重力式碼頭施工本質安全管理技術創新研究及應用

楊明，張全林

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

本質安全一詞，從煤礦工程中安全型電氣設備的解釋演繹擴展而來，狹義來講是指機器、設備本身所具有的安全性能[1]；在工程建設項目上廣義來講指生產流程中的“人、機、法、環、管理”表現出的系統性的安全性能，即是針對工序內容及作業環境特點，通過技術策劃及設計等手段優化設備資源配置及施工工藝、工法，使各種危害因素始終處于受控制狀態，使整個系統安全可靠。技術的進步與創新對于本質安全管理帶來的推動既是形勢上的要求，更是深層次的本質安全管理需求。

隨著國家加快建設交通強國、西部陸海新通道戰略實施，“平安百年品質工程”成為水運工程建設的新目標、新要求，對水運工程建設項目的本質安全管理提出了全面、高標準的要求[2]。沉箱重力式碼頭施工過程中存在著水下作業、大型沉箱預制、出運、安裝、胸墻臨水作業等施工內容，具有作業難度大、安全風險多的特點[3]。本文以欽州港大欖坪港區自動化集裝箱泊位的關鍵工序施工技術創新為例，論述技術創新對本質安全帶來的提升及保障，具有較高的通用性和工程實用性，在同類工程中可推廣應用。

1 工程背景

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為沉箱重力式結構，沉箱尺寸23.94 m×15.8 m×21 m，重約3 600 t[4]。工程位于欽州保稅港區內的南端，是國家西部陸海新通道的重點建設項目，是打造北部灣國際門戶港的關鍵工程，見圖1。

圖1 欽州港9 號、10 號泊位BIM 效果圖Fig.1 BIM rendering of No.9 and No.10 berths of Qinzhou Port

2 “2.0 版本沉箱預制場”創新技術

國家港口建設已向著大型化、深水化的趨勢發展，沉箱作為重力式碼頭最關鍵的預制構件，其結構尺寸逐步向大型化發展。針對沉箱預制傳統施工工藝高空作業多、作業人員多的特點，在預制場場建設計、沉箱預制關鍵技術、沉箱移運方面進行工藝優化及創新，通過基礎設施升級、關鍵設備研發及工藝設計有效保障了沉箱預制安全生產。

2.1 預制場場建設計方面

預制場采用流水線生產布局，針對傳統沉箱生產中的移運風險大、鋼筋加工工序雜、拌和站風阻大等安全問題，對沉箱預制橫縱移區、鋼筋加工車間、拌合站等關鍵場建進行了設計創新。

1） 橫移軌道對稱布置保證沉箱移運穩定

傳統形式的預制平臺采用多平臺組合形式，單個平臺橫移軌道間距8 m，相鄰平臺軌道間距12 m。跨平臺進行沉箱預制時，受軌道間距分布不均影響，沉箱橫移時各軌道受力不均衡、臺車易損壞且存在沉箱位移甚至傾覆風險。本次設計將橫移軌道全部按10 m 等間距布置，如圖2 所示，消除跨平臺布置預制臺座時軌道不對稱帶來的受力不均限制，大大提高了沉箱橫移的安全性。

圖2 橫移軌道均勻布置圖Fig.2 Uniform arrangement of traversing tracks

2） 智能化鋼筋加工車間減人增效

傳統鋼筋加工由剪切機、對焊機、彎曲機組合成流水線，下料、配料、生產等各步驟均由人工控制，生產交叉且需要人工較多。本項目采用智能聯動生產線，應用“一航鋼筋”翻樣軟件下料控制，按“先對焊、后剪切彎曲、再移運”進行工藝技術創新。通過自動化下料設計，固定并合并了作業流程，減少操作人員，降低作業強度，實現了本質安全管理的提升，如圖3 所示。

圖3 鋼筋智能加工工藝流程圖Fig.3 Flow chart of intelligent processing process of steel bars

3） 拌和站基礎穩根固基

傳統拌和站基礎采用擴大承臺基礎，防風防臺能力不足，需設置斜向防風鋼索進行加固。正常生產中防風鋼索也易與進出車輛、人員發生碰撞，安全管控風險點多。本項目創新采用PHC 樁基礎設計，加強拌和站抗風抗傾覆能力，經計算可抵抗12 級臺風，實際生產過程中經歷了2021年第22 號臺風“雷伊”臺風的襲擊，現場風力為10 ～11 級。同時取消了防風鋼索，消除了鋼索在日常生產中帶來的安全隱患。

通過以上3 個方面可以看出，通過場建基礎設施的創新設計，在沉箱移運、鋼筋加工、拌和站管理等環節實現了本質安全提升。

2.2 沉箱預制關鍵技術方面

1） 沉箱分段預制高度設計創新

本工程沉箱高度21 m，按傳統工藝分6 段（底段3 m，標準段3.6 m）進行預制。為提升預制速度，減少預制段數，本項目將原標準段3.6 m加高至4.5 m，單座沉箱由傳統的分6 段預制減少為分5 段預制。通過前期工藝創新設計，成批量減少了鋼筋、模板吊裝作業及人員高空作業等內容，從作業數量上減少了人的不安全行為、物的不安全狀態的產生。

2） 沉箱鋼筋分段綁扎整體吊裝技術創新

沉箱作為承受碼頭重要荷載的關鍵構件，鋼筋的使用量很大，本工程單個沉箱用量達240 t。傳統沉箱預制鋼筋綁扎外墻、長隔墻鋼筋采用分片綁扎吊裝方式，短向隔墻鋼筋采用高空人工穿筋作業，存在吊車吊人穿筋高空作業、網片吊裝整體結構不穩定等風險。本項目設立地面綁扎臺座，設計專用吊裝架，加大起重設備能力，實現分段鋼筋整體吊運，如圖4 所示。與傳統工藝比較，鋼筋綁扎由高空轉至地面作業，取消吊車吊人穿筋工序，消除高空作業風險；鋼筋安裝由6次吊裝+穿筋作業縮減為1 次吊裝完成，減少了起重吊裝作業頻次[5]。

圖4 鋼筋整體吊裝施工圖Fig.4 Construction drawing of integral lifting of steel bars

3） 沉箱模板全平臺防護

傳統沉箱內芯模板由井字架+模板組合成整體結構，底段內芯井字架無頂面鋼板，標準段內芯井字架和模板間存在上下空擋，人員在平臺上作業存在墜落風險。本項目創新在底段、標準段模板上增加了鏤空防護蓋板和可調節式護欄，作業平臺全封閉，實現了混凝土澆筑、模板安拆過程人員操作便捷、平穩安全，保障了施工全過程的安全。

4） 沉箱智能噴淋系統技術

沉箱因尺寸大、高度高，養護難度較大，傳統采用人工頻繁登平臺灑水養護，操作難度大，作業風險高。本項目采用“自動控制噴淋技術”，可通過計算機端及手機APP 遠程、定時自動操控，減少了養護人員，基本消除了高處作業，達到了降低作業風險、消除安全隱患的效果[6]。

2.3 沉箱移運關鍵技術方面

沉箱移運是沉箱由陸上運至水上的關鍵工序，傳統沉箱出運多采用步履頂推臺車或卷揚機牽引氣囊移運工藝。步履頂推臺車工藝步驟繁多，包含布頂、頂升、臨時支墊、軌道槽蓋板拆除、臺車就位、二次頂升、支墊拆除、沉箱上車并橫移、三次頂升落座等9 道工序，操作人員需在半封閉坑槽中作業，作業風險較大。氣囊移運工藝，通過對橡膠氣囊均勻的加壓、滾動實現沉箱的頂升移運，技術控制點多，沉箱失穩的風險較大。

本項目創新應用電驅頂運一體臺車移運大型沉箱技術，整合傳統步履式頂推工藝9 道工序為“頂、移、落”1 道工序，減少作業人員與工序，消除人員半封閉坑槽內作業風險。對比氣囊移運工藝，車體模塊化設計，電驅動多臺車間隔驅動，實現穩定、可靠的同步行走功能，提高對軌道接頭高差的適應能力，大大提高了緊急情況下的設備安全保證率[7]。

3 水上水下施工技術創新應用

3.1 深水基床拋石振平一體船技術

基床位于沉箱底部，水深較大，傳統施工包含基床拋石、夯實、整平3 道工序，其中整平工序需要潛水員水下進行作業，作業效率低，受炸礁施工、深水條件、潮汐的影響存在較大安全風險。本項目采用拋石振平工藝，如圖5 所示，取消了潛水人員作業，規避了水深流大、炸礁施工等環境影響，徹底消除了潛水作業安全風險[8]。

圖5 拋石振平一體船施工圖Fig.5 Construction drawing of rock throwing and leveling integrated ship

3.2 大型沉箱智能安裝技術

沉箱安裝是碼頭工程施工的關鍵工序，傳統沉箱出運依靠人工開啟閥門注水，人工測繩監控倉格水位的方式，確保沉箱穩定吃水。沉箱安裝過程受風浪、船舶拖帶力、海流等影響，在沉箱上的作業人員對沉箱吃水、姿態變化情況反應慢，技術控制點多，安全風險較大。

本項目創新研發智能安裝技術，實現沉箱倉格壓水智能控制及拖運過程水位智能監測，規避了人工測量的操作誤差，有效保障了沉箱浮游穩定的關鍵技術參數安全可靠。同時該技術通過電絞車自動調整沉箱安裝位置，減少了沉箱上的作業人員，實現了工藝的本質安全。

4 趁潮臨水施工技術創新

臨水、臨邊作業是碼頭工程施工的重要特征，特別是在現澆胸墻、護輪坎等施工中，需要趕潮水、看天氣組織施工，鋼筋、模板、混凝土等施工均存在臨水、臨邊作業風險。本項目結合胸墻、護輪坎結構形式，對胸墻模板、護輪坎結構進行了技術創新，消除、降低了作業風險。

通過“止水鋼箱+組合式可調模板”工藝，實現了胸墻護舷口干作業條件下的快速支拆模板，縮短了人員臨水作業時間；創新設計1 種鋼管三腳架支撐平臺，將胸墻模板操作平臺、支撐加固體系一體化，保障了人員操作空間和安全防護，大大降低了人員落水風險。

進行裝配式護輪坎技術創新，進行工廠化的預制作業，固定了作業環境，提高了安全管理標準化水平；將傳統鋼筋、模板、混凝土臨邊作業，轉化為陸上安裝預制塊體作業，大大提高了安全保障性。

5 數字化創新技術應用

5.1 船舶調度監控中心應用

本工程水上水下作業工序多，施工現場作業船舶多，存在炸礁船、挖泥船、泥駁、拋石船、拖輪、定位方駁等9 種類型船舶同時作業的情況，作業高峰時段18 艘船舶同時作業，極易出現船舶碰撞等安全問題。本項目創新應用了船舶調度監控系統，通過高清鷹眼攝像頭實時展現水上船舶作業動態，并可同時顯示潮流、氣象預報，通過AIS 技術監控船舶歷史軌跡，有效地保證了船舶調度指揮的前瞻性、及時性、可追溯性。實現了挖泥、炸礁、拋石振平、沉箱安裝等一系列工序的可視化調度，提前進行計劃安排，保證了施工區域內的船舶作業安全。

5.2 BIM 數字化模擬技術

開展“BIM 技術在重力式碼頭施工中的應用”技術課題創新，首次實現了施工與設計的聯合建模，開展模型展示、碰撞檢查、數字孿生監控、方案模擬等16 項應用，形成了1 套設計與施工模型互通的合理方案，提升了工程安全管理。

模型展示重點包含了工序可視化交底，通過對沉箱預制、現澆胸墻臨水施工等進行可視化模擬交底，直觀地反映了操作的全過程，提升了作業人員對各項操作要點的理解，提高了作業人員自我安全意識，大大減少了人的不安全行為[9]。通過方案模擬，展示了各時段內各類船舶設備的作業數量、位置，保證了實施過程中現場船舶安全作業。通過碰撞檢查確定鋼筋整體吊裝施工過程中的吊索具、吊裝架、鋼筋網架、內芯模板的位置，如圖6 所示，排除了存在沖突的可能，實現了精細化的安全管理。

6 應用效果

欽州港大欖坪港區大欖坪南作業區9 號、10號工程的實施，以問題為導向，從工程之初便確定了技術創新與安全管理并行的理念，在各項工序施工過程中開展技術創新并不斷改進攻關，對比傳統施工工藝消除或減少了作業風險，一定程度上降低了沉箱重力式碼頭工程安全管理的難度，有效提升了工程施工本質安全，保障了工程施工順利進行。

7 結語

安全管理是工程施工的重要組成部分，本文通過分析重力式碼頭中關鍵工序安全管理的重難點，結合欽州港大欖坪港區自動化集裝箱泊位的具體案例，從技術創新的角度介紹了在預制場基礎設施建設、沉箱預制關鍵技術、沉箱基床及浮運安裝施工技術、臨水施工、數字化施工技術等方面取得的安全管理成果，通過技術工藝創新降低了施工安全風險，用數字化設施設備的投入提升了項目安全管理水平，也為類似工程項目積累了可靠經驗。