沿海港口碼頭大型沉箱出運安裝施工技術應用研究

作者簡介：孫美燕（1971—），高級工程師，研究方向：交通、建筑工程。

摘要：針對半潛駁船在水平潛水作業中穩定性不滿足規范要求以及沉箱出船時潛水深度不足的問題，文章采用了半潛駁船艏傾下潛和起重船吊扶聯合出運安裝大型橢圓形沉箱的施工工藝方案。沉箱出運結果表明，該施工工藝是可行的，對類似工程的大型橢圓形沉箱出運安裝具有借鑒意義。

關鍵詞：大型橢圓型沉箱；半潛駁艏傾下潛；起重船吊扶；安裝

中圖分類號：U655.4

0 引言

隨著沿海港口碼頭大型化、深水化發展趨勢，作為碼頭水工結構基礎的沉箱，其設計的尺寸和重量也越來越大，隨之對沉箱出運安裝的技術要求也越來越高。4 500 t以上的大型沉箱作為港口工程中重要的預制構件，被越來越多地應用于深水重力式碼頭、垂直防波堤、環海島嶼建筑等水工結構中，甚至在跨海橋梁工程中被用作錨固基礎結構。沉箱重量的提高有利于大型港口結構的穩定性，但同時對沉箱的出運安裝也造成了一定的困難?；舱降馁|量、海況的好壞、安裝工藝的選取、安裝設備是否先進等都會對沉箱的安裝質量起著至關重要的作用^［1］。為此，選擇合適的大型沉箱安裝施工工藝和方法，已成為大型沉箱安裝進度控制和安全控制的重點和難點。本文結合工程實例，采用了起重船助浮半潛駁出運安裝大型橢圓形沉箱的施工工藝并成功應用于工程實踐。

1 沉箱出運安裝施工工藝

沉箱出運安裝的施工工藝大致分為3類：第一類為出運至安裝地點，大部分通過方駁轉運，采用起重船安裝，一般用于小型沉箱的安裝，該工藝的優點是速度快、精度高；第二類為采用半潛駁出運安裝，通過半潛駁將沉箱運至安裝地點附近，借助方駁定位及卷揚機或倒鏈拖拽對沉箱進行精確安裝，該工藝一般用于較大沉箱的安裝^［2］；第三類為起重船助浮半潛駁出運安裝工藝，該工藝為半潛駁出運安裝的擴展，一般用于大型或超大型沉箱的安裝^［3］。

本文介紹的是第三類起重船助浮半潛駁出運安裝大型沉箱施工技術的案例應用。

2 起重船助浮半潛駁出運安裝大型沉箱案例運用

2.1 工程概況

本工程為新建1個20萬噸級散貨泊位，碼頭水工結構按30萬噸級散貨船設計。碼頭結構長415 m，寬32.5 m，碼頭面頂高程為+11.00 m。碼頭平臺結構型式采用橢圓形沉箱重力式獨立墩式結構，共11件，分為CX1和CX2～CX11兩種規格。

CX1橢圓形沉箱結構：沿泊位長度方向寬度為18.3 m，垂直碼頭岸線方向寬29.0 m，高27.9 m，底板厚0.8 m，外壁厚0.40 m，內為3 m×5 m形式隔倉，隔墻厚度為0.25 m。單個沉箱混凝土工程量為2 077.7 m³，重量為5 391 t，重心高度為11.497 m。沉箱結構示意圖見圖1。

CX2～CX11橢圓形沉箱結構：沿泊位長度方向寬度為17.1 m，垂直碼頭岸線方向寬29.0 m，高27.9 m，底板厚0.8 m，外壁厚0.40 m，內為3 m×5 m形式隔倉，隔墻厚度為0.25 m。單個沉箱混凝土工程量為1 999.9 m³，重量為5 179 t，重心高度為11.591 m。沉箱結構示意圖見圖2。

本工程沉箱浮游穩定吃水深度較大，CX1下潛吃水深度達18.24 m，CX2～CX11下潛吃水深度達到18.77 m，半潛駁最大受限于半潛駁下潛深度，需采用起重船進行助浮出駁及沉箱安裝（沉箱內預埋插銷吊孔）。

2.2 技術方案分析

本工程沉箱結構較為特殊，采用的是水運工程施工領域比較少見的橢圓形沉箱，與常規的圓形、方形沉箱相比，橢圓形沉箱重心相對較高且迎水面不規則，易受海浪沖擊而自由偏位，浮游穩定性相對較差；本工程為典型的外海開敞式碼頭，所處海域海況條件較為惡劣，風、浪、流條件復雜，沉箱安裝工期的控制難度較大；本工程沉箱體積和重量大，是本工程所在海域有史以來最大的沉箱，對半潛駁裝載能力的要求極高，需采用市場上為數不多的大型半潛駁，選取適合的大型船機設備至關重要。

鑒于本工程沉箱安裝難度大、風險高、工期緊等實際情況，對沉箱的安裝技術要求也極高。經綜合研討，采取起重船助浮半潛駁出運安裝的施工技術方案，即將沉箱經半潛駁浮運至碼頭現場后，在起重船的助浮下使其浮游出塢，起重船通過移船絞錨，牽引沉箱進行安裝。該方案可有效解決本工程沉箱安裝的難點，具有安全性能高、穩定性高、安裝精確度高和安裝效率高等優點。

2.3 安裝工藝流程

沉箱安裝工藝流程如圖3所示。

2.4 半潛駁選型

工程采用6 500 t大型半潛駁（見表1），通過對該半潛駁裝載本工程沉箱下潛時的穩定性核算，計算結果接近規范允許值，安全儲備存在不足，需采取技術措施提高半潛駁裝載沉箱下潛穩定性。經半潛駁原船舶設計單位針對本工程沉箱裝載和下潛設計，明確了相應的船舶技術改造方案，有效提升了整體船組的穩定性。

具體技術改造方案：在半潛駁上新增助浮浮箱2個，分別位于舉升甲板面上，左右舷各一個，浮箱尺寸為（長×寬×高）：5.4 m×4.5 m×8.0 m，單個重量約為40 t。新增浮箱為水密箱體，能承受最大沉深時的水壓力，在提升整體穩定性的同時，增加了400 t的浮力，經改造后半潛駁滿足本工程沉箱裝載的需求。

2.5 起重船選型

經計算，半潛駁搭載沉箱下潛至一定深度后，需由起重船提供200 t吊力。本工程擬采用1 200 t起重船進行助浮出駁及沉箱安裝，吊具、操作平臺、索具等重量如下：吊具重量為16 t，吊具上起重吊索重量為4.8 t，下吊索及插銷重量為2.2 t，操作平臺為8.5 t。吊具下起重量（含吊具）小計為26.7 t，起重船掛鉤下起重量合計為31.5 t。

助浮起重量：計算助浮力為200 t，取安全系數為2.25，即450 t，滿足起重量要求。

2.6 半潛駁下潛及沉箱出駁安裝

沉箱經拖運至下潛區附近水域后，即進入浮游安裝階段。為保證助浮安裝的安全性和穩定性，以最重的CX1沉箱為例，計算了下潛、出駁相應的壓載水深和沉箱吃水深度，其他沉箱根據沉箱助浮穩定性計算結果進行相應取用。

2.6.1 準備工作

（1）半潛駁進入潛水區后，測量人員利用GPS輔助半潛駁在潛水區精確拋錨定位，并用水砣測量下潛區實際水深作為參考。

（2）半潛駁定位完成后，由半潛駁上的吊機將通道跳板吊裝擱置至沉箱頂部與半潛駁駕駛樓頂之間，形成半潛駁與沉箱頂之間的人行安全通道。

（3）將起重船左右前錨拋至半潛駁邊上，注意不能壓住半潛駁的錨繩，將前纜系掛在由半潛駁引出的兩根浮式纜繩上，做取沉箱時前移用。

2.6.2 半潛駁下潛

當準備工作完成，下潛區潮位條件滿足下潛要求時，半潛駁開始加水下潛。下潛過程中，需特別注意觀察沉箱內倉是否漏水，如漏水，要停止下潛，查明原因并解決問題后方能繼續施工。潛水至沉箱吃水7 m時停止潛水，打開閥門，開始向沉箱注入壓載水，當沉箱內壓載水高度注入浮穩定計算壓水高度時（CX1為6.1 m），關閉注水閥門。

2.6.3 起重船掛鉤

沉箱壓載水加載完成后，半潛駁繼續下潛至半潛駁吃水20 m（沉箱吃水14 m）時，起重船移船靠近半潛駁，在沉箱上安裝施工平臺，隨后人員下至下層操作平臺安裝起重船鋼絲繩插銷和纜風繩。安裝完成后，半潛駁繼續下潛，下潛過程中起重船鋼絲繩始終處于放松不受力的狀態。隨著半潛駁不斷下潛，起重船跟進松鉤。當半潛駁下潛至沉箱吃水深度達到17 m時，半潛駁結束下潛，檢查沉箱內壓載水和閥門密封情況。檢查無誤后，人員撤離沉箱頂部，半潛駁上的吊機將跳板吊走。

2.6.4 沉箱出駁

半潛駁繼續下潛，待沉箱吃水深度達到17.39 m時（半潛駁下潛23.59 m），沉箱開始緩慢起鉤提升。根據理論計算，此時起重機船的提升力為200 t。吊起沉箱后，起重船啟動尾部錨機，同步放松船艏纜繩，吊取沉箱船移后退，完成沉箱駁船作業。

2.6.5 起重船移船

沉箱出駁后，由錨艇輔助起重船進行拋錨定位，起重船通過絞錨的方式移船至指定位置。

2.6.6 沉箱安裝

沉箱安裝采用雙GPS定位實現沉箱的精確安裝。取沉箱前后沿角點為安裝時的控制角點，開工前技術主管根據設計圖紙換算出對應角點坐標，向測量人員交底及下發測量工作任務；沉箱安裝過程中，測量人員根據相關角點的實際坐標值與計算坐標的偏差，指導船組進行定位，實現沉箱精確安裝。

（1）起重船移船至基床上方后，根據當天的潮位情況，當潮位達到2.5 m（沉箱高27.9 m+基床頂標高-24.9 m-浪高0.5 m=2.5 m）以下時，操作人員通過爬梯上到沉箱頂部操作平臺，打開沉箱進水閥門，注水使沉箱下沉，起重船同步下鉤。

（2）測量人員用GPS測量沉箱的頂標高及位置，當沉箱下沉至距離基床頂面0.5 m時，用雙GPS測量兩個角點進行精確定位。

（3）精確定位后，起重船松鉤，期間起重船通過纜風繩對沉箱位置進行微調，使沉箱坐底，實現沉箱精確安裝。

（4）沉箱坐底后測量人員復核沉箱的安裝誤差值，若不符合要求，則由起重船起吊沉箱進行調整，若符合規范要求，則打開進水閥均勻灌水穩定沉箱。

（5）沉箱灌水穩定后，解除連接插銷，起重船起鉤移船退出。

2.6.7 沉箱進水孔封堵及檢驗

沉箱安裝到位后，必須堵住進水閥，防止回填后漏砂。進水孔用隔水塞封堵，封堵方法如下：

（1）隔水塞為圓臺體形狀，使用比沉箱強度高一標號的混凝土預制而成，外裹一層厚土工布。

（2）潛水員攜帶隔水塞至沉箱進水孔隔倉內側進行安裝。

（3）安裝時，將隔水塞放入進水孔內，潛水員用錘子將隔水塞用力錘入孔內。

（4）直至無法錘進即為安裝完成。

等待一個漲落潮位周期后，在低潮位時，若沉箱隔倉內水面仍與沉箱頂面齊平，即進水孔已完成封堵且不漏水；若沉箱隔艙內水面比沉箱頂面低，即進水孔封堵后仍存在漏水現象，需要重新進行封堵。

2.6.8 檢測

沉箱安裝完畢后，經過兩次連續低潮觀測，沉箱穩定，符合設計要求；然后提起密封蓋板，立即拋砂充填沉箱。在沉箱四角頂面上布置沉降位移觀測點，測量初始值，然后按規定時間進行沉降位移觀測。在安裝過程中，對每個沉箱和每一段進行嚴格的質量控制，確保濱水線、接縫寬度、相鄰塊交錯齒和碼頭總長度符合規范要求。沉箱安裝的允許偏差、檢驗數量和方法應符合表2規定^［4］。

2.6.9 注意事項及安全措施

（1）沉箱運輸前，船機部門和水上調度必須了解天氣和海況，及時掌握短期預報數據；預期風速應≤6級，波高應≤1.5 m，作業區內海水流速應＜1 m/s。當船舶被拖曳或停泊時，必須確保纜繩具有足夠的強度和抗拉強度，以防止纜繩斷裂。

（2）當半潛式駁船下潛到規定深度時，通過沉箱上的埋設環用四根纜繩與半潛式駁船的塔柱連接，以保持沉箱穩定。拖船向前牽引沉箱時，應注意減慢船速，避免與沉箱和半潛式駁船塔體相撞。

（3）半潛式駁船的垂直傾角和水平傾角的平衡調節只能通過自然進水和強制排水來實現。除4個塔式壓載筒倉外，半潛駁船不得強制注水，4個塔式壓載筒倉不得強制調水。當操作者熟悉升降操作時，應隨時觀察船的4個角的吃水情況。微機顯示與塔柱吃水符號不一致時，以塔柱吃水符號為準，縱傾≤0.55，橫傾≤0.33。

（4）沉箱安裝完畢后，潛水員應下水檢查沉箱上下縫寬、相鄰交錯齒、與基床接觸平整度是否滿足技術要求。如果不符合要求，就需要調整安裝。

3 結語

為進一步提高碼頭工程結構整體穩定性以及施工工效，沉箱結構將隨著施工技術的不斷發展而越來越大，由此導致沉箱安裝的難度和風險也隨之增加。為此，選取合適的沉箱安裝技術方案是保證工程施工質量、安全和進度的關鍵。本工程采用起重船助浮半潛駁出運安裝施工技術，攻克了工程難關，實現了沉箱快速、安全的浮運安裝，沉箱安裝工期較原計劃提前近兩個月，取得了良好的施工效果，對當前比較少見的類似大型橢圓形沉箱安裝施工具有較好的借鑒意義。通過本工程的實際應用，總結以下幾點經驗：

（1）提前策劃，采取切合工程實際的技術方案。

沉箱安裝屬于碼頭工程施工過程中的關鍵工序，對工程總體進度的影響至關重要。針對大型沉箱安裝，前期策劃、技術方案研究、相關穩定性驗算、船機設備選型是保證沉箱安裝工序平穩進行的先決條件。

（2）起重船助浮沉箱安裝工藝的優點：

①起重船助浮沉箱安裝工藝不僅能有效提升沉箱浮游時的吃水深度，降低半潛駁所需的最大下潛深度要求，還能增加助浮安裝過程中構件及船組的安全儲備以及穩定性能。

②起重船助浮后，沉箱下潛深度減少，碼頭停泊水域可滿足下潛需求，避免了半潛駁下潛坑的開挖施工，施工工藝更加環保、高效。

③采用起重船助浮后，半潛駁所需下潛深度減小，潮差對施工作業無影響，解除了沉箱安裝施工作業限制；同時，船組下潛時間更短，有效提升了整個沉箱安裝的施工工效。

（3）起重船助浮沉箱安裝工藝的局限性：

①由于沉箱安裝所需的起重船僅用于沉箱安裝的部分工序，設備的整體利用率不高；同時，所采用的助浮起重船比較大型且數量較少，設備臺班費用相對較為昂貴，由此導致施工成本也相對增加。

②采用助浮沉箱安裝工藝時，起重船的船位需根據半潛駁下潛深度的變化而作相應的調整，并在中間穿插絞錨移船、掛鉤等操作，對施工作業人員的經驗要求以及船組間的配合默契程度要求都比較高。施工過程中，必須要設立統一指揮并絕對服從，以保證沉箱整個安裝過程的連續性和安全性。

參考文獻

［1］李青美.大型沉箱出運及其安裝工藝的研究［D］.青島：中國海洋大學，2010.

［2］付明剛.大型沉箱關鍵施工技術研究及應用［D］.重慶：重慶交通大學，2018.

［3］張耘浩，劉思國，姜恒志，等.起重船助浮大型圓沉箱半潛駁出運工藝［J］.水運工程，2012（8）：195-199.

［4］JTS257-2008，水運工程質量檢驗標準［S］.

收稿日期：2022-03-20