外海無掩護(hù)條件下預(yù)制蓋板和靠船構(gòu)件分體安裝精度控制

柳延江，遲速，姜興偉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

0 引言

在茂名港吉達(dá)港區(qū)東二港池1 號(hào)、2 號(hào)液體散貨泊位工程沉箱預(yù)制蓋板和靠船構(gòu)件的安裝過程中，對安裝精度控制方法進(jìn)行研究，制定了相應(yīng)的控制措施，大幅度提高了安裝精度。此類沉箱蓋板及靠船構(gòu)件安裝施工工藝在國內(nèi)已廣泛應(yīng)用，但在外海無遮掩水域環(huán)境下進(jìn)行圓沉箱重力式碼頭預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件分體安裝應(yīng)用較少，本文研究成果可為以后同類工程提供借鑒和參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

茂名港吉達(dá)港區(qū)東二港池1 號(hào)、2 號(hào)液體散貨泊位工程主要內(nèi)容為建設(shè)2 個(gè)5 萬噸級(jí)液化烴泊位及配套設(shè)施，由北向南依次為1 號(hào)、2 號(hào)液體散貨泊位，碼頭[1]泊位[2]為蝶形布置形式，重力獨(dú)立墩式結(jié)構(gòu)，碼頭總長596 m，共計(jì)9 個(gè)平臺(tái)墩、6 個(gè)系纜墩，4 個(gè)碼頭平臺(tái)分別通過4 座引橋與后方擬建公用管廊相接，引橋長均為13.4 m，平臺(tái)墩至引橋安裝預(yù)應(yīng)力空心板，系纜墩與平臺(tái)墩之間安裝鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)橋，見圖1[2]。圓沉箱上部預(yù)制蓋板安裝60 塊，單塊最大吊重為382 t，靠船構(gòu)件預(yù)制安裝18 個(gè)，單個(gè)吊重為25 t[3-4]。

圖1 碼頭模型圖Fig.1 Model diagram of the dock

1.2 工程水文條件

1.2.1 潮汐及水位

1） 基準(zhǔn)面關(guān)系

高程基面采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妗Ｃ鄣睦碚撟畹统泵嬖?5 國家高程基準(zhǔn)下1.18 m，如圖2 所示。

圖2 基準(zhǔn)面換算關(guān)系圖Fig.2 Datum conversion diagram

2） 潮汐及設(shè)計(jì)水位

本海區(qū)潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，一般潮差約1.0～1.5 m。

工程設(shè)計(jì)水位為：設(shè)計(jì)高水位3.32 m；設(shè)計(jì)低水位0.46 m；極端高水位4.75 m；極端低水位-0.44 m。

3） 乘潮水位

歷時(shí)2 h 保證率90%的乘潮水位為1.90 m。

1.2.2 波浪

1 號(hào)、2 號(hào)泊位重現(xiàn)期10 a 設(shè)計(jì)波浪要素表見表1。

表1 碼頭前沿設(shè)計(jì)波浪要素表（重現(xiàn)期10 a）Table 1 Wave elements of terminal front design(10 years recurrence)

1.2.3 海流

工程海域潮流呈往復(fù)流，灣內(nèi)漲潮流自東向西，落潮流自西向東；工程附近海域大潮平均流速約0.13 m/s，最大流速約0.25 m/s。

1.3 首個(gè)構(gòu)件安裝時(shí)氣象水文條件

1） 首座沉箱預(yù)制蓋板安裝

每座沉箱安裝4 塊預(yù)制蓋板，首座沉箱預(yù)制蓋板安裝施工條件為：2022 年5 月17 日，天氣晴，東北風(fēng)3～4 級(jí)，浪高0.5～0.6 m，波周期9～10 s，潮位1.3～3.6 m。因沉箱頂標(biāo)高為+3.40 m，預(yù)制蓋板安裝過程中需趁潮位+3.40 m 以下。

2） 首個(gè)靠船構(gòu)件安裝

首個(gè)靠船構(gòu)件安裝施工條件為：2022 年7 月12 日，天氣晴，東北風(fēng)3～4 級(jí)，浪高0.3～0.4 m，波周期8～11 s，潮位1.3～2.4 m。靠船構(gòu)件安裝過程中，為減少波浪對靠船構(gòu)件沖擊影響，需趁低潮+2.0 m 以下施工。

1.4 施工特點(diǎn)

1） 本項(xiàng)目地處亞熱帶季風(fēng)氣候帶，4—5 月受西南季風(fēng)、10—11 月受東北季風(fēng)影響較為嚴(yán)重，每年臺(tái)風(fēng)集中在6—9 月，施工水域波長較長（一般為20～30 m），波周期長（一般為9～10 s），涌浪高度多數(shù)為0.6 m 以上，每月有效施工時(shí)間僅有10 d。本工程屬于外海無掩護(hù)施工水域，相鄰在建防波堤工程未對本工程形成有效掩護(hù)，見圖3，因此給海上構(gòu)件運(yùn)輸?shù)跹b帶來極大困難[5]。

圖3 總平面布置圖Fig.3 General layout

2） 預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件安裝精度要求高，在安裝過程中受預(yù)留鋼筋影響，安裝精度不易保證。

3） 預(yù)制蓋板安裝后受波浪浮托力的影響，穩(wěn)定性較差，需及時(shí)采取臨時(shí)加固措施并盡快澆筑接縫混凝土，將4 塊蓋板澆筑成整體。

4） 靠船構(gòu)件安裝后受波浪作用，引起靠船構(gòu)件不穩(wěn)定，需采取臨時(shí)穩(wěn)固措施，保證接縫混凝土澆筑后靠船構(gòu)件與蓋板能夠形成整體，見圖4。

圖4 預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件分體安裝BIM 圖Fig.4 BIM diagram of splitting installation of prefabricated cover plate and berthing components

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

1） 本工程靠船構(gòu)件位于預(yù)制蓋板側(cè)邊，見圖5，因整體形狀的不規(guī)則性不便于整體預(yù)制、出運(yùn)吊裝，整體安裝重心偏外，受波浪浮托力影響較大，不利于構(gòu)件安裝完成后的整體穩(wěn)定性控制，故預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件采用分體預(yù)制、分體吊裝施工工藝。

圖5 預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件立面圖（mm）Fig.5 Elevation view of prefabricated cover plate and berthing components（mm）

2） 原設(shè)計(jì)預(yù)制蓋板十字縫寬度為0.65 m，外伸鋼筋直徑為?25 mm，長度為200 mm，間距為150 mm，沉箱外伸鋼筋直徑為?16 mm，高度為500 mm，間距為200 mm。考慮到預(yù)制蓋板安裝時(shí)相鄰蓋板外伸鋼筋以及與沉箱外伸鋼筋位置沖突影響，故變更十字縫寬度為1.65 m，外伸鋼筋直徑為?20 mm，長度為1 610 mm/740 mm，滿足搭接綁扎長度，間距為200 mm，見圖6、圖7，減少了外伸鋼筋的相互影響，從而使安裝精度控制得到進(jìn)一步保障。

圖6 十字接縫變更前立面圖（mm）Fig.6 Cross seam change front elevation（mm）

圖7 十字接縫變更后立面圖（mm）Fig.7 Cross seam change rear elevation（mm）

3） 預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件采用分體預(yù)制安裝，使得預(yù)制蓋板重心向沉箱內(nèi)側(cè)偏移，見圖8、圖9，圖中左側(cè)前沿蓋板由6.664 m 變?yōu)?.419 m，提高了預(yù)制蓋板安裝后的穩(wěn)定性。

圖8 重心變化前平面圖（m）Fig.8 Plan of centre-of-gravity before change（m）

圖9 重心變化后平面圖（m）Fig.9 Plan of centre-of-gravity after change（m）

3 預(yù)制蓋板安裝施工工藝

3.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→蓋板上駁→水上運(yùn)輸→吊裝蓋板→焊接加固→下一塊蓋板安裝→接縫處混凝土澆筑。

3.2 施工方法

3.2.1 施工準(zhǔn)備

沉箱內(nèi)回填完成后，及時(shí)澆筑封倉混凝土，頂面進(jìn)行找平處理，高差控制在±2 cm，澆筑完成后在封倉混凝土上頂面確定蓋板安裝位置，并安裝限位，安裝時(shí)應(yīng)注意預(yù)埋錨板的錨固深度以及封倉混凝土強(qiáng)度、厚度。預(yù)制蓋板裝船前應(yīng)提前編號(hào)，并根據(jù)蓋板水平方向甩筋判別安裝方向。

3.2.2 預(yù)制蓋板上駁與水上運(yùn)輸

用600 t 起重船將預(yù)制蓋板[4]由出運(yùn)碼頭吊裝至1 800 t 自航方駁上，然后水上運(yùn)輸至預(yù)制安裝位置。1 800 t 方駁甲板面積64 m×14 m，每次運(yùn)輸1座沉箱頂部的4 塊預(yù)制蓋板，下方墊木枋，蓋板兩側(cè)設(shè)型鋼斜撐限位。

3.2.3 吊裝工裝件

蓋板吊裝時(shí)設(shè)置4 組工裝件，每組工裝件設(shè)置4 根?84 圓鋼吊桿。每組吊桿底部與預(yù)制蓋板內(nèi)的預(yù)埋錨板螺栓連接，頂部絲扣連接固定在箱梁上，吊桿采用無縫鋼管密封加固，預(yù)制蓋板安裝后可拆出吊桿重復(fù)利用，見圖10。工裝件在加工過程中應(yīng)對套管與錨板的相對位置精密控制，確保吊桿能夠順利擰入錨板并與上方鋼箱梁相連接。吊裝前檢查吊桿的擰入深度≥6 cm，滿足要求后方可進(jìn)行吊裝作業(yè)。

圖10 工裝件示意圖（mm）Fig.10 Schematic diagram of tooling（mm）

施工前充分考慮到前沿2 塊預(yù)制蓋板的精度要求更高以及預(yù)制蓋板甩筋對最后一塊預(yù)制蓋板安裝的不利影響，故先依次安裝2 塊前沿蓋板，再依次安裝2 塊后沿蓋板。安裝時(shí)，注意相鄰預(yù)制蓋板的側(cè)向預(yù)留鋼筋與沉箱隔墻外伸鋼筋位置避開，局部鋼筋位置微調(diào)。為避免波浪浮托力對已安裝完成的蓋板整體穩(wěn)定造成影響，4 塊蓋板安裝完成后，將預(yù)留水平直筋綁扎搭接，頂層預(yù)留筋與沉箱隔墻外伸鋼筋焊接加固，每個(gè)接縫面焊接6 道，焊接長度均不小于10d，以保證預(yù)制蓋板穩(wěn)定性。

3.2.4 接縫混凝土澆筑

為保證蓋板安裝后的整體穩(wěn)定，預(yù)制蓋板安裝完成后應(yīng)及時(shí)澆筑接縫混凝土。考慮到接縫前沿模板和底模支模受波浪和潮位影響較大，同時(shí)支立模板時(shí)間較長[6]，為了盡快將4 塊蓋板中心部位現(xiàn)澆成整體，故采取了2 次澆筑的施工方法，第1 次先澆筑中間部分，即蓋板接縫預(yù)留1.5 m端頭，見圖11，第2 次澆筑端頭混凝土。

圖11 接縫混凝土澆筑Fig.11 Joint concrete pouring

3.2.5 精度控制研究

1） 限位控制。預(yù)制蓋板安裝前，將加工好的雙拼槽鋼與封倉混凝土內(nèi)預(yù)埋的錨板進(jìn)行焊接加固，通過限位來調(diào)節(jié)預(yù)制蓋板的安裝位置，從而達(dá)到一定的精度控制，施工過程中應(yīng)注意錨板材料及強(qiáng)度、焊接質(zhì)量滿足施工要求。

2） 海況作業(yè)條件選擇。通過首座沉箱預(yù)制蓋板安裝典型施工總結(jié)，確定了預(yù)制蓋板安裝作業(yè)海況：浪高≤0.5 m；風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)或東南風(fēng)；風(fēng)力等級(jí)≤4 級(jí)。

3） 船舶駐位。由于受已安裝沉箱的影響，起重船必須垂直于碼頭前沿線和波浪方向駐位，起重船抵抗涌浪能力較弱，因此，在施工過程中起重船在滿足下錨條件的同時(shí)盡可能斜向駐位，減小預(yù)制蓋板在安裝過程中的起浮晃動(dòng)。

4 靠船構(gòu)件安裝施工工藝

4.1 工藝流程

施工準(zhǔn)備→靠船構(gòu)件上駁→水上運(yùn)輸→吊裝靠船構(gòu)件→焊接加固→接縫混凝土澆筑。

4.2 施工方法

4.2.1 施工準(zhǔn)備

吊裝系統(tǒng)的組成：主鋼絲繩（?26 mm，L=8 m）+輔鋼絲繩（?26 mm，L=5 m）+龍門架+10 t 手拉葫蘆+工裝件。靠船構(gòu)件[5]安裝前，需提前處理待安裝位置的預(yù)制蓋板外伸筋，預(yù)留出吊桿安裝及手拉葫蘆安裝位置。

4.2.2 靠船構(gòu)件上駁與水上運(yùn)輸

靠船構(gòu)件吊放在平板車上并采用手拉葫蘆將靠船構(gòu)件與板車相連，臨時(shí)加固；使用方駁吊機(jī)將靠船構(gòu)件吊裝至方駁，水上運(yùn)輸至待安裝位置。

4.2.3 初步安裝

利用75 t 方駁吊機(jī)起吊主鋼絲繩，將靠船構(gòu)件緩慢吊放入水中移至待安裝位置下方，水的阻力能夠有效減少靠船構(gòu)件的晃動(dòng)。4 根輔助鋼絲繩通過16 mm 纖維繩連接在一起，與方駁吊機(jī)輔鉤連接，人工將輔助鋼絲繩拉起，利用卡環(huán)與32號(hào)工字鋼扁擔(dān)梁連接，摘掉主鋼絲繩[7]。

4.2.4 二次提升

采用方駁吊機(jī)將龍門架吊放至靠船構(gòu)件上方，龍門架放置10 t 手拉葫蘆，手拉葫蘆與構(gòu)件頂面吊點(diǎn)連接。人工利用手拉葫蘆二次提升靠船構(gòu)件，以靠船構(gòu)件頂面與預(yù)制蓋板底面平齊為準(zhǔn)。

4.2.5 工裝件安裝

手拉葫蘆提升靠船構(gòu)件完成后，將工裝吊桿（長4 164 mm，?36 mm 螺栓）從靠船構(gòu)件頂面向下穿入（靠船構(gòu)件預(yù)先埋設(shè)錨板）。使用活動(dòng)扳手，將吊桿擰入底層錨板M36 螺母內(nèi)，擰入深度至少為30 mm，共8 件。吊桿安裝完成后，從吊桿套入中層定位架。中層定位架安裝完成后擰入M36螺母固定，見圖12。

圖12 工裝件安裝完成圖Fig.12 Tooling installation completion drawing

4.2.6 接縫混凝土澆筑

靠船構(gòu)件安裝完成后，及時(shí)調(diào)整位置及焊接限位，隨后焊接接縫鋼筋，支立模板，澆筑接縫混凝土。

4.3 精度控制

1） 為解決靠船構(gòu)件受潮水涌浪影響后產(chǎn)生晃動(dòng)，澆筑混凝土后，混凝土無法與鋼筋有效連接牢固等問題，采用2 種方法組合加固靠船構(gòu)件，具體方法為：通過10 號(hào)槽鋼一端與靠船構(gòu)件外伸筋焊接，一端與預(yù)制蓋板外邊緣連接，南北及東側(cè)各焊接2 個(gè)10 號(hào)槽鋼，加固靠船構(gòu)件；預(yù)制蓋板開口處底面預(yù)留筋與靠船構(gòu)件外伸筋相互焊接，使靠船構(gòu)件與預(yù)制蓋板連接，與槽鋼加固方式共同加固靠船構(gòu)件，使靠船構(gòu)件平面位置及標(biāo)高不發(fā)生變化，見圖13。

圖13 靠船構(gòu)件限位加固布置圖Fig.13 Limit reinforcement layout of the berthing components

2） 標(biāo)高控制：龍門架放置完成后，手拉葫蘆與靠船構(gòu)件吊點(diǎn)相連，通過提升手拉葫蘆進(jìn)而提升靠船構(gòu)件，每個(gè)吊點(diǎn)配備1 個(gè)手拉葫蘆，靠船構(gòu)件四角均可自由調(diào)節(jié)高度，從而達(dá)到一定的精度控制。

3） 通過首個(gè)靠船構(gòu)件安裝完成后典型施工總結(jié)，確定了安裝作業(yè)海況：浪高≤0.3 m；風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)或東南風(fēng)；風(fēng)力等級(jí)≤4 級(jí)。

5 施工效果及工效分析

1） 施工效果

通過設(shè)計(jì)方案的整體優(yōu)化，吊裝工裝件設(shè)計(jì)與研究，以及安裝施工限位吊索具的不斷優(yōu)化比選，并選擇適宜的海況施工條件，嚴(yán)格按照施工方案、安全技術(shù)交底內(nèi)容進(jìn)行預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件分體安裝施工，預(yù)制蓋板安裝位置最大偏差為5 cm，即滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求≤7 cm，靠船構(gòu)件安裝前沿邊線最大偏差為9 mm，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求≤1 cm，均達(dá)到了預(yù)期效果[7]。

2） 工效分析

選擇適宜海況條件下，預(yù)制蓋板安裝工效為4 h/座，即1 h/塊，靠船構(gòu)件安裝工效為4 h/個(gè)。

6 施工控制重點(diǎn)及改進(jìn)措施

1） 在預(yù)制蓋板安裝過程中發(fā)現(xiàn)蓋板限位剛度不足，每塊蓋板安裝時(shí)蓋板限位均受到不同程度的損壞，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)控制封倉混凝土的強(qiáng)度和厚度，預(yù)埋件的強(qiáng)度剛度及埋深。

2） 在靠船構(gòu)件安裝過程中發(fā)現(xiàn)鋼筋接長采用焊接方式施工周期較長，可采用直螺紋套筒施工工藝，施工過程中應(yīng)對直螺紋絲扣進(jìn)行保護(hù)并加強(qiáng)現(xiàn)場連接的質(zhì)量控制和檢測復(fù)核，工藝變更后大大提高了施工工效。

7 結(jié)語

預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件分體安裝是碼頭主體建設(shè)最重要工序之一，通過對預(yù)制蓋板與靠船構(gòu)件分體安裝工藝的研究，有效縮短了施工時(shí)間，節(jié)約了施工成本，為后續(xù)外海無掩護(hù)施工水域預(yù)制構(gòu)件安裝提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。