一種大型箱涵海底安裝技術在港口工程中的應用

引言

箱涵，是一種常見的排水或輸水構筑物，其主要功能排水、輸水（取水或引水）；同時，箱涵可以作為交通通道（在某些情況下，箱涵可作為行人或小型車輛的通道，如穿越鐵路或公路障礙物時）[]，也可以保護管線（可用于保護地下管線，如電力通信、燃氣等管線可敷設在箱涵內，避免受到外界因素破壞）。

然而，本項目（溫州液化天然氣（LNG）接收站項目配套碼頭工程）的箱涵分為取水箱涵和排水箱涵，其功能分別為取（引）水和排水。其中，取水箱涵布設在海水泵房靠海側墻體；排水箱涵布設在距離海水泵房約 200m 的臨近岸側海域。海水泵房的主要作用有兩個，一是氣化LNG，海水通過取水箱涵進入海水泵房后，海水泵房內的海水泵將海水抽到氣化器中，利用海水的熱量給低溫液化天然氣加熱，讓液化天然氣氣化成常溫的天然氣，這樣才能通過管道輸送到下游用戶那里；二是保障消防用水，在緊急時刻，海水泵房通過取水箱涵引入的海水，為港區消防水罐提供應急補水，因為海水取之不盡，在發生火災等緊急情況時，能為消防系統提供充足的水源，幫助滅火，保障碼頭設施和人員安全。

另外，海水泵房及港區水系統的循環海水或無條件再次利用的海水，通過排水箱涵排出。

1總平面布置

本工程海水泵房為半地下式鋼筋混凝土結構，海水泵房靠海側墻體預留兩個取水孔洞（取水口），取水箱涵與之連接，取水箱涵為鋼筋混凝土結構，取水箱涵外觀尺寸為5m×3m×13.2m 和 13.7m ，取水頭外觀尺寸為 5m×3.2m× 13.9m ，另增加 2m 高的隔柵防止海里雜物進入。

排水箱涵為鋼筋混凝土結構，排水箱涵外觀尺寸為 5.2m× 3.2m×13.7m ，排水頭（喇叭口）外觀尺寸為 5.2m×3.2m× 13.7m 。排水箱涵布設在距離海水泵房約 200m 位置，并與跌水井的排水口連接。

取水箱涵與排水箱涵均安裝在海水水面以下（海底）。總平面布置如圖1所示。

圖 ¹ 總平面布置圖

2總體部署

2.1主要施工內容

箱涵安裝內容主要包括取水箱涵、排水箱涵及其輔助設施等。其中，安裝排水箱涵5節，單節重量 296t ，排水箱涵頭部1節，單節重 304 t；安裝取水箱涵4節（2個取水門洞，每個2節），單節重量231t，安裝取水頭2節（2個取水系統，每個1節取水頭），單節重量 299t 根據構件重量和吊距，采用350t固定扒桿起重船到場進行水上吊裝作業。采用抓斗船進行基床清礁整平。箱涵運輸采用2000t自航甲板駁。箱涵數量與重量表見表1。

表1箱涵數量與重量表

取水箱涵分節如圖2所示；取水箱涵典型斷面如圖3所示；取水箱涵（取水頭）典型斷面如圖4所示；排水箱涵分節與剖面如圖5所示；排水箱涵典型斷面如圖6所示。

圖2取水箱涵分節圖（單位：mm）

圖3取水箱涵典型斷面圖（單位： mm ）

圖5排水箱涵分節與剖面圖（單位： mm ）

圖6排水箱涵典型斷面圖（單位： mm ）

2.2箱涵預制及運輸路線

2.2.1預制場地

箱涵預制場地選擇在施工現場內部，鋼筋棚下方（原石

料碼頭處）和臨時碼頭處進行預制，此預制區域便于箱涵運出。

2.2.2運輸路線

箱涵在預制場地制作完成后，由350t浮吊船從預制場地內起吊，臨時放置于2000t運輸駁上，然后由運輸駁運至安裝點。箱涵運輸路線如圖7所示。

圖7箱涵運輸路線

2.3設備配備

根據箱涵重量、尺寸、水深、起吊方式、安裝要求等指標并經核算，選定箱涵安裝設備。主要設備見表2。

表2主要設備一覽表

3施工工藝

3.1施工流程

其中，350t固定扒桿起重船船名為“秦航工69”。“秦航工69”性能表見表3。

為確保箱涵安裝質量和安全等，需制定合理的安裝流程。箱涵安裝流程如圖9所示。

圖9箱涵安裝流程圖

表3“秦航工69”性能表

2.4水深與施工水位對比

經過基床清礁整平后，取水箱涵基槽標高為 -7.5m ，周圍基床標高為 -0.34m ；排水口基槽標高為 -3.03m 至 -4.03m 周圍基床標高為 -0.34m 。起重船設計吃水深度 2.325m ，待潮位高于 4m 時即可進行吊裝施工。

2.5施工準備

安裝施工前，對整平的導梁導軌、整平框架、吊耳、測量桿及導向裝置等設施進行準備。墊板基床整平框架如圖8所示。

圖8墊板基床整平框架（單位： mm ）

3.2水下拋石整平

3.2.1整平前挖泥

箱涵安裝前，需對箱涵基礎（海底基床）進行整平。根據調查，箱涵基礎有巖石和雜色碎石混黏土層，需對其進行開挖（巖石部位采取爆破開挖）。基床整平前，對拋填區域進行塊石拋填，塊石要求為單塊 80～150kg ，拋填完成后，控制邊坡比為1：2。

3.2.2墊塊基床整平與墊塊安裝

根據相關要求，基床采用回填 400mm 厚的二片石及碎石進行細平后放置箱涵（碎石混黏性土區域需拋填塊石后再鋪設碎石墊層）。其中，箱涵接頭處安裝箱涵連接墊板，該墊板的高程與基床相平，取水箱涵及排水箱涵外側需拋填塊石至設定高程后才能達到基床高度。以排水箱涵為例，箱涵底部基床拋石典型斷面如圖10所示。

圖10箱涵底部基床拋石典型斷面圖（單位：標高為 m ，其余為 mm ）

將50t起重船在測量人員的配合下在基槽內拋錨定位，將事先加工好的整平框架安放到設定的位置。

潛水員潛入水下，將整平框架的測量桿插入到整平框架的測量導管中，用全站儀測量整平框架的平面位置，再用水準儀測量整平框架四角的高程，通過調整整平框架四角的調節絲桿，將整平框架橫面調整到設定高程，再用袋裝碎石堆碼在周圍，以保證框架的穩定。整平框架安裝如圖11所示。

圖11整平框架安裝示意圖

整平框架安裝到位后，拆下測量桿，由50t起重船上的吊車將停靠在起重船旁裝有2片石及碎石運輸船上的二片石抓拋到整平框架內。

在拋填時，邊拋邊測量石面高程，防止拋高造成潛水工作量增大。

當二片石拋填基本到位后，潛水員潛入水下，用5號角鋼擱置在整平框架的平面上，利用該角鐵檢查二片石平面情況，發現高出平面的人工清理到低的地方或清出框架外。

當二片石粗平后，由潛水員通知水面用吊車吊拋碎石，拋填位置及數量由潛水員在水下實時指揮。碎石拋填到基床上后，由潛水員用角鐵刮尺刮平碎石平面。

該基床整平好后，按《水運工程質量檢驗標準》（JTS257-2008）中有關標準進行檢測驗收。驗收合格后由起重船將墊塊吊放到基床上。吊放時，由潛水員在水下按整平框架為標志，將墊塊放置到設定的位置。

墊塊安裝到位后，再次測量墊塊的頂面高程，合格后由潛水員系扣，將整平框架安裝到下一個整平位置。

3.2.3箱涵底部基床整平

箱涵底部寬度為取水箱涵 5m 及排水箱涵 5.2m ，按規范要求每邊加寬 0.5m 進行整平。用20a工字鋼作為整平導梁。

導梁工字鋼放置在箱涵墊塊兩側，保證工字鋼頂面與墊塊面相平，導梁中內用調節絲杠將導梁面調整到設計高程。兩側導梁安裝到位后，用袋裝碎石堆碼在導梁中部及兩端，經保證導梁穩定。同樣由50t浮吊吊二片石拋填到基床上。拋填時人工勤測石面高程，防止拋高造成潛水工作增加。二片石拋完后，潛水員潛入水下，用刮尺檢查石面情況，發現高出的清理到低洼處，少得多的地方指揮水上補拋。

二片石平整后，潛水員指揮水面用吊車拋填碎石，邊拋邊整，直到該斷面整平完成。完成一段后，按上述方法繼續整出其他基床。

基床整平完成后立即進行驗收，驗收合格后的基床需進行保護，嚴禁其他船舶將硬物掉落在基床面。

3.3箱涵裝船

3.3.1墊塊基床整平技術要求

墊塊基床分為排水箱涵墊塊及取水箱涵墊塊。兩墊塊的厚度相同，均為 20cm ，平面尺寸排水箱涵為 5.2×2×0.2m 取水箱涵為 5×2×0.2m 。根據《重力式碼頭設計與施工規范》（JTS167-2-2009）要求，基床整平每邊加寬 50cm 。故墊板基床整平寬度為 6.2×3m_? 。整平標準為極細平。

3.3.2裝船安排

起重船停靠在箱涵預制場地旁拋錨定位，運輸駁停靠在一側，由起重船起吊放置在運輸駁中。

吊裝的箱涵最大重量為 304t ，選用安全起重負載為350t的固定臂架起重船進行安裝作業。運輸駁船選用載重2000t的自航且帶定位功能的甲板駁船。

3.3.3箱涵鋼絲繩及吊環設計

箱涵采用4點吊裝，選用直徑 90mm 、抗拉強度 1870Mpa 的鋼芯鋼絲繩。吊裝時采用吊架進行吊裝，防止鋼絲繩與箱涵頂部碰撞破損。吊環采用在箱涵頂板預埋直徑 210mm 、長 6m 的 45^# 圓鋼，3在圓鋼外側焊接限位鋼板防止鋼絲繩滑動脫落。

取水箱涵吊點如圖12所示，取水箱涵（取水頭）吊點如圖13所示，排水箱涵吊點如圖14所示，排水箱（排水頭）吊點如圖15所示，吊裝如圖16所示，箱涵吊環設計如圖17所示，取水頭吊裝如圖18所示。

圖12取水箱涵吊點示意圖（單位：mm）

圖13取水箱涵（取水頭）吊點示意圖（單位： mm ）

圖14排水箱涵吊點示意圖（單位： mm ）

圖15排水箱（排水頭）吊點示意圖（單位： mm ）

圖16吊裝示意圖（單位： mm ）

圖17箱涵吊環設計圖（單位： mm ）

圖18取水頭吊裝示意圖

3.3.4箱涵裝船

起重船松下主吊鉤，將鋼絲繩掛在主吊鉤的兩側，將鋼絲繩的繩扣用卸環與吊點連接。其中箱涵中部吊點的2個鋼絲扣頭共用1個卸扣。

鋼絲繩與箱涵吊點連接后，起重船將鋼絲繩吊到繃緊狀態，檢查鋼絲繩的情況，在確認無誤后將箱涵吊離碼頭面。

起重船通過絞錨方式移船，將箱涵移到駁船上方后起重船松鉤，將涵管放置到駁船的甲板上。

駁船裝滿后，起重船在錨艇的協助下起錨，將起重船移到安裝現場，運輸船也一同前往安裝現場。

3.4箱涵安裝

3.4.1排水箱涵安裝

排水箱涵由于內側3節為陸域開挖形成的溝槽，兩側高于海平面，起重船船f無法直接拋錨，故需在陸域開挖地牛作為起重船系纜點，起重船后部拋3只錨。

起重船定位后，將船位移到外側，運輸駁船停靠在溝槽一側，事先將測量桿插入到測量底座中并調整到與箱涵頂部垂直，再將導向裝置安裝到預埋件上（第一節不裝）。

起重船安裝的方法，首先進行掛鉤起吊，將箱涵吊出駁船后移位到需安裝位置。起重船緩慢松鉤，將箱涵松放到水中并使箱涵頂部未進入海平面的狀態。

用起重船上的絞車鋼絲繩與海側的吊耳連接，以便控制并調節箱涵的軸線。吊點與絞車關系如圖19所示。

圖19吊點與絞車關系圖

在測量人員的指揮下，按縱向距離 1m 左右，調整箱涵的位置并松放箱涵，當箱涵接近基床約 50cm 時停止松放，兩名潛水員同時潛入水下，在箱涵兩側探摸實際接口位置，同時指揮起重船移位，將箱涵向跌水井慢慢靠近，直至插入跌水井制作時預留的導向中。

起重船將前纜繩收緊，使箱涵緊貼在跌水井連接墻壁上，測量人員根據測量桿測量箱涵軸線，在軸線達到設計要求后起重船松鉤，將箱涵松入到基床上。

測量人員再次測量箱涵的軸線及高程，達到設計要求后由潛水員水下卸下鋼絲繩，起重船將吊索提升出水面，外側端測量桿不拆，作為安裝下節的導向桿，拆除導向裝置。

完成該節箱涵安裝。

在安裝第二節時，按上述同樣的方式進行安裝，直到全部安裝完成。

3.4.2取水箱涵安裝

取水箱涵安裝方法與排水箱涵相同，安裝流程為安裝左邊一節后再安裝右側一節，平行向外側推進。

3.5取水管加藥管及加藥管槽盒安裝

加藥管按要求規格在陸域加工制作成 6m 長的管節，法蘭連接方式進行施工。在潛水員的收導下，將制作好的管節放置到加藥盒槽內，將法蘭連接并緊固，再將管卡與預埋的連接螺絲連接，使管道固定在箱涵壁上。

加藥管管槽盒蓋在裝在駁船上，由小起重船在潛水員的配合起吊蓋在加藥盒槽口上。

3.6模袋混凝土

在箱涵接口處的頂面及兩側覆蓋一層600厚寬度 2m 的模袋混凝土。將加工制作好的模袋布由潛水員水下鋪在箱涵接頭處，頂面用袋裝碎石壓在布面上，兩側用塊石壓在基床上。

混凝土利用地泵車沿側面岸線輸送到溝槽側面，再用水上由泡沫浮夾浮的管道與陸域管口連接，浮管未端用橡膠軟管，由潛水員將橡膠軟管未端插入模袋布底層的注入口中，用鐵絲扎牢，開始向袋內注入混凝王。

當混凝土注入到注入口高度后，用鐵絲扎緊注入口，將管道移到上層注入口，再向模袋布內注入混凝土，澆到頂部后再扎緊袋口。將管道移到另一側進行澆注，最后澆注頂面中間的注入口。模袋混凝土施工如圖20所示。

圖20模袋混凝土施工示意圖

3.7塊石回填

取水箱涵及排水箱涵安裝并經驗收合格后，在箱涵頂部及兩側拋填塊石護管如圖10所示。

拋填塊石要求采用新鮮完整、無風化龜裂、能抗海水腐蝕的巖石，巖石的濕抗壓強度不得小于 40MPa ，軟化系數不小于 0.85 。拋塊石單塊重采用 80～150kg

在石料場裝入鋼絲兜內，碼頭吊車將裝有塊石的鋼絲網兜吊放到運輸船上并運到施工現場。

旋轉起重船定位在箱涵頂上，運輸船停靠在起重船旁，用吊車將裝有石料的鋼絲網兜吊放到水下并翻倒石料到海床上。

由于箱涵頂面也拋有 600mm 厚的塊石，故頂部拋石時需將石料放到箱涵頂上再翻轉網兜傾倒石料，以防石料碰壞箱涵混凝土。

在拋填過程中，需不停測量塊石面的高程，以防拋高或欠拋。一個段面拋完后，由潛水員潛入水下對塊石面進行理坡并粗平，以達到《水運工程質量檢驗標準》（JTS257-2008）相關要求。

箱涵吊裝構件包括排水箱涵、排水箱涵頭、取水箱涵、取水箱涵頭。吊裝構件見表4。

4安全計算

4.1主要吊裝構件

表4吊裝構件一覽表

4.2索具選擇

選用直徑 90mm 、抗拉強度 1870Mpa 的鋼芯鋼絲繩，安全系數取6.0，換算系數取0.82，動載安全系數取1.4，采用吊架吊裝，鋼絲繩與構件夾角為 90^° 。（注：索具的安全系數取值根據《水運工程施工安全防護技術規范》（JTS205-1-2008）中的5.7.13條款內容要求 K=5.0～6.0 ，下同）。

4.3箱涵吊裝計算

箱涵鋼絲繩、吊環、吊點設計見圖12-圖18。

4.3.1鋼絲繩受力驗算

箱涵吊裝的鋼絲繩受力需經過嚴格計算及驗算。[4]具體如下：

箱涵最重節為排水箱涵頭部重 304t ，采用4點吊，取N=3 。 f=1.4×304×10×1000=4256000N

Marine Technology

航海技術

鋼絲繩直徑： ，因此選用 Φ90mm 鋼絲繩滿足要求。

4.3.2吊環受力驗算圓鋼及鋼板技術參數見表5。

表5圓鋼及鋼板技術參數

箱涵采用4點吊，最重節為排水頭為 304t 在4點吊的作用下單根圓鋼受剪力： V=G×g/n=304×10/3=1013.3kN

圓鋼抗剪強度驗算： τmax=V/A=1 013.3×1 000/ 0 3.14×210×210/4）=29.26N/mm²≤[τ]=370N/mm²， 因此，安全系數 k=370/29.26=12.6 ，滿足要求。

吊環所受最大彎矩： M=F×L=1013.3×0.15=151.995kN?m 因此，安全系數 k=437.7/151.995=2.88 ，滿足要求。

5應用情況

溫州液化天然氣（LNG）接收站項目配套碼頭工程主要建設一座可靠泊8萬 ～26.6 萬 m³ 的LNG碼頭和一座2000DWT工作船碼頭，LNG接卸量300萬 本項目屬于大型港口與航道工程，投資規模大，施工難度和安全風險非常高。項目2021年7月開工，2023年4月通過交工驗收。取水排水工程是該配套碼頭工程的重要建設內容之一。

考慮到取水排水工程的施工難點、質量和安全風險，經對周邊環境調查、現場勘查和海底地質情況調查與測量后，并經充分核算和論證，決定選用350t固定扒桿起重船進行箱涵吊裝。吊裝前，對箱涵基床利用拋填塊石或碎石進行整平，整平及其檢測設備設施，采用自制研發的導梁導軌、整平框架、吊耳、調節絲杠、測量桿及導向裝置等。海底基床整平后，安裝箱涵墊塊，然后進行箱涵裝船、運輸、吊裝，最后進行膜袋混凝土施工及回填塊石。

另外，為確保通過取水箱涵進入海水泵房的海水無雜物，對取水頭增設了 2m 高的隔柵防止雜物進入；為保證海水滿足海水熱量氣化LNG和港區消防的水質要求，箱涵設置了加藥設施；同時，為確保每節箱涵之間的密封性并保證無大量漏水現象，每節箱涵端部增設了橡膠止水帶[5]。

取水排水工程采取該大型箱涵海底安裝技術后，根據現場檢查和檢測結果顯示，箱涵安裝位置和標高等技術指標均符合要求；海底箱涵基礎無明顯沉降，每節箱涵之間連接部位緊密結合，未出現大量漏水現象；通過箱涵進入的海水并經海水泵輸送，保證了海水熱量氣化LNG和港區消防要求，達到了箱涵的功能和預期目標；施工中未發生潛水員傷亡及其他安全事故，保證了項目工期。箱涵預制見圖21;箱涵起吊裝船見圖22。

圖21 箱涵預制

圖22箱涵起吊裝船

6結語

本項目是國家發改委天然氣基礎設施互聯互通重點工程、長三角一體化實施重點項目。項目建成，是未來浙南地區主要液化天然氣輸入點，能有效彌補浙江省管道氣供應、調峰能力不足，為全省天然氣安全供應、應急儲備提供保障，在能源保障、經濟發展、港口建設等方面具有重要意義。

然而，取水排水工程的箱涵安裝，作為本項目碼頭配套工程的重要建設內容之一，在箱涵安裝中，通過采用上述安裝技術，合理的施工工藝、嚴格的質量控制措施及科學的組織管理，成功攻克了海上復雜環境下箱涵安裝的技術難題。該工程實踐為類似工程提供了寶貴經驗，證明創新技術的應用可有效提升施工效率與質量，保障工程安全穩定運行，對推動同類工程技術發展具有積極意義。

[3]李華強.內河重力式碼頭方塊安裝施工技術].珠江水運，2024，（12）：46-48.

[4]羅建春，高琦.沉箱陸上吊裝工藝在漁港碼頭施工中的實踐[].珠江水運，2021，（07）：36-37.

[5]李雪明.公路預制裝配式混凝土箱涵施工技術].交通世界，2021，（21）：56-57.

參考文獻

[1]錢曉彬，馮曉楠，呂成林，等.基于吊裝運輸條件的預制箱涵結構合理劃分的研究[].現代交通技術，2023，20（04）：32-36.

[2]張鳴洲，唐文武.預制取排水箱涵出運及水上安裝施工技術[J].珠江水運，2023，（24）：107-110.

作者簡介：

胡林軍，從事專業：港口航道與海岸工程，（E-mail）

1034819056@qq.com，13851837992