大型沉箱智能安裝關鍵技術研究

劉明，謝連仲，孫俊豐，楊明，張小波

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

重力式碼頭是我國分布較廣，使用較多的一種碼頭結構形式[1]，其作為水運交通重要基礎設施，是國家綜合運輸體系的骨干力量[2]。在工業4.0 時代升級轉型的大背景下，建設高效、綠色、智能化、信息化碼頭工程已成為水運交通基礎設施發展的必然趨勢[3]。鋼筋混凝土沉箱因能承受較大的地面載荷和船舶載荷，且具有結構堅固耐用、施工速度快、水下工程量少、抗震性能好、維修費用小等特點，已經成為國家重力式碼頭建設中最常采用的重要結構構件[4]。

隨著我國港口碼頭向外海、深水發展以及大型跨海橋梁的建設，沉箱重力式碼頭開始向大型化、高等級發展[5]。大型沉箱外海低風險出運、高精度安裝對施工技術和裝備的要求越來越高，僅依靠傳統施工或憑借人工操作，極易發生安全和質量事故[6]。同時，大型沉箱安裝精度直接影響上部結構胸墻的豎直度與碼頭觀感質量，間接造成碼頭不均勻沉降與影響工程耐久性等[7]，故亟需升級傳統施工技術及提升施工裝備。

大型沉箱海上出運安裝安全風險大，屬于超過一定規模的危險性較大分部分項工程[8]。為了實現大型沉箱海上出運安裝關鍵技術參數可視化監測、智能化控制的目標，依托欽州港大欖坪南作業區9 號、10 號自動化集裝箱泊位工程，針對傳統沉箱海上出運安裝作業人員密集、外海作業時間長、測繩控制倉格水位精度低、安裝控制不連續等較大安全質量風險，創新提出一種大型沉箱海上壓水少人或無人作業、全過程可視化數據監測、高精度智能化控制的智能安裝技術。智能安裝技術數字化、智能化應用程度較高，且具有安全環保、綠色節能、經濟高效的推廣應用價值。

1 工程概況

欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區9 號、10號自動化集裝箱泊位工程位于廣西欽州保稅港區8 號泊位南側延長線上，為2 個新建10 萬噸級自動化集裝箱泊位，年設計吞吐能力為161 萬TEU[9]。碼頭泊位長783 m，碼頭主體為沉箱重力式結構，基床厚1 m，坐落于中風化泥巖上；沉箱預制共計33 座，單座沉箱長23.92 m、寬15.8 m、高21 m，重量約3 600 （t見圖1）。沉箱總體安裝順序由9 號泊位北端頭開始向10 號泊位方向進行。

圖1 欽州港9 號、10 號泊位A3 型沉箱效果圖Fig.1 Effect diagram of A3 type caisson at No.9 and No.10 berths of Qinzhou Port

2 沉箱智能安裝系統組成及控制原理

沉箱智能安裝系統主要由沉箱浮游穩定性驗算系統、沉箱智能壓水系統、沉箱拖運監測系統及沉箱智能安裝系統組成，如圖2 所示。

圖2 沉箱智能安裝系統組成與控制原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the composition and control principle of the intelligent installation system for caissons

2.1 沉箱浮游穩定性驗算系統

沉箱浮游穩定性驗算系統由沉箱參數輸入模塊、自動計算模塊及關鍵參數輸出模塊3 部分組成。輸入沉箱參數及施工窗口參數后，系統自動計算輸出沉箱定傾高度、各倉格壓水深度、沉箱穩定吃水、沉箱干舷高度，為沉箱壓水提供關鍵技術參數及預警值。

2.2 沉箱智能壓水系統

沉箱智能壓水系統由深水電磁閥、投入式液位計、雙軸傾斜儀、UPS 電源、控制柜及無線控制終端組成。壓水前預設倉格液位差警戒線，根據液位計及傾斜儀監測數據智能調節電磁閥開關保證壓水穩定；根據預設液位標高智能關閉電磁閥完成沉箱壓水。

2.3 沉箱拖運監測系統

沉箱拖運監測系統由投入式液位計、雙軸傾斜儀、控制柜、UPS 電源、無線控制終端組成，實現了沉箱姿態參數化、可視化，并全過程進行數據記錄，更全面、更直接地掌握沉箱狀態，根據監測數據調整拖輪拖帶馬力，保證沉箱拖運安全可靠。

2.4 沉箱智能安裝系統

沉箱智能安裝系統由深水電磁閥、投入式液位計、雙軸傾斜儀、電動絞車、GNSS 接收器、UPS 電源、無線控制終端組成。根據液位計、傾斜儀數據調整電動絞車，實現沉箱姿態自動化調整，提高沉箱安裝的質量，降低施工風險，可實現沉箱頂部無人作業。

3 智能安裝關鍵技術及創新

依據沉箱智能安裝控制原理開展關鍵技術研究，主要攻關路線如圖3 所示。

圖3 沉箱智能安裝關鍵技術攻關路線圖Fig.3 Key technology roadmap for intelligent installation of caissons

3.1 沉箱浮游穩定性自動核算技術

通過SCL 語言[10]編程進行沉箱浮游穩定性驗算，設置標準化計算流程與表格式驗算參數輸入接口，根據規范要求與施工窗口自動計算沉箱浮游穩定性的關鍵參數，確定干舷高度、定傾高度、倉格水位及穩定吃水，為沉箱智能壓水控制提供關鍵指標，如圖4 所示。

圖4 浮游穩定性驗算標準化流程圖Fig.4 Standardized flow chart for checking floating stability

3.2 沉箱壓水高精度監測控制技術

沉箱壓水高精度監控技術主要包括倉格水位高精度監控與高精度調平技術。

3.2.1 倉格水位高精度監控技術

通過液位計遠程監測沉箱倉格水位變化情況，根據自動計算水位數據自動控制電磁閥，實現沉箱倉格水位滿足現場施工要求，同時距自動計算水位50 cm 時每10 cm 設置1 次語音提示功能，設置倉格水位整數提示功能及相鄰倉格水位高差大于1 m 時自動報警功能等，保障沉箱倉格水位監測達到厘米級精度。

投入式液位計采用先進的隔離型擴散硅敏感元件制作而成[11]，直接投入水體中即可精確測量出水位計末端到水面的高度，經過溫度補償和線性校正，將水位值通過4～20 mA 電流信號對外輸出，安裝使用極為方便，性能指標見表1。

表1 投入式液位計性能指標Table 1 Performance indicators of input level gauge

深水電磁閥通過80 cm、DN110 消防軟管與沉箱進水口連接，進水后外部設置35 目過濾網，通過可調節專用基座固定于沉箱進水倉格底板中部位置（圖5）；液位傳感器通過專用固定裝置固定于沉箱倉格的邊角50 cm 處，傳感器均布置于沉箱進水倉格，共計6 個；電磁閥數據線與液位計導線總長度均為40 m，并與電磁閥吊裝繩索在22 m 處通過自鎖式尼龍扎帶固定于沉箱縱隔墻頂部專用穿線固定裝置處；電磁閥與液位計數據接口根據儀器編號一對一的連接于控制柜；數據采集處理控制柜布置于沉箱頂部形心倉格鋼蓋板中心位置；外接220 V 電源為控制柜提供電源。

圖5 沉箱智能壓水裝置連接示意圖Fig.5 Connection diagram of intelligent pressurizedwater device for caissons

3.2.2 沉箱高精度調平技術

在沉箱達到穩定吃水處于漂浮狀態時，根據傾角傳感器的監測數據自動核算倉格壓水高度后，控制相應電磁閥開啟進行調平壓水，同時壓水過程中根據倉格水位監測數據遠程控制電磁閥關閉，實現沉箱漂浮處于平衡狀態。傾角傳感器水平布置在沉箱形心倉格頂部，通過雙面泡棉膠帶粘貼于橫隔墻中間位置，數據接口根據傳感器編號一對一地連接于控制柜，如圖6 所示。

圖6 沉箱高精度調平裝置布置圖Fig.6 Layout of high-precision leveling device for caissons

3.3 沉箱拖運姿態高精度監測技術

沉箱高精度調平后，通過2 985 kW（4 000 HP）拖輪拽拖沉箱至安裝區，拽拖過程中通過傾斜儀監測沉箱傾斜狀態，投入式液位計監測倉格內水位變化高差情況，通過GPS 監測沉箱拖運實時軌跡，并根據監測數據實時反饋最大傾斜角度、最大水位差及淺點位置等關鍵信息，拖輪可依據反饋信息適當調整速度或方向，保障沉箱拖運安全。

GNSS 接收器通過專用裝置固定于沉箱前墻兩端（圖7），專用裝置具有調平、調高及固定作用，專用裝置以旋轉絲扣完成安裝；數據采集導線總長度為15 m，數據接口根據儀器編號一對一連接于控制柜的一側。

圖7 沉箱拖運姿態高精度監測裝置布置圖Fig.7 Layout of high-precision monitoring device for caisson towing posture

3.4 坐標高精度轉換二次開發技術

為實現WGS84 坐標與CGCS2000 坐標高精度轉換，滿足沉箱智能安裝精度要求。根據GPS 與BDS 坐標轉換理論、施工精度及高精度算法，通過SCL 語言完成坐標格式轉換，并達到了毫米級的高精度標準，如圖8、圖9 所示，轉換數據偏差見表2。

圖8 高精度坐標轉換流程圖Fig.8 High-precision coordinate conversion flowchart

圖9 高精度坐標轉換結果對比圖Fig.9 Comparison of high-precision coordinate conversion results

3.5 沉箱高精度智能安裝技術

沉箱安裝的定位方駁提前駐位，拖輪完成沉箱拽拖并通過系泊纜繩停靠于定位方駁后，待滿足現場施工窗口后，遠程開啟電磁閥進行壓水下潛準備沉箱安裝。無人壓水過程中實時監測倉格水位、沉箱傾斜角度及沉箱移動位置。待安裝沉箱下潛期間，在相鄰已安裝沉箱頂部安裝沉箱高精度智能安裝設備。

沉箱高精度智能安裝包括沉箱位置精確調節、姿態實時監測、無人壓水等。首先通過無人壓水使沉箱下潛距基床80 cm 后關閉電磁閥，其次根據姿態監測數據開啟電磁閥精確調整沉箱漂浮姿態，確保沉箱平衡且滿足倒坡要求，最后開啟沉箱位置精調系統，通過電動絞車與GPS 實時位置信息自動完成沉箱高精度定位，根據安裝精度設置自動報警提示功能，預設沉箱傾角大于1°、前墻位置偏差大于2 cm 時自動報警，定位滿足要求后開啟沉箱中排倉格電磁閥壓水下潛，沉箱底板距基床20 cm 后關閉電磁閥，根據姿態與位置監測數據再次精確調整沉箱，滿足精度要求后，繼續開啟中排倉格電磁閥壓水使沉箱穩坐于基床。

沉箱位置精調系統主要包括電動絞車、系統電源、沉箱蓋板、絞車控制數據線、控制柜、80 cm 縫板及GPS 裝置。按照2 個直拉、2 個斜拉方向的布置原則，4 臺電動絞車分別通過螺栓固定于沉箱蓋板上，蓋板固定于已安裝沉箱頂面且緊鄰待安裝沉箱區域；GPS 通過專用裝置分別固定于沉箱前沿兩端且緊貼倉格倒角位置；電動絞車與控制柜分別通過定位方駁提供220 V 電源；絞車控制數據線總長度為20 m，數據接口按照絞車編號一對一與控制柜連接；縫板固定于已安沉箱與待安沉箱之間，控制沉箱安裝的縫寬。

3.6 水下電磁閥快速拆卸技術

水下電磁閥通過專用吊安一體裝置固定于沉箱倉格底板，并以DN110 消防水帶與沉箱進水孔連接。沉箱進水孔內端通過改造的消防快速接頭與消防水帶連接，消防水帶兩端均通過鋼帶螺紋式卡箍綁扎方式連接，前端與快速接頭外部的竹節頭連接，末端與電磁閥外接法蘭的竹節頭連接。

改造的消防快速接頭分為進水口固定接口與消防水帶待拆接口，主要是在常用的內扣式消防水帶接口的基礎上，在待拆除的接口外部設置一內徑與接口外徑一致的圓形鋼制卡箍，通過4 個螺母緊固在待拆接口處，并在右側螺母末端焊接一U 形卡槽，電磁閥進水端法蘭左側焊接鋼板+絲桿形式的固拆把手，把手穿過U 形卡槽并用螺母擰緊，防止進水過程中快速接頭出現松動，導致接頭漏水。

水下電磁閥快速拆卸技術是通過電磁閥進水端法蘭左側焊接一固拆把手，由1 根25 cm 長、4 cm 寬、1.2 cm 厚的鋼板和15 cm 長、?1.6 cm 的絲桿焊接組合而成，通過螺母與快速接頭U 形卡槽連接，壓水時可防止快速接頭旋轉松動，起到固定待拆接口的作用；拆除電磁閥時，通過起吊電磁閥，固拆把手絲桿可帶動U 形卡槽使圓形鋼制卡箍逆時針轉動，旋轉90°后即可拆除待拆接口，無需潛水作業，水下電磁閥快速拆卸過程如圖10 所示。

圖10 水下電磁閥快速拆卸過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of rapid disassembly process of underwater solenoid valve

電磁閥專用吊安一體裝置是一種電磁閥安裝拆除一體化的標準化裝置，具有電磁閥固定標準化、電磁閥安裝高度可調節、消防水管長度可調節、內扣旋轉快速安裝、防止接口松動、水下無人快速拆除等功能。裝置一體化主要是通過電磁閥閥體底部兩端不同功能的2 塊1.2 cm 厚的U 形鋼板螺栓連接而成，電磁閥專用吊安一體裝置如圖11 所示。

圖11 電磁閥專用吊安一體裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of solenoid valve dedicated lifting and installation integrated device

專用裝置主要以深水電磁閥豎向標準化安裝、水平過水、安全穩定、可微調處理為原則進行設計、加工與優化而成。

安裝模塊主要通過5 號角鋼焊接成2 個八字形支架，分別布置于電磁閥兩端，2 個支架底部通過1 m 長角鋼連接，提高支架的整體穩定性；四支腿均由2 節5 號角鋼組成，2 節長度分別為1.0 m 和0.7 m，搭接0.3 m 處通過2 個M14 螺栓緊固，2 節角鋼均設置2 節10 cm 長孔槽，可實時調節電磁閥安裝高度；電磁閥閥體通過厚1.2 cm、寬5 cm 的U 形鋼板支撐，鋼板通過螺栓與角鋼支架的頂部連接，U 形鋼板外徑寬度與法蘭盤外徑均為26 cm。

吊裝模塊主要是電磁閥閥體底部設置U 形鋼板，鋼板兩側焊接長60 cm、直徑1.6 cm 的絲桿，與線圈頂部的吊裝板螺栓連接，吊裝板中部焊接吊耳，方便電磁閥陸上移動、安裝和水下拆除，如圖12 所示。

圖12 水下電磁閥快速拆卸裝置圖Fig.12 Diagram of rapid disassembly device for underwater solenoid valve

3.7 沉箱安裝全過程數據庫技術

全過程數據庫技術主要包括：理論計算與現場實際數據反饋與計算優化的大數據技術、施工工序關鍵控制數據的連續應用與綜合反饋技術、控制平臺關鍵數據提取展示技術、安全監控云平臺技術、控制平臺數字孿生可視化技術、全過程數據監測預警存儲技術等。

安全監控云平臺技術與全過程數據監測預警存儲技術主要是通過控制柜頂部全回轉監控畫面與傳感器實時監測預警數據，實時可視化了解現場沉箱壓水、拖運及安裝過程中沉箱安全狀態。安全監控云平臺技術主要是在控制柜頂部安裝監控探頭，通過無線網橋與硬盤錄像機可遠程實時全方位了解現場狀態，云平臺可設置安全巡查、遠程語音提示及定點拍照等功能。全過程數據監測預警存儲技術主要是實現各種傳感器數據存儲、關鍵數據預警、數據處理及大數據分析等功能。

4 沉箱智能安裝系統應用

4.1 施工工藝流程

沉箱智能安裝系統施工工藝流程為：沉箱智能安裝設備校核檢驗→電磁閥安拆裝置組裝→液位計安裝→電磁閥安裝→沉箱蓋板安裝→控制柜安裝→監控攝像頭安裝→傾斜儀安裝→GPS 安裝→系統組裝→系統調試→沉箱出運智能壓水→沉箱拖運智能監測→沉箱安裝智能監控→系統整體拆除。

4.2 沉箱安裝質量

成功應用沉箱智能安裝系統安裝沉箱7 座，安裝沉箱臨水面與施工準線偏差均在3 cm 以內，接縫寬度偏差均小于2 cm，均滿足規范要求[12]，應用沉箱智能安裝系統開展沉箱出運及沉箱安裝驗收數據見表3。

表3 應用沉箱智能安裝系統安裝沉箱驗收數據Table 3 Acceptance data for caisson installation by using the caisson intelligent installation system

4.3 工序控制要點

沉箱智能安裝系統施工工序共計15 項，其工序控制要點見表4。

表4 沉箱智能安裝系統施工工序控制要點Table 4 Key points of construction process control for intelligent installation system of caissons

5 應用效果分析

5.1 可操作性分析

大型沉箱智能安裝技術集智能壓水、拖運監測及智能安裝于一體，與傳統沉箱安裝技術相似，但與傳統技術相比減少了操作工序，無需人工開關閥門壓水、測量倉格水位、拖運最終調平、安裝前加水下潛及測量定位等。關鍵數據偏差預警及可視化高精度安裝避免了人工潛水檢查沉箱安裝質量，其他工序均減少了現場人工操作的影響，安裝精度與施工質量更容易得到保障。且電磁閥安拆可達到標準化、沉箱壓水可實行無人化、智能安裝可實現信息化、施工精度可做到可視化，工序銜接更靈活，施工操作更方便。

5.2 經濟性分析

大型沉箱智能安裝技術可確保沉箱安裝一次精度要求，無需抽水起浮再次安裝；合理減少施工工序，提升了施工效率，節約了船機設備使用時間，有效減少了碳排放；與傳統沉箱安裝相比節省了現場人力資源投入；全過程數據可視化監控，確保了各工序的施工質量，有效減少了人為因素造成的返工損失。經濟性綜合分析參數見表5。

表5 大型沉箱智能安裝技術經濟性指標Table 5 Technical and economic indicators for intelligent installation of large caissons

5.3 安全性分析

大型沉箱智能安裝技術有效提高了沉箱壓水精度，強化了拖運全過程的安全監測，合理縮短了外海作業時間，減少了船機設備使用時間，有效減少了沉箱出運安裝較大及以上安全風險源；現場施工實現了作業少人化、無人化操作，基本解決了外海人員密集作業、臨邊高空作業等常態化重大安全風險難題；沉箱出運全過程監測數據的預警反饋標準化流程，科學避免了因沉箱壓水精度不到位或者浮游穩定性差而造成的外海失穩傾覆等重大安全風險源；沉箱安裝高精度監測控制技術，提升了沉箱安裝的一次合格率，合理消除了水深流大、周邊炸礁頻繁等惡劣施工環境下，潛水拆除電磁閥、潛水檢查沉箱安裝質量等重大安全風險源。

6 結語

1） 搭建了大型沉箱浮游穩定性驗算、壓水監控、拖運監測及智能安裝于一體的可視化監控平臺，采用投入式液位計、雙軸傾斜儀、GPS、深水電磁閥、建筑信息模型（BIM）、無線網絡技術等全過程實時采集、傳輸和展示數據，可視化動態監控沉箱出運安裝關鍵數據，實現了沉箱出運安裝全流程信息化。

2） 實現了大型沉箱出運安裝外海施工少人化或無人化作業，采用全過程監控系統有效解決了沉箱出運無人化難題、減少了沉箱安裝作業人員，合理取消了部分施工工序，提升了沉箱出運安裝綜合效率，降低了部分外海作業重大安全風險源。

3） 研發了電磁閥水下無潛水快速拆卸技術，設計了電磁閥安拆一體裝置、快速拆除接頭和進水口防松裝置等，解決了電磁閥安裝高度無法調節、進水口接頭松動、無潛水拆卸、進水口與電磁閥連接消防水帶不彎曲條件下電磁閥可拆卸等難題。

4） 采用了二次開發技術對WGS84 與CGCS2000坐標進行高精度轉換，開發了GPS 與BDS 坐標轉換的SCL 語言程序代碼，形成了適用于沉箱安裝的高精度毫米級坐標信息，解決了轉換程序保密及轉換數據不連續等難題。

5） 解決了沉箱出運安裝數據全過程采集、存儲、分析、傳輸、預警、反饋、處理的及時性與精確性問題，實現了數據傳輸、預警、反饋、處理自動化，具有及時消除安全隱患、降低安全事故概率、提升了沉箱出運安裝風險管控能力，同時具有溯源監管功能，起到了全面檢查和指導的作用。