超高压气囊在大型沉箱出运中的应用与分析

2012-07-30高翔

湖南交通科技 2012年2期

高翔

(厦门中骏集团有限公司，福建厦门 361006)

0 前言

沉箱出运的传统方式主要有以下5种:①在场地的台座上制造，利用滑道出运;②利用干船坞、浮船坞或土坞制造并出运;③在场地上的台座制造，利用座底浮坞作为运载工具，运载沉箱出运;④在场地上的台座制造，利用半潜驳作为运载工具，运载沉箱出运;⑤在岸壁台座上制造，用大吨位起重船吊运。对于选择何种方式出运，与沉箱结构尺寸及数量，当地的自然环境、水文地质条件，能够取得的设备和设施的资源情况以及工期要求等因素有关，一般需通过经济技术比较确定。

近几年随着港口建设规模趋于大型化，大型重力式码头单件沉箱重量高达2 000 t左右甚至更高，由于预制场条件等客观原因的限制，上述5种传统方法无法完全满足大型沉箱的出运作业。自2003年以来，国内部分工程采用超高压气囊技术进行大型沉箱出运作业，取得了较好的效果。笔者将结合厦门港东渡港区21#泊位施工中采取的超高压气囊方式出运沉箱的施工技术进行总结与分析。

1 工程概况及气囊工作原理

1.1 工程概况

厦门港东渡港区21#泊位工程水工主体采用重力式沉箱结构，共有沉箱11件，外型尺寸:1 750 mm×1 440 mm×17 800 mm，单件自重为2 080 t。由于沉箱重量较大且受到预制场地生产作业等条件的限制，经过调研周边类似工程以及严谨的分析及论证，认为本工程可采用超高压气囊方式出运沉箱。

1.2 气囊工作原理

气囊出运沉箱的工作原理与滚筒搬运重物的工作原理比较相似，在沉箱底部与地面之间垫若干个气囊并充气顶升起沉箱，通过外力牵引沉箱使气囊向前滚动，从而使沉箱产生移动，达到搬运沉箱的目的。气囊与地面为面接触，受力面积大且相对均匀，单位面积受力小，对场地适应性强。出运码头前沿设斜坡段，以使通道与前沿出运码头高程衔接。

2 气囊的主要参数计算及选型

2.1 气囊类别、规格及承载力(表1)

2.2 承载力计算

承载力计算公式:Q=P×S，式中Q为承载力;P为气囊内压力;S为承载面积之正投影面积。气囊为柔软弹性体，在使用过程中其形状受多种因素影响而改变，承载面积与承载力也相应变化，当沉箱底面和地面处于水平时，压在构件下的气囊的横截面呈正扁圆形，气囊的承载力可参见表1。

2.3 摩擦系数

因为气囊在硬质地面滚动，故依据有关规范滚动摩擦系数取f=0.05。

2.4 气囊的选择

根据沉箱出运方向选择气囊长度，再确定顶升高度(工作高度)为0.4 m，由此计算承载面积，并按气囊的允许压力计算出气囊所需的最短总长度，最后确定气囊根数及摆放位置。气囊承载面宽度B与气囊直径D和气囊工作高度H有关，气囊受压变形后，其截面可视作由直径为H的2个半圆和长度为B、H的方型组成。根据沉箱平面尺寸、底膜工字钢间距及工作高度要求，本次沉箱平移选择直径D=1.0 m，工作高度H=0.4 m的超高压滚动气囊。

表1 气囊主要参数

气囊长度:L=L0+2 ×0.866 D=14.4 m+2 ×0.866 ×1 m=16.132 m;

工作高度:H=400 mm;

承载面宽:B=3.141 59(D-H)/2=3.141 59× (1.0 m-0.4 m)/2=0.942 m;

承载面积:S=B×L0=0.942 m ×14.4 m=13.565 m2;

单根气囊承载力:F=S×P=13.565 m2×0.3 MPa=407 t;

所需气囊的数量:N0=K×G/F=1.3×2 080 t/407 t=6.6根≈7根;

因平移转换时实际受力气囊数量比正常状态少1根，故取N=8根;

气囊之间的间距:中心间距:2 072 mm;净间距:730 mm。

2.5 气囊结构形式

气囊骨架材料为锦纶帘子布，囊嘴为铝合金铸件，气囊直径1.0 m、长16.13 m，充气压偏后承压面宽0.942 m、工作高度 0.4 m，8 根(K=1.3，转换时7根)气囊共搬运一个沉箱。气囊结构型式及剖面示意图见图1。

图1 高压气囊布置图

2.6 气囊承载力校核

D=1.0 m，7根气囊时(转换状态):单根承载力 F=2 080 t× 1.3/7=386.3 t，气囊内压强 P=386.3 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.285 MPa ＜0.30 MPa;D=1.0 m，8 根气囊时(正常状态):单根承载力 F=2 080 t×1.3/8=338.0 t，气囊内压强 P=338.0 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.249 MPa ＜0.30 MPa。

2.7 气囊间距校核

气囊之间的中心距离应保证沉箱的结构强度，同时还应防止气囊之间压叠一起，一般用以下公式校核:

3.141 59×D/2-0.5＜L/(N-1)＜6(经验公式)。

L/(N-1)=14 m/(8-1)=2 m均能满足上式要求。

2.8 气囊的摆放

根据沉箱出运的方向摆放，气囊通长方向垂直于沉箱移动方向，对称摆放。气囊摆放见示意图2。

图2 沉箱气囊摆放示意图(单位:mm)

3 气囊的牵引系统及充气系统

3.1 牵引系统

1)气囊充气达到工作高度后，卷扬机牵引，气囊滚动，沉箱移动，由两台8 t卷扬机通过滑轮组在沉箱移动的方向两侧同步牵引。为确保沉箱移动过程中的稳定性，在沉箱移动的反方向上采取同样的牵引系统进行沉箱移动保护。沉箱牵引速度控制在2.5 m/min左右，牵引钢丝绳的捆绑点距地面1.5 m左右。气囊牵引力约为沉箱重量的5%，可随着牵引高度的降低而减少。前沿坡道坡度为1.94%。沉箱牵引及过驳见图3所示。

图3 沉箱牵引、过驳示意图

2)预制厂3#出运码头，沉箱下滑力和卷扬机钢丝绳的牵引力按下式计算:

下滑力Fc=G×sin a-u×G×cos a-G/g×V/T式中a为坡道倾角;u为坡道摩擦系数;V为移动速度;T为刹车时间。

牵引力F≥K×Fc/Nc×cos b

式中K为安全系数取1.2;Nc为钢丝绳道数，b为牵引钢丝绳与坡道之夹角。

反拉卷扬机牵引力按下式计算:Fd=G×sin a+u×G×cos a(a为坡道倾角)。

3.2 供气系统

根据气囊的总容量和充气的时间以及压力要求，选择采用DVY—6/7型空压机对气囊供气，同时空气压缩机储气罐安装可调节的限压阀，在充气时用多只气囊同时联合工作，有分配阀箱，使各只气囊同时充气。

4 超高压气囊出运沉箱主要程序

1)出运前准备。

沉箱预制底模采用活动式，底模离地440 mm:其中地坪底模140 mm，工字钢底模为(280+18+2)mm=300 mm。当沉箱混凝土强度达设计要求后，拆除底模外框架，清除底模隔仓内的填砂，安放气囊，气囊充气，顶升沉箱离地30 cm左右，用枕木四周加固好沉箱，拆除沉箱底模框架，作沉箱出运的准备工作。

2)检查供气系统和牵引系统，清扫出运通道及检查清理沉箱底部的尖锐物。

3)在沉箱底部放入气囊，排列整齐且相互平行，连结供气管道，连结牵引系。

4)启动空压机同时向各个气囊供气，当充气压力达到预定顶升压力的80%时，停止供气。检查所有气囊的压力是否一致，不一致时可向单个气囊供气，使压力基本一致，然后继续充气，直至沉箱离开支承枕木。将气囊的进阀关闭，停止供气。拆除支承枕木。

5)拆除所有的联接胶管，打开各个气囊的排气阀，进行缓慢放气。当气囊的高度降至出运高度时，关闭排气阀，并检查调整各气囊的压力基本一致。

6)在专业技术人员的统一指挥下，启动卷扬机，拉动沉箱缓慢向前移动。当沉箱前面空出一个气囊的间距时，停止牵引，摆入气囊，并充气到预定压力后再重新牵引。当后面的气囊快要离开沉箱时，打开排气阀排气，并运送到沉箱前面预定位备用。重复以上步骤，直到将沉箱移到预定位置。

7)当沉箱移动到预定位置后，停止牵引。在沉箱底部垫上支承枕木，然后所有的气囊排气，沉箱平稳地落在支承枕木上。支撑垫木布设见图4。