重力式码头沉箱出运及安装关键施工技术分析

熊 祥 俊

(厦门鑫华港勘察设计有限公司，福建 厦门 361000)

重力式码头沉箱出运及安装关键施工技术分析

熊 祥 俊

(厦门鑫华港勘察设计有限公司，福建 厦门 361000)

结合平潭港区金井作业区1号～5号泊位工程沉箱出运、安装实践，从气囊搬运工艺、半潜驳出运、沉箱安装等方面对沉箱施工的关键技术进行了详细介绍，可为类似工程提供参考。

气囊搬运工艺，半潜驳出运，沉箱安装

1 工程概况

平潭港区金井作业区1号～5号泊位工程中的3号～5号泊位沉箱CX1设计有55件，沉箱设计尺寸为：长19.13 m,宽19.80 m(包括前后趾3.0 m)、高18.2 m、单个沉箱重量为2 969 t。沉箱预制场地设在原平潭远大船厂坞坑上。

2 施工总体部署

沉箱预制场及出运设在原远大船厂内，在本工程沉箱预制后移至寄存场。安装前采用气囊搬运沉箱至出运码头前沿并过驳到“三航工3”半潜驳上，拖轮拖半潜驳运输至安装现场,在下潜坑位置下潜,安装时采用200 t起重船结合半潜驳进行安装。

根据出运码头的设计资料，并结合实际的施工经验，其码头整体稳定性、承载力均满足沉箱预制出运的安全使用要求。

沉箱出运、安装工艺流程如下：

寄存区沉箱→气囊载运沉箱→半潜驳停靠在出运码头边并定好位→沉箱移动上半潜驳→半潜驳至施工现场→半潜驳下潜→200 t起重船吊拖沉箱离驳→起重船吊拖沉箱至安装位置→测量定位安放沉箱。

3 气囊搬运工艺

使用超高压气囊滚动平移运载着沉箱出坑。气囊搬运指的是把超高压的圆柱形胶囊铺垫在沉箱的底面，往胶囊里填充气体后把沉箱顶起来，把支承枕木取出来，再确定顶升高度(工作高度)为0.4 m，然后算出承载面积，气囊采购的最短总长度应根据气囊的允许压力值来测算，再定出铺垫气囊的位置及铺垫气囊的数量。气囊工作高度H和气囊直径D这两个因素共同决定了气囊承载面宽度B，对气囊施加压力使之变形后，气囊的截面形状可近似的看成是由长度为B,H的方形及直径为H的2个半圆组成，采用移动沉箱的超高压滚动气囊的直径D=1.0 m，工作高度H=0.4 m。

3.1气囊选择

1)横向移动沉箱CX1时：

气囊的长度：L=L0+2×0.866D=19.13+2×0.866×1=20.862 m(L0取19.13 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承载面的宽度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承载面的面积：S=L×B=20.862×0.942=19.65 m2；

每根气囊的容许承载力：F=P×S=0.3 MPa×19.65=589.56 t；

需要的气囊数量：N0=G×K/F=2 969×1.3/589.56=6.5≈7根(K的取值为1.3)。由于实际受力的气囊数量在平移转换时比在正常状态时少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面积较大，为了减轻气囊承受的允许压力，保证平稳搬运沉箱，防止气囊之间的距离过大，气囊的实际使用数量取N=9根。

2)纵向移动沉箱CX1时：

气囊的长度：L=L0+2×0.866D=19.8+2×0.866×1=21.532 m(L0取19.8 m)；

工作高度：H=0.4 m；

承载面的宽度：B=(D-H)×3.14/2=(1.0-0.4)×3.14/2=0.942 m；

承载面的面积：S=L×B=21.532×0.942=20.28 m2；

每根气囊的容许承载力：F=P×S=0.3 MPa×20.28=608.5 t；

需要的气囊数量：N0=G×K/F=2 969×1.3/608.5=6.34≈7根(K的取值为1.3)。由于实际受力的气囊数量在平移转换时比在正常状态时少一根，所以取N=8根，由于沉箱的底面面积较大，为了减轻气囊承受的允许压力，保证平稳搬运沉箱，防止气囊之间的距离过大，气囊的实际使用数量取N=9根。

3.2校核气囊的承载力

1)横向移动沉箱CX1时(见表1)：

D=1.0 m，8根气囊时(转换状态)：每根气囊的承载力F=2 969×1.3/8=482.5 t，气囊内压强P=482.5/(0.942×19.13)=0.268 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根气囊时(正常状态)：每根气囊的承载力F=2 969×1.3/9=428.9 t，气囊内压强P=428.9/(0.942×19.13)=0.238 MPa<0.30 MPa。

2)纵向移动沉箱CX1时(见表2)：

D=1.0 m，8根气囊时(转换状态)：单根承载力F=2 969×1.3/8=482.5 t，气囊内压强P=482.5/(0.942×19.8)=0.259 MPa<0.30 MPa；

D=1.0 m，9根气囊时(正常状态)：每根气囊的承载力F=2 969×1.3/9=428.9 t，气囊内压强P=428.9/(0.942×19.8)=0.230 MPa<0.30 MPa。

3.3校核气囊的间距

表1 横向移动时采用气囊指标表

表2 纵向移动时采用气囊指标表

为了保证沉箱混凝土的强度应使气囊有合适的间距，还应避免气囊之间互相压叠在一起，校核气囊间距的公式为：3.14×D/2-0.5

3.4牵引系统

3.4.1验算卷扬机的牵引力(按照荷载大的沉箱CX1进行验算)

两侧各配备一台8 t卷扬机合计两台，其牵引力为F=8 t×2=16 t≥KFc/Nc×cosb=1.2×118.76/13×cos0°=10.96 t，安全系数K取1.2;Nc为钢丝绳道数,取13道;b为牵引用的钢丝绳与坡道之间的角度,取0°，所以牵引力满足要求。

3.4.2钢丝绳安全系数的验算

钢丝绳采用贵州钢丝绳厂家生产的φ24 mm纤维芯钢丝绳(6×37S+1WR)，钢丝绳的公称抗拉强度为1 960 MPa，钢丝绳的最小破断力为37.3 t。平地牵拉沉箱时所需的牵引力为Fc=G×u=2 969×0.05=148.5 t，则钢丝绳在牵拉沉箱过程中的安全系数为：K=37.3 t/(Fc/Nc/2)=37.3/(148.5/13/2)=6.53，所以，φ24 mm纤维芯钢丝绳(6×37S+1WR)在牵引沉箱过程的安全系数大于规范所规定的K0=5，满足使用要求。

3.5搬运程序

把气囊铺垫在沉箱底部，气囊之间应整齐排列，相互平行，把牵引系统和供气管道连接好；开动空压机向各个气囊同步供气，当充气压力上升到预定顶升压力的80%时，暂停供气。查看所有的气囊压力是否相同，不相同时可向单个气囊充气，使压力基本相同后再继续充气，直到沉箱脱离支承枕木。关闭气囊的进阀，暂停供气，移开支承枕木。把联接胶管全部拆除，把所有气囊的排气阀打开，缓慢放气。当气囊的高度下降到出运高度时，关闭排气阀，检查各气囊的压力是否基本相同，如没有基本相同则调整气囊压力至基本相同。开动卷扬机，牵引沉箱缓慢向前移动。当沉箱移动的方向上空出一个气囊的间距时，暂停牵引，放入气囊，向气囊充气直至达到预定压力后再重新牵引。当沉箱末端的气囊快要离开沉箱时，打开该气囊的排气阀放气，并拿到沉箱前面的摆放位置备用。重复以上步骤，直到将沉箱移到目的地；当移动沉箱到达目的地后，停止牵引。把支承枕木铺垫在沉箱底部，再把所有气囊的排气阀打开排气，把沉箱平稳地安放在支承枕木上；把气囊取出，进行下个沉箱的出运。

4 半潜驳出运

4.1半潜驳的技术参数

本工程施工采用的半潜驳为“三航工3号”。其参数为：船长50.4 m、船宽31.2 m、型深4.5 m，载重量3 000 t，空船吃水1.5 m，最大潜深21 m。在允许载重量范围下，每500 t载重量吃水为0.31 m。船首部设有一靠岸搭板，其尺寸为长1.2 m、宽22.6 m、高1.2 m。

4.2沉箱上半潜驳

沉箱上半潜驳牵引系统是由设置于岸上的地垅、卷扬机、滑轮组和半潜驳上的导轮固定架及其相连接的钢丝绳组成。在涨潮时安排沉箱上半潜驳，当潮位涨至+4.0 m～4.5 m时，半潜驳搭靠出运码头。半潜驳每次装载一件沉箱，沉箱上船后移动至半潜驳的中部，把专用钢垫枕作为沉箱的支垫，并做好临时加固工作。当在高平潮未退潮之前，沉箱必须完全上驳并且半潜驳退出出运码头，见图1。

当半潜驳就位结束后，往半潜驳内舱抽水，使半潜驳吃水增加20 cm作为压舱用水。然后将半潜驳调整水平，绞紧船头左右缆绳，使驳船垂直靠紧岸壁。在半潜驳与码头平台搭接处铺上钢板，启动牵引系统，开始移动沉箱上驳。

由于沉箱从岸端牵引上驳时，船体会绕支座逐渐下沉，船尾吃水增加，搭板则绕支座转动上翘。在上沉箱过程中及时调节船尾部的压载水，让船尾部稍许上浮，以确保整个船体水平。

沉箱上驳并移至指定位置后，在沉箱底部均匀垫放支承枕木以减少沉箱对甲板的应力集中。本工程使用的垫木尺寸为20 cm×15 cm×120 cm，间距1.5 m，为了能方便抽出气囊，铺垫两层枕木。

4.3半潜驳离开码头

在半潜驳上把沉箱支承牢固并把气囊取出后，半潜驳利用舱内排水上浮及潮水上涨使其脱离码头承台支座，半潜驳在后锚的作用下铰移离开码头。

4.4参数确定

4.4.1压载平衡水

本工程沉箱前后趾对称，在仓内压载平衡水的过程中，随时观测仓内水面高度，确保各仓内水面高度一致，吃水平衡。

4.4.2临界吃水深度

CX1沉箱总重G=2 969 t，为了确保沉箱在下沉及吊离半潜驳过程的安全，起重船要持力100 t左右，设H为沉箱临界吃水深度,则：100+16.8×19.13×1.025×H+(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×1.025×2=2 969，得出H=8.56 m(CX1沉箱的前后趾宽3.0 m，CX1沉箱扣除前后趾的宽度为16.8 m，CX1沉箱前后趾的合计体积为(0.65×1.5+1.5×0.4/2)×19.13×2)。

4.4.3半潜驳下潜深度

半潜驳型深4.5 m，半潜驳下潜到CX1沉箱吃水8.56 m时停止下潜，半潜驳底离海底面有1.0 m富裕水深。因此，半潜驳下潜深度为安装CX1沉箱时H1=4.5+8.56=13.06 m，安装CX1沉箱时半潜驳下潜水域深H2=H1+1.0=14.06 m，沉箱现场安装施工水位定为+2.8 m，因此安装CX1沉箱时下潜水域底标高H3=2.8-14.06=-11.26 m。经现场安排下潜坑选在基槽开挖的边坡范围内(码头前沿80 m宽度范围)。因本工程沉箱现场安装施工水位定为+2.8 m，码头停泊水域底标高为-15.4 m，满足半潜驳下潜的水深要求。

4.4.4半潜驳驻位

由于在涨潮时移动沉箱上船，运移沉箱至下潜坑时已是在落潮时间段，在安装现场依据涨落潮流趋势，半潜驳垂直前沿线驻位，船艉朝海侧，船头对着岸侧，船艏位于下潜坑的中心，在驳船4个主锚下潜时调整定位半潜驳。

5 沉箱安装

在半潜驳就位并压载下沉时，应保证待安装沉箱有最低压载量，以防止沉箱上浮，使沉箱处于稳定状态。沉箱自重2 969 t，沉箱的外形尺寸为长19.13 m，宽19.8 m，高18.2 m。经计算，当沉箱自重与浮力平衡时，沉箱下沉的上浮临界吃水深约8.56 m。即当沉箱下沉吃水至8.56 m前，必须注水压载，沉箱的仓内须加水(各仓一样高)，以使沉箱处于稳定状态。安装沉箱前应详细计算沉箱的每个隔仓的加水量、加水速率和沉箱在半潜驳上及在吊运、安装过程中的稳定性。半潜驳驻位后，200 t起重船移船靠近沉箱就位，开始向半潜驳的压载水舱灌水，使半潜驳均匀下潜，向沉箱内注入符合要求的压载水，当沉箱吃水达到6.7 m左右时给起重船挂钩，继续使半潜驳下潜，沉箱内注水，当沉箱吃水达到8.6 m时，加大起重船的吊力，此时沉箱脱离半潜驳甲板面，缓慢平移离开半潜驳，吊移至预定安装位置安放。

5.1200 t起重船就位

沉箱运移至现场后，200 t起重船根据预先安放的安装位置浮筒标志进行抛锚定位，当低潮时的水位小于+2.8 m时开始安装沉箱。调整起重船的船头朝东侧，船身大致与前沿线垂直，在岸上测量平台上布设两台测量仪器，采用正面交汇法控制沉箱安装的平面位置。

5.2沉箱下沉就位

由于本工程沉箱顶面设计标高为+2.8，设计低水位为+0.54 m，因此本工程沉箱安装着床就位后，沉箱顶部可以露出水面。安装沉箱顺序为第一批安装2号泊位CX2沉箱2件，第二批安装3号泊位与2号泊位拐角处的CX1沉箱2件及2号泊位剩余的CX2沉箱，第三批安装3号泊位剩余CX1沉箱，第四批安装1号泊位CX2沉箱，第五批安装4号、5号泊位CX1沉箱，沉箱定位好后，通过沉箱的灌水阀门开关控制向箱内注水，同时备用2台潜水泵，以防应急使用。通过注水量把沉箱的坡度调成与基床一致。通过向沉箱隔仓内注水使沉箱逐渐下沉，沉箱下沉过程中，控制起重船的吊力稳定在100 t左右。当沉箱下沉至距基床顶面约30 cm时停止注水，检查沉箱的平面位置是否符合要求，检查沉箱底面坡度与基床顶面坡度是否一致。经检查符合要求后，缓慢放下起重船大钩使沉箱着床，并往沉箱内各隔仓注满水。安装好沉箱后，在每个沉箱顶面的四个角设置沉降、位移观测点，定期进行沉降、位移观测。安装沉箱后为了避免受台风影响及确保沉箱稳定，应及时向沉箱内各隔仓回填。

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Analysisoncriticalconstructiontechnologiesofthegravity-stylewharfcaissontransitandinstallation

XiongXiangjun

(XiamenXinghuaHarborSurvey&DesignCo.,Ltd,Xiamen361000,China)

Combining with caisson transit and installation practice of 1#～5# parking engineering of Jinjing working area in Pingtan harbor region, starting from aspects of gasbag transit technique, semi-submerged barge and caisson installation, the thesis introduces critical caisson construction technologies in detail, which can provide some guidance for similar engineering.

gasbag transit technique, semi-submerged barge, caisson installation

1009-6825(2017)32-0084-04

2017-09-05

熊祥俊(1981- )，男，工程师

U656

A