箱筒型基础结构气囊出运方法

孙壮，别社安，李伟，倪敏，张延辉

（1.天津大学建筑工程学院，天津 300072；2.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；3.天津港（集团）有限公司，天津 300461）

0 引言

箱筒型基础结构适用于软土地基[1]，可用于建造防波堤、码头等结构。与传统的工程结构相比，在施工方面，省去了基槽挖泥、基床抛石、基床夯实和基床整平等一系列施工工序，简化了基础施工，现场作业时间短，风险小，工程建设成本低，是一种值得推广的新型结构。针对箱筒型基础结构，目前已有的出运工艺[2-3]需要在陆地上对箱筒结构分体预制，在半潜驳上拼装，然后出运。这种方法由于占用半潜驳时间过长，费用高，效率低。

本文提出一种箱筒结构整体出运方案，在陆地对箱筒结构进行整体预制，使用气囊顶升、横移、纵移至半潜驳，然后运输至现场下水安装。

1 结构形式及预制场平面布置

1.1 箱筒型基础结构

箱筒型基础结构由4个圆筒呈矩阵形排列，每个圆筒设有顶盖板，相邻圆筒间用竖向连接墙和水平顶板将4个圆筒连结成整体。上部挡浪结构可采用多种形式，如直立墙、直立圆筒或半圆筒、横卧半圆筒等。上下两部分结构连接成整体。结构在水上采用气浮拖运、气浮定位、抽负压下沉安装。

在已建的工程中，箱筒型基础结构（图1）具有下述尺度。

图1 箱筒型基础结构Fig.1 Bucket foundation structure

基础结构：由4个相同的圆筒组成，单筒外径11.8m，筒高9m；圆筒连接处间距3.4m，顶板厚0.5m。结构总长和总宽均为27.0m。

上部圆筒：由2个单筒组成，外径12.1m，高7m，连接墙厚0.6m。

圈梁：上部圆筒与基础结构的顶板间有连接圈梁，其外径13.5m，高1.2m。

单个箱筒结构的总重量约2852 t。

1.2 运输底板

由于箱筒结构底部为空心结构，利用气囊出运时，为保证气囊与结构底部完全接触，使气囊受力均匀，需要在箱筒结构底部预先放置一个底板，运输时，箱筒结构坐落在运输底板上，由气囊顶升运输底板，然后滚动运输。

为确保运输稳定、箱筒结构不受破坏，采用抹角正方形混凝土运输底板，如图2、图3所示。运输底板的尺寸为：30m×30m×0.5m，总重量为1078 t，采用滚动气囊协助运输。

图2 纵移方案预制场平面布置Fig.2 layout of precast yard by longitudinal movement scheme

图3 横断面图Fig.3 Cross section draw ing

1.3 预制场平面布置

根据码头岸线的长度，预制场的平面布置可分为两种类型。第一种为横纵移方案，半潜驳定点靠岸泊位，箱筒型基础结构需先横移、后纵移，然后出运。第二种为纵移方案，两艘半潜驳同时或一艘半潜驳分时靠岸泊位，箱筒型基础结构预制完成后，直接纵移出运，如图2所示。两种方案均需修建顶升台，其横断面如图3所示。

2 出运工艺

2.1 工艺流程

横纵移方案的气囊出运施工工艺流程见图4。

图4 出运工艺流程Fig.4 Transportation technological process

纵移方案出运工艺比横纵移方案少横移及横纵移转换两步，其他均相同。

2.2 关键工艺

2.2.1 箱筒结构预制期间底板支撑

箱筒结构预制期间，由于运输底板在顶升台位置悬空，为防止底板破坏，在底部加入14个气囊，气压100 kPa，作为支撑，如图5所示。箱筒结构预制完成后，加入前后方4个气囊，所有气囊同步充气顶升。采用水下气囊的处理方法，气囊两头安有360°旋转快接头，在快接头上连接高压气管，以便进行充气和气压监测。

图5 箱筒结构预制期间底板支撑Fig.5 The floor support during the prefabrication of bucket structure

2.2.2 滚动运输

滚动运输时，需16个气囊，但实际操作时，需要不断在前方放入新气囊，在后方撤出气囊，实际作业气囊保证在16～18个之间，此过程中，最危险的工况为只有16个气囊的情况。

2.2.3 横纵移转换

为防止运输底板破坏，横纵移转换必须分步进行，各步骤对应的情况如图6所示。

图6 横纵移转换步骤Fig.6 Transformation steps from transverse movement into longitudinal movement

第1步：插入3个纵移气囊，充气；并在运输底板四角加入垫板，以保证转换过程中结构稳定；

第2步：先对左上角横移气囊中的4个进行放气，然后取出；第3步：放入左上角纵移气囊，进行充气；第4步：按前两步方法，将右上角的横移气囊放气取出，放入纵移气囊，充气；

第5步：按前几步方法，依次将下方的横移气囊取出，安放纵移气囊；

第6步：将中间两个气囊放气取出，横纵移转换完成，准备进行纵移。

2.2.4 登船过程

由于是非坐底式半潜驳，因波浪作用、压仓水调节不及时等原因，半潜驳甲板与码头前沿不可避免会出现一定高差，可以通过调整半潜驳的压仓水，将半潜驳甲板与码头前沿的高差控制在一定范围内。

因气囊为柔性结构，当压力分布不均匀时，可以自行调节，以确保运输底板受力均匀。但当半潜驳上下浮动时，气囊会出现瞬间压力变大或变小的情况，因此需要对气囊出现瞬间压力变大的情况进行验算。

本文按瞬间出现最大20 cm的高差，对气囊及运输底板的强度进行验算。

3 设计验算

3.1 底板强度验算

箱筒结构完全坐落在运输底板上，因此，不需要对箱筒结构的强度进行验算。

采用Abaqus有限元软件对整个出运过程的危险工况进行模拟，以确定在预制、顶升、运输、横纵移转换的每一步过程中运输底板的受力，确定底板厚度，结构的稳定性，并根据受力情况进行配筋。各工况验算结果如表1所示。

表1 运输底板强度验算结果Table 1 Test results of the strength of transportation floor

计算结果显示，箱筒结构与运输底板接触位置，应力集中，具体施工时，可在接触位置加垫钢板，以分散应力，在运输底板应力集中位置配钢筋网。经验算，底板厚度取500mm可满足要求。

3.2 地基强度验算

各工况下，地基应力最大值为263 kPa，需根据实际预制场所在地的地质情况，对地基进行适当处理，以满足施工要求。

3.3 气囊验算

滚动运输时，箱筒型基础结构和运输底板的设计总运输重量为4500 t。

顶升台高200mm，为放入横移气囊留出空间，顶升后保证运输底板离地面200mm，气囊工作高度为400mm。

如图7所示，气囊受压时，横截面可以视为1个矩形与2个半圆形的组合，半圆的直径为气囊的工作高度[4]。所选取的气囊及参数如表2和表3所示。

图7 气囊及其工作状态Fig.7 Gasbag and its operating mode

表2 气囊选取Table 2 Gasbag selection

表3 气囊参数Table3 Gasbag parameters

为防止滚动气囊压叠在一起，一般要求气囊间距不小于气囊直径。本方案中，滚动气囊间距1.8m，满足要求。

3.4 牵引力验算

参考箱涵结构出运的阻力系数[5]，箱筒结构的运输过程中，其阻力系数u取0.03，牵引力为1323 kN。

启动时，可通过减小前方气囊气压，使箱筒结构前倾，达到启动目的。制动时与之相反。

4 结语

箱筒型基础结构整体预制的气囊出运方法是可行的，且具有结构整体预制质量好、效率高、工程建设速度快的优点。但该出运方法也有不利之处，预制场地需要的地基承载力较大、需要建造较多数量的运输底板。

[1] 李伟.箱型吸力基础防波堤结构探讨[J].港工技术，2001（S1）：75-77.LI Wei.Discussion on structure of breakwater on box-type suction foundation[J].Port Engineering Technology，2001（S1):75-77.

[2] 矫捷.钢筋混凝土箱筒型防波堤施工方法[J].中国港湾建设，2008（3）：55-58.JIAO Jie.Construction of a breakwater of reinforced concrete cylindrical caisson structure[J].China Harbour Engineering，2008（3）:55-58.

[3] 王冬生，宫云增.500 t半圆体与箱筒预制场的改扩建[J].中国港湾建设，2007（1）：54-59.WANG Dong-sheng，GONG Yun-zeng.Extension and Reconstruction of precasting yard for 500 t semi-circular cylinders and caisson cylinders[J].China Harbour Engineering，2007（1）：54-59.

[4] 周旭飞.圆柱形气囊的压缩计算[J].山东工业大学学报，1985（2）：31-43.ZHOU Xu-fei.Compression calculation cylindrical gasbag[J].Journal of Shandong University of Technology，1985（2）:31-43.

[5] 宋建东.大型预制构件出运及水上安装施工技术[D].成都：西南交通大学，2005.SONG Jian-dong.Construction technique of the large-scale component convey and installation on the water[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University，2005.