湄洲湾煤码头工程气囊移运大型沉箱工艺分析

王钧杨，耿宝磊，李岳涵

（1.渤海石油航务建筑工程有限责任公司惠州项目部，天津300452；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

湄洲湾煤码头工程气囊移运大型沉箱工艺分析

王钧杨1，耿宝磊2，李岳涵1

（1.渤海石油航务建筑工程有限责任公司惠州项目部，天津300452；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室，天津300456）

文章以2 200 t大型沉箱移运为例，从气囊选型、气囊承载力计算、气囊布置方式以及牵引系统的布置和牵引力的计算4个方面，分析了移运过程中各参数的敏感性，并给出了采用气囊陆上移运沉箱的工艺流程图。

沉箱；气囊；敏感性；流程图

随着港口建设的快速发展，为适应国家十二五发展战略，码头建设大型化的发展趋势明显，以重力式码头为例，单个沉箱的重量越来越大，传统的沉箱出运工艺受到投资成本、工期、场地条件等多方面的制约，已经成为大型沉箱陆上运输的技术瓶颈之一。目前，采用气囊接力的方法在陆上移运沉箱逐渐取代了传统的沉箱出运方法，并日益受到工程人员的重视［1-6］。本文以国投湄洲湾煤码头工程2 200 t沉箱为例，分析了气囊移运沉箱的工艺方法。

1 工程概况

1.1 工程位置

本项目所移运的沉箱为国投湄洲湾煤炭码头工程所需沉箱。湄洲湾地处我国福建省东南沿海中部，东北面与兴化湾相邻，西南面与泉州湾相接，东南向与台湾岛隔海相望，是一深入内陆的半封闭狭长海湾，南北长约35 km，东西最宽30 km。国投湄洲湾煤炭码头工程位于莆田市南部忠门半岛秀屿区东铺镇塔林村，该项目沉箱预制场位于工程现场东南侧。

1.2 沉箱结构

本项目出运沉箱为矩形沉箱，外墙前后带趾，单体重量为2 200 t，底面尺寸为18.35 m×14.5 m×17.2 m，沉箱结构见图1。沉箱内分为12个仓格，其中海侧（见图1断面2-2）为1～4号仓格，其余为5～12号仓格。

1.3 出运场地

本项目沉箱预制及出运场地中1#～4#平台为沉箱预制平台，沉箱预制完成后先横移至纵移区，横移距离为19.52 m。纵移时，距离码头前沿最远的沉箱纵移距离约为190 m。另外，纵移通道中，北侧地面标高为+8.0 m，码头前沿顶标高+7.8 m，因此距离码头前沿82.5 m的距离内存在小缓坡。

为便于沉箱移运，预制场布置有15 t卷扬机4台，40 t、100 t和200 t地锚若干个，2座320 t·m塔吊等设备。

2 气囊选型

2.1 气囊结构

气囊搬运沉箱的工作原理是在需要移动的大型沉箱或重件下面，放置经计算后确定的若干个圆柱型的气囊，气囊通过供气系统充气后将沉箱顶升，开启牵引系统，气囊滚动使沉箱实现水平移动［7-8］。

气囊的囊体骨架材料为绵纶帘子布，囊嘴为铝合金铸体，其纵断面和横断面形式分布如图2和图3所示。图中L为气囊的总长度，L0为气囊的最大工作长度（囊体长度），D为气囊的直径。

气囊受到沉箱的压力后产生变形，气囊的承载面宽度B与气囊的直径D和气囊的工作高度H有关，气囊受压变形后的截面见图4。其截面可看做由直径为H的2个半圆和长、宽分布为B、H的方形组成，按照截面周长不变的原理，可计算得到气囊工作状态的承载面宽度为

2.2 气囊主要尺寸的选取

选择气囊不仅要考虑安全可靠，同时也要考虑其经济性。气囊的主要尺寸包括气囊的直径D和气囊的最大工作长度L0。在气囊的主要尺寸确定以后，可以确定所选气囊的工作压强。另外，需要指出的是，由于不同结构尺寸的差异，气囊的实际工作长度有可能小于最大工作长度，文中实际工作长度用l表示，则l≤L0。

对于气囊的直径而言，气囊的直径愈大，价格愈高，气囊的成本高；反之，气囊的直径愈小，允许的气囊工作压力愈大，但对配套设施（如空压机、压力表、充气管、连接件等）要求高，操作安全性低。一般重型构件可选用直径为800～1 000 mm的高压气囊。

对于气囊的长度（L）而言，其长度的选择是根据气囊的最大承载面长度（L0）和气囊公称直径（D）而定，气囊的承载面长度与沉箱的底板尺寸有关。同时，应考虑气囊囊头伸出沉箱部分不宜过长，一般伸长长度略大于气囊直径即可。气囊长度的计算公式为

在本项目中，考虑前期沉箱移运所使用的气囊，施工单位拟选择的气囊主要尺寸为气囊直径D=0.8 m，最大工作长度L0=16 m。所选气囊的最大工作压强为0.5 MPa。

图2气囊各尺寸示意图（纵断面）Fig.2Air⁃bag size diagram for vertical section

图3气囊充气后的截面（横断面）Fig.3Air⁃bag cross section with air⁃filled

图4气囊工作状态的截面Fig.4Air⁃bag section in working status

3 气囊工作高度与气囊数量的确定

3.1 气囊承载力计算

单个气囊承载力计算公式如下

式中：Q为单个气囊承载力，kN；P为气囊内压强，MPa；S为承载面积的正投影面积，m2，其计算公式为

式中：B和l分别为气囊承载面的宽度和气囊的实际工作长度，m。

根据移运的沉箱重量并考虑安全系数，可计算得到移运单个沉箱所需要的最少气囊数量

式中：n为滚动气囊的数量，个；G为沉箱的重量，kN；K为安全系数，按照规范《船舶上排、下水用气囊》（CB/T 3795-1996），K≥1.2。

由此，利用式（1）及式（3）～（5）可得到工作气囊的最小数量n与气囊的工作高度H的关系

3.2 气囊工作高度与气囊数量的确定

对于本项目，沉箱重量为2 200 t，气囊直径D=0.8 m，沉箱横移时气囊的工作长度L0=16 m，沉箱纵移时气囊的实际工作长度为14.5 m，且安全系数K取1.5，利用式（6）可以分别得到沉箱横移和纵移两种情况下不同气囊数量时，气囊内压强随工作高度变化的曲线，分别见图5-a和5-b。

对于气囊工作高度的选取而言，工作高度过高或过低均不利于沉箱的搬运，工作高度过高，搬运时沉箱稳性差，同时囊体压力大，不利安全；工作高度过低时囊体容易损坏，影响了气囊的使用寿命；沉箱移动时所需的牵引力也较大。另外，考虑工程施工工艺的要求，气囊工作高度必须高于底模活动框架高度和垫木高度（本项目现场所采用的支垫气囊垫木的高度为0.3 m），因此综合考虑上述因素选择气囊工作高度为0.35 m，该高度是气囊直径的43.75%。在此工作高度下，不同气囊数量时，气囊内压强值见表1。

由于气囊的最大工作压强为0.5 MPa，在选择气囊数量时要注意气囊的实际压强需小于气囊的最大工作压强。根据表1，沉箱横移时采用6个气囊、纵移时采用7个气囊可满足气囊工作压强的要求。考虑沉箱移运过程中需要进行气囊接力，接力时可能产生气囊受力的不均匀，选择上述气囊个数时，气囊的工作压强均较接近最大工作压强0.5 MPa，故需在此基础上分别增加1条气囊，即横移时选择7个气囊，纵移时选择8个气囊，此时横移和纵移气囊的实际压强分别为0.42 MPa和0.40 MPa。

另外，在沉箱移运过程中还需要接应气囊2个。

4 气囊布置方式

气囊布置方式需要根据移运构件的尺寸、气囊的尺寸以及移运的路径等确定。参考规范《船舶用气囊上排、下水工艺要求》（CB/T 3837-2011），气囊的布置方式主要包括单列布置、交错布置和对接布置3种。

此外，气囊在布置时还要注意气囊的中心距l1以及气囊之间的净距l2，参考相关文献，通常气囊的中心距l1≤3 m，净距l2≥0.5 m。

本项目中气囊的最大工作长度为16 m，所移运沉箱的底面长度为18.35 m、宽度为14.5 m，需分沉箱横移和沉箱纵移两种情况研究气囊的布置。

图5沉箱横移和纵移时气囊内压强随工作高度的变化Fig.5Changing of air pressure with working height for air⁃bag

沉箱横移时，气囊沿沉箱的纵向布置，由于沉箱的底面长度为18.35 m，该长度大于气囊的最大工作长度16 m，故气囊的布置方式应采用交错布置，气囊布置数量为7个，布置方式见图6-a，图中单位mm。气囊的中心距如图所示，其中5个中心距为1.75 m，1个为1.70 m，均小于3 m。气囊之间的净距计算如下

按照两种中心距分别计算得到净距l2为0.693 m和0.643 m，均大于0.5 m。

沉箱纵移时，气囊沿沉箱的横向布置，由于沉箱的底面宽度为14.5 m（包括前趾和后趾），该长度小于气囊的最大工作长度16 m，故气囊的布置方式应采用单列布置，且气囊的实际工作长度为14.5 m，两段分别富裕0.75 m，布置形式见图6-b。气囊的中心距如图所示，6个中心距均为2.25 m，小于3 m。气囊的净距计算如下

计算得到净距大于0.5 m。

综合上述研究，沉箱横移和纵移时气囊各参数见表2。

表1不同气囊数量时气囊内压强值（工作高度0.35 m）Tab.1Air pressure with different air⁃bag numbers（working height 0.35 m）

5 牵引系统布置与牵引力

5.1 牵引系统的布置

（1）牵引系统的布置方式。沉箱移运过程中的牵引系统主要包括卷扬机、地锚和滑车（滑轮组），这些设备用钢丝绳连接，通过卷扬机产生拉力，地锚可以改变钢丝绳的方向，利用滑轮组可以达到省力的目的。根据施工现场条件，本次沉箱陆上移运采用4台15 t卷扬机，配备200 t和40 t两种地锚形式。

图6沉箱横移和纵移时气囊布置图Fig.6Air⁃bag arrangement plan for caisson transportation

沉箱拉移过程中，4台卷扬机分别布置在沉箱行进方向的前侧和后侧，前侧卷扬机负责牵引，后方卷扬机负责防滑。每台卷扬机与地锚之间采用Φ83 mm钢丝绳及120 t卡环连接。地锚与沉箱之间设置两台滑车，其中一台滑车和沉箱之间用Φ83 mm钢丝绳及120 t卡环与沉箱预埋销栓连接。

（2）牵引系统的控制。沉箱移运时启动前面两台卷扬机，控制沉箱启动速度在1.2 m/min以内，移运过程中对气囊气压表逐个检查，对压力减小的气囊进行增压处理，同时注意沉箱上标注的刻度尺，沉箱行进过程中，给沉箱后部1～3条气囊间歇放气，始终保持沉箱前高后低，高差控制在150 mm以内。

移运时在沉箱前进方向上提前设置2～4个气囊，沉箱移至铺设气囊中心上部时开始打压，打入压力同其他气囊基本一致，沉箱继续移动；同时沉箱后方即将滚动出来的气囊在出来前要把压力降为原先工作气压的60%左右，在其快滚出来时，一直放气直至无压力，使其与沉箱底安全分离，避免气囊挤压出来时弹击伤人。如此反复操作进行沉箱移运。

表2沉箱移运时气囊各参数Tab.2All parameters of air⁃bag for caisson transportation

在沉箱移运至距目标区域中心线5 m左右时，作业人员检查沉箱中心线是否与目标区域中心线平行，若不平行，则控制卷扬机速度，慢慢调整至平行。在移运至目标区域中心线1 m左右时，启动后拉卷扬机稍微带力放慢拉移速度，待沉箱中心线与目标区域中心线重合时停止拉移。

5.2 牵引力计算

牵引力的计算公式如下

式中：F为搬运沉箱的牵引力，kN；k为安全系数，通常取1.2；M为沉箱自重，t，本次移运沉箱重量为2 200 t；g为重力加速度，取9.8 m/s2；f为气囊与地面的滚动摩擦系数，与地面情况和气囊的工作高度有关，一般取0.05；ΔH为沉箱在出运过程中前后最大控制高差，本项目ΔH控制在0.15 m；L1为沉箱移运方向的长度。

式（8）中右端第一项为沉箱在移运过程中气囊与地面的摩擦力；第二项为沉箱倾斜时所产生的拉力（图7）。从图7中可以看出，沉箱倾斜时，所受的拉力F1，重力Mg，以及气囊的支持力N三者保持平衡，故从三者组成的矢量三角形中可得

又由于α极小，所以

综合式（9）和式（10）可得

利用式（8）可分别计算得到沉箱横移和纵移时的牵引力。若拉力单位为t，则横移所需最大拉力为159 t，纵移所需最大拉力为154 t，最大拉力可统一按159 t计算。另外，由于采用2台卷扬机牵引沉箱，故每台卷扬机所系地锚负担的拉力为80 t。

图7沉箱倾斜时受力示意图Fig.7Force sketch for oblique caisson

图8气囊陆上移运沉箱流程图Fig.8Flow chart for caisson land transportation with air⁃bag

6 陆上移运工艺流程

对于沉箱陆上移运，按照出运准备—→沉箱顶升—→横向移运—→纵向移运的顺序，其工艺流程图见图8。

7 结语

采用气囊出运大型沉箱不需要陆上大型起重机械的配合，另外气囊运输对场地的适应性较强，场地处理费用较低，从而可以缩短工期和降低施工成本，这些是气囊出运大型构件的显著优点。

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［8］CB/T 3837-2011，船舶用气囊上排、下水工艺要求［S］.

Transportation technique for large caisson by air bags in Meizhou Harbor coal wharf project

WANG Jun⁃yang1,GENG Bao⁃lei2,LI Yue⁃han1
（1.Bohai Petroleum Harbor Construction Engineering Co.,LTD.,Huizhou Project Department,Tianjin 300452, China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

With the 2 200 t caisson planning to transport,the air bag choice,air bag carrying capacity,air bag layout,the traction force and traction system layout were analyzed in this paper,and the flow diagram for caisson transportation with air bag in land was given.

caisson;air bag;sensitivity;flow diagram

U 656.1；U 655

A

1005-8443（2015）06-0555-06

第五届河口海岸国际研讨会在阿曼马斯喀特召开

2015-07-07；

2015-10-12

王钧杨（1984-），男，辽宁省丹东人，工程师，主要从事港口与航道工程总承包管理及施工工作。

Biography：WANG Jun⁃yang（1984-），male，engineer.

本刊从国际泥沙研究培训中心获悉，2015年11月2日至4日，第五届河口海岸国际研讨会在阿曼马斯喀特召开。本次会议由国际泥沙研究培训中心主办，阿曼苏尔坦卡布斯大学承办。来自20个国家和地区的150多名专家学者在3天的研讨会期间，围绕海岸侵蚀、近岸和离岸污染、海啸与风暴潮、河口环境生态、海岸带综合管理、海水入侵、海岸及河口所涉及的社会、经济和政治问题等议题进行了学术交流和研讨，包括7个主题报告和44个技术报告，并进行了现场技术参观。大会主题报告包括：基于平衡理论的海岸地貌特征模拟(Magnus Larson教授，瑞典)；FVCOM模型：开发、改进及应用(Changsheng Chen教授，美国)；香港港口区处理计划消毒剂量优化的现场试验(李行伟教授，中国香港)；日本仙台海啸后海岸地貌变化(Hitoshi Tanaka教授，日本)；波浪破碎SPH模型的开发(Robert Dalrymple教授，美国)；海岸灾害、气候变化风险以及海岸基础设施的气候适应工程(Mark Stewart教授，澳大利亚)；河口：水质观测与模拟(邓家泉教授，中国)。（殷缶，梅深）