊溝長130m、底口寬1.6m。每條預(yù)制生產(chǎn)線長130m、寬25.7 m，單條預(yù)制生產(chǎn)線可滿足一次性預(yù)制4 個沉箱，預(yù)制場配置4 臺軌道式塔吊，氣囊結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 氣囊結(jié)構(gòu)圖

2.2 出運碼頭設(shè)計

預(yù)制沉箱經(jīng)驗收合格后，需要使用半潛駁將其水運至現(xiàn)場，在現(xiàn)場設(shè)置下潛坑，半潛駁于現(xiàn)場定位下潛，沉箱浮態(tài)出半潛駁。根據(jù)現(xiàn)場的水位變化條件，使用平板駁配合卷揚機的方式，拖帶沉箱至安裝位置。灌水使沉箱下沉就位安裝。為了預(yù)制沉箱順利出水，在附近建設(shè)臨時出運碼頭。經(jīng)過計算，出運碼頭整體設(shè)計承載力為3300t，搭承端的設(shè)計承載力為1500t。出運碼頭標高為5.05m，碼頭長48 米，碼頭承臺寬15.6 米。出運碼頭結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示：

圖2 出運碼頭結(jié)構(gòu)圖

2.3 出運工藝的選擇

正確選擇合適的出倉工藝，是順利進行沉箱出運的前提和基礎(chǔ)。項目部根據(jù)項目特點進行分析，如果選用傳統(tǒng)的臺車、膠囊臺車或滑板的出運工藝，需要有特定場地或特殊設(shè)備，一次性投入較大，且不利于工期。如果利用既有的預(yù)制場進行針對性、合理化的改造，將既經(jīng)濟又能滿足施工要求。最終項目選擇了利用氣囊頂升的沉箱出運方式，為最終的沉箱出運工藝。

2.4 沉箱陸上出運及拆除沉箱底膜工藝流程

沉箱陸上出運一共有四個步驟，分別為頂升、橫移、縱移、上駁等。其中橫移距離約30m；縱移距離最長約300m，最短約80m；上駁船距離約40m。每個沉箱預(yù)制完成及養(yǎng)護后，兩次氣囊滾動移運至出運碼頭前沿，即由臺座至出運通道的橫移和由出運通道至出運碼頭前沿的縱移，兩次移動方向呈直角轉(zhuǎn)向，最后從出運碼頭前沿縱移至停靠在碼頭邊的半潛駁上。

拆除沉箱底模工藝流程為：在沉箱底部放置氣囊→氣囊初充氣，使氣囊與沉箱底模共同受力支撐沉箱重量→氣囊第二、三次對稱充氣，沉箱完全離開底模，沉箱重量由氣囊承擔→將底模的型鋼拆除→支墊枕木→氣囊放氣→將氣囊、底模方鋼抽出→底模拆除完成。

2.5 陸上沉箱水平運輸工作原理

沉箱水平運輸?shù)姆绞礁鶕?jù)沉箱下水方式會有不同選擇。有用縱橫移軌道和臺車運輸?shù)姆绞健⒂杏脷饽覞L動運輸?shù)姆绞剑€有用滑板運輸?shù)姆绞健ｍ椖坎扛鶕?jù)項目的特點及工程實際，經(jīng)過論證選擇氣囊輸運的方案。該方案就是在沉箱底部加設(shè)一排排氣囊。氣囊是特殊材質(zhì)專門定制的。在沉箱啟運時需要對氣囊內(nèi)部進行充氣。充完氣后，沉箱會因為氣囊升起而被頂高。在沉箱的前行方向，加裝牽引動力，提供足夠的牽引力將被頂高后的沉箱緩慢向前拉動氣囊。由于摩擦力的作用將會使氣囊產(chǎn)生向前動力，這樣沉箱就能向前橫移了。

具體的工藝流程如下：沉箱底部穿氣囊→卷揚機牽引系統(tǒng)與沉箱固定→氣囊分三次對稱、均勻充氣，直至將沉箱頂升→拿走支墊枕木→將排水溝回填并鋪設(shè)鋼板，檢查底部及周圍有無阻礙物→橫移人員就位，準備橫移→橫移→到預(yù)定位置，支墊枕木→放氣。

在沉箱的重力作用下，下部的氣囊會產(chǎn)生大量變形，這樣氣囊與地面的接觸面積就會增大，單位面積上的壓力就會減輕。因此大部分沉箱均采用雙排氣囊。

3 氣囊的確定

氣囊在受到壓力產(chǎn)生變形之后，為了便于計算，將氣囊的充氣變化過程看作是一個比較規(guī)則的狀態(tài)。假設(shè)這種狀態(tài)下氣囊的橫截面顯現(xiàn)出正扁形態(tài)。按照沉箱的規(guī)格幾何尺寸，計算出需要的氣囊數(shù)量及尺寸。根據(jù)相關(guān)氣囊出運的技術(shù)標準，在計算過程中按照1m 直徑的氣囊進行計算。氣囊充氣后的高度按照0.4 米計算。氣囊的允許額定壓力為0.3MPa。氣囊的工作壓力選用P=0.25MPa。氣囊在受到壓力后，在橫截面上可以看成是由兩個半圓和一個長方形組成的幾何形狀。氣囊受壓截面、氣囊結(jié)構(gòu)及平面布置圖如圖3 所示。為了便于表述和計算，假設(shè)半圓直徑為H，長方形的兩個邊分別為B、H。

圖3 氣囊受壓截面圖

A 型沉箱高21.9 米，底面積512 平方米，重約1885.03t，按2000t 計算；B 型沉箱高13.52 米，底面積512 平方米，重約902.94t，沉箱只考慮縱移。縱向位移時：氣囊承截面長度LA=19.95 米，LB=19.95。承截面寬B=π(D-H)/2=3.14 (1.0-0.4)/2=0.942m。每個氣囊受壓狀態(tài)下與沉箱接觸面積：S=0.942×19.95=18.79m2。單根氣囊承載力：F1=F2=S×P=18.79×0.25×100=469.8T.根據(jù)計算結(jié)果，假設(shè)氣囊工作壓強達到0.4MPa，需要下式計算氣囊才能把沉箱安全頂升。所需氣囊的數(shù)量N1=K*G1/F1=1.3×2000/469.8=5.5；N2=K*G2/F2=1.3×1350/469.8=3.7；

因此A 型沉箱至少需要6 條氣囊、B 型沉箱至少需要4 條氣囊才能保證沉箱安全頂升。

4 沉箱前移

4.1 調(diào)整氣囊

沉箱前移第一步要首先調(diào)整氣囊高度，將其調(diào)整至氣囊運行高度。調(diào)整完畢后要及時檢查并調(diào)整各個氣囊的壓力，確保各個氣囊的高度保質(zhì)一致。沉箱橫移之后，注意時刻觀察沉箱狀態(tài)，當沉箱在移運臨界狀態(tài)的時候，要啟動溜尾卷揚機組，要使溜尾鋼繩處于稍微松弛的狀態(tài)。當一切都檢查完畢并都在正常狀態(tài)下時，還要注意氣囊的滾動和氣囊氣壓狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，通過調(diào)整氣囊的氣壓值確保各個氣囊的高度始終保持一致。在沉箱移運過程中安排專人沉箱移的運行狀態(tài)，保持鋼絲繩處在合理的受力狀態(tài)，不要出現(xiàn)沉箱前傾現(xiàn)象。當出現(xiàn)走偏時及時向項目部報告，項目部組織技術(shù)人員進行研究分析，及時糾偏。

4.2 氣囊交替前移

沉箱在橫移過程中，需要氣囊交替前移。當沉箱前移方向端部至第一根氣囊囊中心，擺進氣囊并進行充氣，沉箱前進方向始終保持3 根待工作氣囊。注意充氣時氣囊一定要全部張開并達到一定的氣壓后再啟動運行。在牽引移動過程中，沉箱的重心線、出運通道中心線要保持相同。

當出現(xiàn)沉箱走偏時，要暫停前移，要及時將氣囊糾偏。沉箱走偏需要糾偏過程中，要注意緩慢糾偏，不能操之過急，防止出現(xiàn)Z 字形，對沉箱的移動造成困難。

當后面的氣囊在移動方向上接近沉箱尾部時，及時將氣囊中的氣排出。注意在氣囊放氣過程中，加強觀測，盡量使沉箱保持直立的狀態(tài)。如此過程反復(fù)重復(fù)，直到沉箱移至指定位置為止。各個過程，要注意及時進行觀測。出現(xiàn)問題及時進行調(diào)整。

4.3 斜坡段前移

當沉箱移至出運通道斜坡段時，將不再通過牽引力使沉箱前進。在斜坡段時，沉箱通過其重力在斜坡段上的分力克服摩擦力進行移動。確保沉箱平穩(wěn)移動，盡量做到受力均勻。保持系統(tǒng)同步進行運轉(zhuǎn)。使沉箱緩慢沿出運斜坡前移，沉箱前后的方向、高度要保持盡量接近。嚴禁利用自然斜坡滑行，防止出現(xiàn)速度過快，造成沉箱側(cè)翻或其他事故的發(fā)生。盡量在斜坡段不要更換鋼絲繩，禁止對兩部溜尾卷揚機的鋼絲繩做接長處理。當沉箱行至出運碼頭水平部分后，將停止沉箱前移。然后再開始下一個前移步驟，重復(fù)這個過程使得沉箱在斜坡段上緩慢移動。斜坡段出運沉箱過程如圖4 所示。

圖4 斜坡段出運沉箱示意圖

沉箱出運斜坡段坡度為3 度，考慮沉箱內(nèi)殘留混凝土渣與積水，沉箱重量按照2900t 計算。因此沉箱水平分項力F1=sin3° ×G=152t，沉箱豎向分項力F2=cos3°G=2896t，摩擦系數(shù)取0.05，摩擦力f=0.05F2=144.8tF1，沉箱緩慢前移速度是由后遛滑輪組系統(tǒng)控制的。沉箱上駁牽引示意圖如圖5 所示。

圖5 沉箱上駁牽引示意圖

4.4 沉箱糾偏

沉箱縱向移動時會發(fā)生位置偏差，需要進行實時觀測，發(fā)現(xiàn)偏差后及時采取措施進行糾正，常見的糾偏措施有以下幾點。

（1）沉箱糾偏要采用卷揚機強制糾偏，在糾偏過程中要注意各個鋼絲繩的受力情況，及時觀測，出現(xiàn)問題立即停止，嚴禁在在斜坡段對沉箱進行糾偏。

（2）在碼頭混凝土面上進行移運沉箱的時候，宜在氣囊囊頭前趾方向經(jīng)過的地方鋪設(shè)一層厚度3-6cm細砂，減少摩擦力，方便沉箱移運。

（3）沉箱的橫軸線要與氣囊擺放的方向成一個偏角，這樣更有利于沉箱移運。關(guān)于偏角具體的距離和偏角大小，需要通過計算和現(xiàn)場試驗確定。

5 沉箱安裝

5.1 平面定位與安裝順序

在沉箱安裝之前，要制定沉箱安裝方案，準確計算出沉箱的安裝平面坐標位置及沉箱的安裝順序。在進行沉箱平面布置過程中要綜合考慮浮船塢等附屬船舶的下潛及拋錨準確位置。還要統(tǒng)籌考慮沉箱出塢的方向。沉箱安裝必須事先要對船舶定位進行演練，合理布置船位，合理安排好各個施工工序之間的搭接與銜接。

沉箱安裝泊位已建沉箱交接第一個開始，依次向后安裝。沉箱安裝相關(guān)船舶布置平面示意圖如圖6 所示。

圖6 沉箱安裝相關(guān)船舶布置平面示意圖

5.2 沉箱的定位與安裝

沉箱通過方駁托運到基床底部，將進水閥打開，進行沉箱內(nèi)壓水，使沉箱慢慢變重，緩慢下沉水面。沉箱頂面標高為+2.80 米，沉箱安裝要根據(jù)潮水水位情況進行合理選擇，在安裝過程進行潮水驗算，選擇合適標高及時間方能對沉箱進行定位與安裝。沉箱下沉至離基床地面至少2 米時候，技術(shù)人員要及時對沉箱進行準確定位，最后將沉箱安裝在基床指定位置。安裝過程大約需要約60-120 分鐘左右。安裝時間要根據(jù)潮水情況進行合理安排。

6 結(jié)語

沉箱結(jié)構(gòu)是重力式碼頭重要的組成部分，其運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性關(guān)系到工程質(zhì)量成敗的關(guān)鍵。本文結(jié)合某重力式碼頭沉箱預(yù)制、出運等方面的實際問題，探討沉箱水上出運與安裝的關(guān)鍵施工技術(shù)，詳細介紹了重力式碼頭沉箱氣囊頂升、沉箱出運、安裝等施工技術(shù)，對出運氣囊壓力計算、沉箱下潛、出運、安裝等技術(shù)環(huán)節(jié)的要點進行闡述。通過工程實踐，沉箱在頂升過程中平穩(wěn)、移運平順無偏移，無異常現(xiàn)象，工期效益和經(jīng)濟效益非常顯著。該施工技術(shù)可為類似沉箱項目施工提供借鑒和參考。