復雜工況下水下大型沉箱拆除施工技術研究

摘要：本文針對三亞南山港公共科考碼頭項目現有水下大型沉箱拆除施工，研究現有沉箱采用起重船整體吊裝拆除法與浮運法兩種施工方案，經過比選分析，最終確定采用起重船整體吊裝拆除大型沉箱方案，并闡述起重船整體吊裝拆除方案的施工關鍵技術，以供參考。

關鍵詞：大型沉箱；整體吊裝；浮運；施工

一、項目概況

三亞南山港公共科考碼頭工程新建下水滑道的端部有已建滾裝碼頭銜接段預留的3個大型沉箱，沉箱尺寸為10.0m×7.45m×11.42m（長×寬×高），單個沉箱吊重達516t，預留的3個沉箱位于滑道施工區域，需要拆除。經查證，已建滾裝碼頭于2013年建設完成，現有沉箱施工將近十年，沉箱底部四周淤積嚴重，沉箱結構縫內海生物滋生，導致拆除工況較復雜，沉箱拆除位置斷面如圖1所示。

二、方案比選

大型沉箱拆除施工時，擬定兩個方案，即，方案一：起重船整體吊裝拆除沉箱施工方案；方案二：沉箱浮運法整體拆除沉箱施工方案。現將兩方案從經濟性、安全性、施工難易和施工周期等方面進行綜合考慮，對比分析優缺點，浮運法拆除沉箱限制條件較多，在低潮時，沉箱結構需露出水面或加高側墻，可以滿足箱室內抽排上浮條件。沉箱上浮后，要就近靠岸或尋找碼頭上岸，結合本項目沉箱頂面位于最低潮位下2m，且沒有就近靠岸條件，需要起重船吊裝至既有碼頭面上破除，相對于起重船整體吊裝拆除，同樣需要設置吊裝孔及起重船作業，增加加高側墻及抽排水工藝，以上限制條件，現場工況均無法滿足要求。最終確定按起重船整體吊裝拆除沉箱施工方案。方案比選分析如表1所示。

三、起重船起吊沉箱關鍵施工技術

（一）總體施工方案

總體施工工藝流程：前期準備→胸墻破除→沉箱外部淤泥及塊石清除→箱室內回填塊石及砂清除→吊裝孔作業→起重吊具、插銷安裝就位→起重船預起吊沉箱一側→起重船起吊沉箱→沉箱出水放置岸上→沉箱破碎、渣土外棄→起重船移錨至下個沉箱起吊位置。

采用液壓破碎錘破除沉箱頂部擋墻，再采用“長臂挖掘機+定制貝殼斗”上駁船的方法清理沉箱周圍淤泥及塊石。本工程還創新了“長臂挖掘機+定制貝殼斗”的挖泥工藝，該工藝可以解決挖斗挖泥船無法精確小范圍挖泥及挖泥深度范圍不可控的難題，定制貝殼斗通過挖掘機臂控制入水位置，液壓千斤頂控制貝殼斗開合，實現精確定位、挖泥深度可控。通過該工藝的實施，快速完成了沉箱四周淤泥及塊石的清理工作。

同時，清理沉箱室內頂部回填砂石。利用吸砂泵抽排沉箱內部回填砂，潛水員可以利用液壓巖芯鉆進行沉箱吊裝孔及排水孔作業，前、后吊裝孔位置必須確保水平對稱。

前期準備工作完成后，調遣起重船準備起重吊裝作業，起重船拋錨定位，安裝起重吊具和吊裝孔插銷鋼棒，將沉箱吊離水面，轉運至滾裝碼頭頂面，最后采用液壓破碎錘進行快速破碎，清理碎渣并外棄到指定消納場。

（二）胸墻鑿除

現有沉箱頂部有30m長胸墻，采用液壓破碎錘鑿除沉箱頂部胸墻。先在胸墻南側填筑設備站位平臺，形成通道后，挖機由西向東采用“倒退法”依次逐步破碎胸墻，鑿除的胸墻碎塊采用挖機設備倒運至岸上，然后統一裝車外棄至指定消納場，局部掉落沉箱基床的碎渣，再連同沉箱基床碎石一同挖除。作業區域設置安全警戒線，防止無關人員進入。

（三）沉箱塊石及回淤挖除

1.沉箱周圍塊石挖除

現有沉箱基床采用“碎石墊層+拋石護坡”組合，為減少起吊時沉箱底部及四周的吸附力，先利用20m長臂挖機站位在沉箱頂部通道挖除南北側淤泥及塊石；受長臂挖機臂長及站位影響，部分淤積物及塊石無法清除到位，采用創新工藝“長臂挖掘機+定制貝殼斗”上駁船清理沉箱周圍淤泥及塊石，挖除后測量員同步進行測量復核，清理后淤積物及塊石標高控制在沉箱底板以下。沉箱起吊前，用高壓水槍清除干凈沉箱底板四周的回淤。

2.沉箱回填砂清除

現有沉箱箱室采用砂石回填，為減少沉箱起吊時的自重，先用長臂挖機挖除箱室頂部回填塊石。底部回填砂挖除時受箱室結構阻礙，長臂挖機無法徹底清除，利用吸砂泵在箱室內進行吸砂作業。

3.泥、砂處理

吸砂作業在岸上設置泥漿池，泥漿池內部分割多箱室，用于泥漿分級沉淀，箱室內配備水泵以及時抽排沉淀后的清水，定時清理沉淀物并外棄到指定消納場。

（四）吊裝孔、泄水孔作業

現有沉箱利用建模軟件建模查找沉箱重心點，通過重心點位置，計算確定吊裝孔及泄水孔位置。4個Φ220mm吊裝孔設置在沉箱墻體南、北側。每側兩個吊裝孔，為了避免起重時鋼絲繩和鋼棒單邊受力造成鋼棒受彎變形或墻體拉裂，確保吊裝孔前、后兩孔道水平對稱，鉆孔內壁一次性貫穿側墻平整無錯臺。

潛水員配合測量做好鉆孔位置標記，將液壓巖芯鉆機通過可調長度的支架固定在沉箱墻體上，液壓巖芯鉆利用空壓機提供動力，通過導航架勻速鉆進，完成鉆孔任務。

（五）沉箱起吊

1.沉箱拆除起重設備選型

使用1000t扒桿式起重船整體起吊拆除。起重最大重量M=沉箱本體450t+箱內存水55.2t（13.8×4×1×1=55.2t）+吊索具重量（10t）+基床吸附力（125t）=640.2t，起重船吊幅28.1m時，起重能力1000t＞640.2t，滿足要求。

2.起重船進場駐位

經計算沉箱吊重最大516t，“粵廣州0089”扒桿式起重船按照28.1m吊幅起吊沉箱進行船舶駐位，船頭面向吊裝的沉箱，船尾八字錨向海側拋錨固定；船頭左邊錨系纜在已建滾裝碼頭系船柱上，右邊錨系纜在提前打設的鋼管定位樁上。

3.吊具、吊索連接

吊具、吊索由上向下進行連接，先將兩根Φ84mm環形鋼絲繩頂端掛在主吊鉤上，底部用船用卸扣將鋼絲繩連接在吊具上。2根吊具底部設置2個吊耳，Φ84mm環形鋼絲繩頂部通過船用卸扣連接吊耳，底部連接Φ180mm穿孔鋼棒。其中，穿孔鋼棒一端焊接法蘭盤，另一端套入法蘭盤在鋼棒預留螺栓孔內扭入3根M26螺栓，作為鋼絲繩限位防脫措施。本工程吊索具有兩個創新點：第一，采用環形鋼絲繩，在確保安全的前提下避免編結法及繩卡固定法的弊端。第二，采用分體式雙吊具，雙吊具可實現單側預提升，消除沉箱底部吸附力，整體式吊具提升沉箱底部吸附力過大，吸附力消失瞬間易導致沉箱“突跳”，分體式雙吊具規避了“突跳”導致的船體失穩傾覆風險。

（1）鋼棒受力驗算

沉箱起吊重量為516t，考慮沉箱底部受基床及側壁受相鄰沉箱海生物及水下粘結力影響，以起重重量800t計算。

鋼棒直徑180mm，長600mm，鋼棒受力較不利狀態為鋼棒兩端簡支，計算寬為100+300+100=500mm。鋼棒材質為65#錳鋼，抗剪強度設計值[fv]=205Mpa，抗拉強度設計值[f]=355Mpa。

荷載設計值：

Q=800/4×10/0.3=667kN/m

按照簡支梁計算：

剪力值按簡支梁計算：

V=qc/2=6667×300/2=1000000N

強度驗算：

σ=Md/W=175000000/572555=305MPa＜355MPa

τ=VS/Itw≤1000000×1803/12/78539816/180=43MPa＜205MPa

剛度驗算：

Vs=qcl3/48EI=6667×3000×5503/（48×206×103×78539816）=0.27mm＜550/400=1.375mm

強度及剛度滿足要求。

（2）吊具計算

吊具荷載加載于45°的半圓行上，荷載合力方向與水平方向呈60°夾角，單個沉箱使用兩組吊具起吊，每個吊具有2個吊點，則有：

2Ty=4000kN

解得Ty=2000kN，Tx=1156.1kN，作用在45°的半圓行上豎直方向的均布荷載值為：

在45°的半圓形上水平方向的均布荷載值為：

建立吊具有限元模型，計算吊耳最大局部應力428.5Mpa，最大應力發生于下孔壁四周處，為局部應力集中，超過215Mpa的點僅占0.9%，除去孔壁四周，最大應力126.8Mpa，滿足要求。鋼管應力121.8MPa，滿足要求。

（3）沉箱起吊

步驟一：起重船吊鉤將穿孔鋼棒下放至吊孔位置，潛水員水下將鋼棒穿入吊裝孔，鋼棒另一端依次套入法蘭盤和插入限位螺栓，保持鋼棒在墻體水平和兩端對稱。

步驟二：沉箱先預起吊，先提升西側吊具，待西側沉箱底部脫離泥面后，再提升沉箱東側吊具，以減少沉箱底部整體的吸附力。

步驟三：起重船慢慢提鉤，沉箱開始以1.2m/min速率提升至海面，提升過程中以起重船儀表盤不超過800t為限，泄水孔正常泄水。

步驟四：當沉箱脫離水面后，保持3min起重船姿態，檢測設備機械性能是否正常，吊具是否變形、損壞，沉箱吊裝位置墻體是否拉裂。

步驟五：將潛水泵放置沉箱室內進行抽排水。

步驟六：沉箱繼續提升至滾裝碼頭頂面標高以上1m，再次停頓3min。

步驟七：起重船采用橫向繳錨的方式，將沉箱勻速轉移至預定放置位置。

步驟八：起重船緩緩落下吊鉤，將沉箱放置在滾裝碼頭預定位置。

（六）沉箱破除

在沉箱預定放置位置提前鋪設2cm厚鋼板，使碼頭頂面承受均布荷載，避免集中荷載。在碼頭施工區域設置圍擋，安裝安全標示標牌，圍擋頂部加裝3m高防塵網，嚴禁閑雜車輛和人員進出。沉箱由上向下、左右對稱依次鑿除，鑿除的碎渣用渣土車外棄至指定消納場，不得隨意傾倒。

四、結語

本工程沉箱體積大，重量高，主體結構全部位于水面以下，工況復雜，沉箱拆除難度較大，安全風險較高。本項目初選兩種施工方案，通過分析比選，大型起重設備整體吊裝拆除法施工方案更加簡便，施工周期短，限制條件較少，更加適合在本項目工況條件下實施。通過清理沉箱外部淤積物，精確對稱鉆孔，大直徑插銷安裝，吊索具創新選型等一系列技術關鍵點的攻關，順利完成了沉箱拆除任務，同時也為類似工程提供了實操性較強的經驗。

參考文獻：

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作者簡介：劉欽濤（1985），男，遼寧省大連市人，本科，工程師，主要研究方向為港口與航道工程。