封仓法打捞倾斜没顶沉箱

景春荣 关明鸣

摘 要：本文主要以东莞市虎门港沙田港区三期工程沉箱侧滑没顶的打捞为案例。介绍钢盖板封仓法打捞沉箱的钢盖板设计、临界水位计算、打捞过程控制要点。通过打捞案例证明，钢盖板封仓打捞沉箱工艺成本较低、实施可行性强，具有较好实际应用价值。

关键词：临界水位计算 钢盖板设计 打捞方法

1.引言

沉箱重力式码头在沉箱储存、浮运、安装等施工过程中，因各种原因导致沉箱没顶的事故时有发生。沉箱发生没顶后，急需一种成本低、可行性强的打捞方案。本文通过沉箱打捞的工程实例，为大家介绍了钢盖板封仓打捞沉箱的施工工艺及过程中的设计、计算、注意事项等，供相关工程技术人员参考、借鉴。

2.工程概况

本工程位于东莞市虎门港沙田港区西大坦作业区北端，下游紧邻已投产的西大坦作业区7#、8#泊位，上游紧邻正在施工的客运码头。建设规模为2个5万吨级集装箱泊位，码头岸线长度648m，重力式沉箱结构。沉箱主要尺寸宽×长×高为：14.2（含前趾1.0m）×24.8×17.1m，单件重2454t。共需安装沉箱21個。

发生倾斜沉箱为标准型CX1型号（本工程安装编号为16#），临时寄存区泥面标高为-14.8m（抛填0.8m袋装砂），由于业主原因停工时间长达一年，停工期间施工水域偷采砂事件时有发生，造成16#沉箱临时存储地海侧地势发生塌陷，沉箱在自重和涌浪影响下发生倾斜没顶，导致在潮水最低潮位时，沉箱靠海侧10个仓格仍没入水中，无法按正常施工方法直接抽水上浮，且已回淤约4m沉淀物“包裹”沉箱。经潜水和测量人员调查，沉箱倾斜没顶情况如图2。

3 .沉箱打捞方案比选

根据现场实际情况和其它工程类似沉箱打捞工艺，初步制定以下几种方案进行比选（见表1）。

经过方案比选，确定采用钢盖板封仓法进行沉箱打捞。

4.钢盖板结构设计与计算

4.1钢盖板结构设计

4.1.1最不利荷载设计

沉箱最低点标高为-0.5m，本工程安装沉箱施工一般选择在潮位2.5m以下进行施工，沉箱起浮应选择高平潮抽水开始，低平潮沉箱起浮，故钢盖板设计考虑最不利承受水深为3m，即盖板水压为30KN/m，盖板设计自重为约0.5 KN/m，故钢盖板承受最不利荷载为30.5 KN/m。

4.1.2钢盖板结构

根据钢盖板以上承受最不利荷载，制定以下结构尺寸：

（1）单个仓格钢盖板平面尺寸为4460*3960mm;

（2）面板：δ=5 mm厚钢板;

（3）主梁：双拼[12a槽钢，最大间距940mm;

（4）次梁：双拼[12a槽钢，最大间距1230mm;

（5）吊梁：双拼[14a槽钢;

（6）钢烟筒：φ700mm，δ=3mm钢管。

4.2 结构计算

4.2.1材料参数

型钢（Q235）：抗弯强度设计值fm=215MPa，抗剪fv=125MPa，弹模E=210GPa。

双拼[14a：截面系数W=161*103 mm3，惯性矩I=1126*104mm4

双拼[12a：截面系数W=124.2*103 mm3，惯性矩I=782*104mm4

4.2.2计算过程

按照钢盖板承受最不利荷载30.5 KN/m进行计算，采用Madis软件建模进行计算可得：

最大组合应力95.3MPa< [σ]=215MPa，满足抗弯要求。

最大挠度为底主梁双拼[12槽钢x=7.1mm（跨中），根据《建筑施工计算手册》的规定，容许挠度为L/500（L的取值为跨长度3600mm）=7.2mm，满足要求。

5.打捞施工方法

5.1钢盖板制作及安装

5.1.1.钢盖板制作

钢盖板制作场地利用本工程旁边的客运码头码头面作为加工场，加工资源配置主要包括：焊工5名、200KW发电机1台、50t船吊1台等。

钢盖板的焊接质量至关重要，必须严格按照焊接规范要求进行焊接作业，保证钢盖板不发生过大的变形从而发生渗漏。钢烟筒细而高，受风浪作用影响较大，因此除烟筒底部与盖板之间焊接确保质量外，另外必须用角钢在两者之间焊多道支撑杆件，以保持钢烟筒的稳定。

5.1.2钢盖板吊装及塞缝

5.1.2.1钢盖板安装

钢盖板安装采用50t吊船配合潜水员进行安装，从岸向海侧依次安装，安装过程特别注意海侧预留胸墙锚固钢筋位置，提前切割、弯曲，确保封板顺利安装。

5.1.2.2封板初步固定、封堵

封板安装完成，潜水利用加工好的实木三角条、土工布、棉被等材料进行初步封堵，考虑封板部分处于浪溅区，封堵前采用较大木尖进行定位的固定方式。

5.1.2.3封板细部封堵

封板初步封堵完毕，开始吊水泵入仓格内，水泵长度设置为距离底板4m位置（根据以下沉箱浮游稳定验算而来），水泵吊装完毕试抽水，抽水过程利用土工布、棉被进行细部堵缝，直至仓格内水面脱离封板底面，且抽水效率较为适中完成。

5.2沉箱周边清淤

沉箱周边淤泥深度约3.5～5.6m左右，抽淤设备选用清淤船，在沉箱起浮前先进行清淤，清淤位置选择岸侧上游角点（沉箱顶面最高点）开始，清除掉岸侧一半淤泥，为防止沉箱进一步倾覆，沉箱较低侧（海测）淤泥不能清除。

5.3沉箱浮游稳定计算

沉箱浮游稳定参数根据定倾高度计算式：

公式中：—定倾高度（m）;—定倾半径（m）;—沉箱重心到浮心的距离（m）;—矩形断面沉箱在水面处的断面对纵向中心轴的惯性矩（m4）;L—沉箱长度（m）;B-沉箱在水面处的宽度（m）;—各箱格内压载水的水面对该水面纵向中心轴的惯性矩之和（m4）;—纵向墙之间的净距离（m）;—横向墙之间的净距离（m）;V—沉箱的水排水体积（m3）;

通过计算，CX1沉箱浮游稳定参数如表1所示。

5.4 沉箱临界水位计算

5.4.1 附着力计算：

吸附力计算公式（高占锋 《坐底结构物吸附力计算模型和方法研究》论文中推导公式）

式中：Fi-结构体的理论吸附力;S-底质的抗剪强度;A-结构体与底质的水平投影接触面积;D-结构体在底质中的浸深;B-结构体的宽度;L-结构体的长度;S实-结构体浸在淤泥中的接触面积;S投-结构体浸在淤泥中五向投影面积

代入本工程数据：S=5.0kpa;A=347.8m2;D=2.8m（平均浸深）;B=14.2m;L=24.8m;s实=602.2m2;s投=594.8m2。

计算可得：Fi=11728.5kN

5.4.2 臨界水位计算：

经计算可得沉箱自重G= 24049.2kN;F浮=54300kN（计算浮力时取最低潮时+1.0m时计算）。

临界水位可由下式计算：

式中：S为沉箱内空箱截面积，g为重力加速度。

计算可得：h=6.85m。

5.4.2 浮起后冲高高度估算：

浮起高度可由下式估算：

式中：S为沉箱截面积，g为重力加速度。

经计算可得h2=3.66m，预计起浮达到临界点时沉箱会冲高约7m。

为控制在最低潮时沉箱起浮，根据临界水位和泵的抽水速度，开始抽水时间为最低潮之前5小时。

5.5 沉箱起浮

（1）利用50t起重船将24台抽水泵经过钢烟筒放入沉箱各仓格内。同时利用浮运沉箱所用的钢丝绳绑扎沉箱，用以控制沉箱浮起时的平衡。牵引绳要预留一定的长度，以防沉箱突然起浮冲高时拉断绳索，发生倾倒。

（2）开启水泵试抽水，将泵调整到正常状态，并测算出每分钟水位下降值等参数，同时潜水员下水检查密封情况，对渗漏处及时处理。经开泵抽水后，潜水员下水检查，钢盖板已紧紧压在沉箱上，与沉箱口部接合严密。

（3）正式抽水起浮前，须确定水位下降速率，起浮临界水位，压仓水最低水位等施工参数。按照以上计算，起浮临界水位为6.85m。

（4）准备工作完成后，根据临界水位计算的抽水开始时间，即可以开始正式抽水。每台泵由独立开关对应控制。同时在抽水前在每个烟筒内放置1条测绳，测绳的下端系着浮标，浮标随箱内水位升降，测量人员测读绳上刻度，便知抽水的深度。通过控制水泵将各仓室水位调整平衡。当水位达到起浮临界水位时，应停泵观测，如10分钟后沉箱仍未浮动，可对角开启水泵，降慢抽水速度，抽水30cm停泵观测10分钟，如此重复直至沉箱浮起。沉箱浮起并稳定后继续抽水至浮游稳定所需水位。

6.体会

（1）钢盖板焊接质量非常关健，必须经过严格检查。

（2）沉箱前壁仓顶有外伸钢筋，钢盖板吊梁与沉箱顶面混凝土之间较难支垫平整，导致盖板各个吊梁不均匀受力，受力最大的吊梁折断后，其余吊梁会相继折断。且吊梁折断形式一般为受扭弯曲后折断。对此，采用办法将盖板每侧的4条吊梁用[14槽钢连接成一个整体，增加吊梁的整体受力。

（3）抽水至起浮临界水位前，起重船舶要离开沉箱15m之外。水泵电缆要放松入水至少10m。潜水员不得待在沉箱顶，防止沉箱冲高，发生安全事故。

（4）抽水严格按照钢盖板承受最不利荷载设置的边界条件进行，本工程抽水条件是潮位为不高于2.5m，且在最低潮前5小时开始抽水作业，可根据潮水选择高潮水位在一个月内较低时进行沉箱的打捞工作。

（5）由以上沉箱冲高计算可知，沉箱冲高高度跟吸附力大小成正比，要确保沉箱起浮安全，不产生很大冲高，需要在起浮之前尽量清除周围淤泥，降低吸附力。

（6）因为沉箱达到临界水位时会冲高，此时最易发生安全事故，因此需要计算抽水达到临界水位时间，控制沉箱浮起时为最低潮位，沉箱大部分露出，方便沉箱冲高时观察沉箱周边情况。

7.结语

沉箱重力式码头在沉箱储存、浮运、安装等施工过程中，因各种原因导致沉箱没顶的事故时有发生。通过本工程的实践证明钢盖板封仓打捞沉箱是一种行之有效的打捞方法，此工艺具有安全可靠、操作简单、成本较低等特点，可在类似工程中不断摸索优化、推广使用。

参考文献：

[1]石毅.《利用水压密封舱顶法打捞沉箱》.港口工程，1992年第3期.

[2]高占锋.坐底结构物吸附力计算模型和方法研究.大连理工大学硕士学位论文，2005.