大型沉箱由气囊转胶囊台车出运工艺技术探讨

郭思军 孙康星

中交一航局第二工程有限公司，中国·山东 青岛 266071

大型沉箱在原地坪上建造台座，由气囊纵横移移运至出运台座后端，经斜坡过渡段由气囊移运至胶囊台车上，期间采用装载机顶推钢斗掏沙、胶囊台车顶部铺垫木排，成功解决了大型沉箱底部掏沙、气囊转胶囊台车出运等施工难题，为后续施工奠定了坚实基础。

斜坡过渡段；顶推钢斗掏沙；铺垫木排；气囊转胶囊台车出运

1 引言

龙口港西港作业区#5、#6 泊位工程为顺岸重力式沉箱结构，共有沉箱20 个，其中原有沉箱5 个，接高沉箱7 个，新建沉箱8 个。沉箱施工、出运工期为2018．10．2-12．15，工期非常紧迫，须在出运线南侧原地坪上新建4 个大型沉箱，沉箱尺寸为32．11 m×15．95（16．95）m×20．8m，重量为4953．8t。施工前需铺垫底模支撑沉箱，沉箱完工后，底部需掏沙处理，再由气囊纵横移运至出运台座后端，经2．5%斜坡过渡段由气囊移运至胶囊台车上。因受胶囊台车顶升高度限制，气囊移至胶囊台车上后无法直接出运，需在沟盖板上铺垫一层木排，从而解决胶囊台车顶升受限问题。

图1 沉箱预制场平面布置图

2 课题研究内容

2.1 气囊转胶囊台车出运方案比选和确定

方案一：传统方案

沉箱底模采用间隔铺垫工字钢，为缩短施工周期，淘汰沉箱底部人工掏沙工艺，在工字钢顶部满铺方木，再铺垫硬质牛皮纸作沉箱隔离层。待沉箱强度达设计强度后，即可穿插气囊，气囊经纵横移运至胶囊台车盖板上，在沉箱周边支垫钢板及枕木，抽出气囊后，在沟盖板下布置16 台600t 千斤顶及底座，且每4 台千斤顶由1 台油泵控制顶升，直至沉箱脱离枕木后，立即撤离沉箱支垫的枕木，再缓慢回落千斤顶，直至沉箱及沟盖板回落至台座上，撤离油泵、千斤顶及底座，最后胶囊台车就位，开始顶升沉箱。

方案二：优化方案

沉箱底模采用间隔铺垫工字钢，工字钢间填充细砂，顶部铺垫一层旧木胶板及硬质牛皮纸作沉箱隔离层。待沉箱强度达设计强度后，采用装载机顶推钢斗掏沙处理，掏沙效率为1．5d/个，再穿插气囊，气囊经纵横移运至胶囊台车盖板上后（胶囊台车已经就好位），在沉箱周边支垫钢板及钢管支墩，抽出气囊。吊移沉箱后方2 块沟盖板，安装操控室顶升胶囊台车，直至沟盖板离地2cm 高，关闭水阀，且撤离操控室，采用装载机将胶囊台车牵引出沟盖板。经胶囊放水调平沟盖板后，在盖板上摆放木排。最后由卷扬机将胶囊台车连同木排一起牵引至沉箱底部，重新安放操控室，继续加水顶升沉箱，直至沉箱脱离钢管支墩后，迅速撤离支墩，再缓慢放水直至滑块支撑在支垫上，台车顶升沉箱前移[1]。综上所述，因传统方案一施工费用较高、千斤顶顶升沉箱施工风险较大，且大型千斤顶采购时间较长，无法满足施工要求。拟选定优化方案二，既能节约施工成本，又保证施工进度及安全。

表1 方案一与方案二施工费用比选

2.2 气囊转胶囊台车出运工艺原理

沉箱由气囊经纵横移运至台车沟盖板上后，在沉箱周边支垫2cm 厚钢板、23．5cm 钢管支墩及1．5cm 木胶板，总高度为27cm。抽出气囊后，台车顶升沟盖板离地2cm 高，采用装载机将台车牵引出沟盖板，经放水调平沟盖板后，顶面摆放20cm 厚木排，木排与沉箱间预留4～5cm 缝隙。最后由卷扬机将台车及木排牵引至沉箱底部，台车继续加水顶升沉箱，直至沉箱脱离支墩1cm 后，立即撤离所有支墩，此时台车顶升总高度为10．5cm（含台车与沟盖板间2．5cm 空顶高度），再将台车放水直至滑块支撑在支垫上，台车顶升沉箱前移，同时半潜驳11 的台座支垫相应增高20cm 木排，且需加固处理。待沉箱上半潜驳11 就位后，台车继续加水顶升沉箱，直至滑块复位，方可放水撤离胶囊台车。

图2 气囊转胶囊台车出运工艺流程

2.3 气囊转胶囊台车操作要点及其受力验算

2．3．1 原地坪底模铺设

（1）底模铺设

沉箱底模采用280mm 工字钢横向铺设，铺设净间距为1．75m，工字钢间填充密实细砂，工字钢及细砂上铺垫一层15mm 木胶板及硬质牛皮纸作沉箱隔离层，沉箱底板周边摊铺一层宽48cm 防水丙纶作止浆处理。

图3 沉箱底模铺设图

（2）沉箱底模工字钢受力分析

最大沉箱重4953．8t，由17 根280mm 工字钢支撑，单根工字钢长19．35m，净间距为1．75m。

荷载计算：q=4953．8×10/（17×19．35）=150．6kN/m

抗剪计算：Q=qL=150．6×1=150．6kN

截面抗剪强度：

T=3Q/2bh=3×150600/(2×122×280)=6．6N/mm2<[T]=125，满足要求。

2．3．2 沉箱底模撤离

沉箱底部采用装载机顶推钢斗掏沙处理，顶推钢斗装置由装载机、钢桁架、钢斗三部分组成，三者间均设置阴阳卡槽，由Φ25 高强螺栓连接。为便于施工操作，直接在装载机斗内焊接两组由2cm 厚的15×15cm 钢板组成的卡槽，中间打设Φ27mm 孔，卡槽间距800mm，便于连接长6m 宽800mm 钢桁架。钢桁架主梁采用双8[槽钢焊接，中间采用8[槽钢作支撑及斜撑，共需3 组，总长18m。钢桁架前端连接钢斗，钢斗底板采用1cm 厚钢板，肋板采用2cm 厚钢板，后端采用双12[槽钢焊接而成，钢斗长1．3m 宽1．5m。掏沙时先采用1 组6m 长钢桁架使用装载机顶推掏沙，再依次采用2、3 组钢桁架顶推掏沙，施工进度为每个沉箱1．5 天。待细砂清除干净后，即可穿入气囊顶升沉箱，直至沉箱脱离工字钢后，再由装载机撤出工字钢，当沉箱向前滚动时，安排人收拾木胶板并摆放整齐。

图4 装载机顶推钢斗掏沙

2．3．3 沉箱纵横移出运方案

沉箱纵横移选用Ф1m 超高压气囊，壁厚为10mm，出厂检验承压能力为0．36MPa，许用压力为0．30MPa，正常使用压力为0．2-0．25MPa，安全阀限压值取0．35MPa，气囊正常工作高度H 为30cm，承载面宽：B=(πD-πH）/2=1．1m。

（1）沉箱纵移

气囊Φ1m，有效工作长度16．95m，工作压力：0．25MPa。气囊起重高度为0．3m 时，承载面宽1．1m。气囊每延米承载力250×1．1 ＝275KN，每条承载力275×16．95 ＝4661．25KN，气囊数量49538/4661．25 ＝10．6 条，为保持沉箱的稳定性，应随时保持有14 条气囊支撑的状态，加上接应气囊5 条，共需19 条气囊。气囊在未充气情况下，宽度为1．57m<1．75m，满足施工要求。

图5 气囊纵移布置

（2）沉箱横移

气囊Φ1m，有效工作长度32．11m，工作压力0．25Mpa。气囊起重高度为0．3m 时，承载面宽1．1m，每条气囊承载力275×32．11 ＝8830．25KN，气囊数量49538/8830．25 ＝5．6 条，为保持沉箱的稳定性，应随时保持有7 条气囊支撑的状态，加上接应气囊4 条，共需气囊11 条。

图6 气囊横移布置

（3）沉箱底部支墩选用及布设

沉箱底部支墩采用高235mm 的Φ420mm 钢管，管内上下焊接2 层Φ20 钢筋，并浇筑C30 砼。施工时先在沉箱周边铺垫宽1．1m 厚2cm 钢板，钢板上铺垫2 排钢管支墩，支墩顶部铺设一层15mm 厚木胶板，支墩布设完成后，即可放气抽出气囊，进行气囊纵横移换位。待气囊换位后，采用绳索直接将钢管砼支墩撤出，将其滚运至下道换位处，施工搬运较方便。

图7 钢管支墩制作

图8 钢管支墩浇筑砼

图9 钢管支墩支撑

原地坪地基为回填碎石碴层，普夯碾压后，经地基检测地基承载力特征值均为480KPa，地基上再浇筑20cm 厚C25砼面层。本工程沉箱共支垫108 块支墩，每块支墩受力为458．7KN。

σ=N/An=458．7×103/（3．14×0．21×0．21）=3．31<12．5 N/mm2，满足要求。

支墩底座压力荷载通过钢板传递到面层后，再经面层传递至回填土石方基面（混凝土垫层扩角取45 度），支墩地基承载力验算：

N/Ad≤Kfk

式中N—支墩传至钢板的轴心力设计值，取沉箱压力值49538kN

Ad—钢板基础的底面积，取115．43m2

fk—地基承载力标准值，按砼基础上回填碎石碴土分层碾压后地基承载力≥480KPa

K—调整系数，混凝土取1．0

49538/115．43=429．16KPa<480KPa，地基承载能力满足施工要求。

2．3．4 气囊转胶囊台车出运台座改造方案

根据气囊出运要求，斜坡过渡段坡度比宜2．5%，为便于出运，气囊转胶囊台车出运台座由转换平台段、斜坡过渡段、胶囊台车顶升段3 部分组成。其中转换平台段、斜坡过渡段处理前，先在台车沟内预埋Φ108 钢管，钢管内穿插胶囊台车牵引钢丝绳，钢管坡度根据钢丝绳实际坡度而定。每根钢管采用2 组10#工字钢进行加固处理，钢管间焊接密实，两端砌筑加气砖封堵后，再分层回填石碴。待石碴回填完成后，在布置支墩位置浇筑宽1．5m 高70cmC30 砼圈梁，圈梁砼强度达75%后，转换平台段、斜坡过渡段即可分层回填石碴，石碴经碾压完成后，再浇筑20cm 厚C30 砼面层。最后在斜坡过渡段与胶囊台车顶升段衔接部位凹槽处填充22cm 厚石粉，并浇水碾压密实后，方可进行气囊滚运。

图10 转换平台段

图11 斜坡过渡段

图12 胶囊台车顶升段

气囊滚运至沟盖板上时，气囊方向与沟盖板方向垂直，气囊正常工作起重高度为0．3m，承载面宽1．1m，沟盖板宽1．65m，则每块盖板承载力250×1．1×1．65 ＝453．8KN。

盖板两端搁置在管沟壁上，板按简支受力计算，均荷载q=453．8/2．8=162．07KN/m

钢筋砼沟盖板相对受压区高度

式中：As--盖板钢筋的截面面积为3236mm2

A/s--盖板钢筋的截面面积为402mm2

fc--C40 砼19．5N/mm2

b--1650mm

h0--100-(15+10/2)=80mm

ξ=340×(3236-402)/(19．5×1650×80)=0．37<ξb=0．544

截面抵抗矩系数：

气囊滚运至沟盖板上时为短暂设计状况，ψ=0．95;结构安全级别为Ⅰ级，r0=1．1;结构系数rd=1．2

M=1．1×0．95×0．0456×qL2

=1．1×0．95×0．0456×162．07×1．65×1．65

=21．03KN．m

M=21．03KN．m

2．3．5 气囊纵横移牵引地牛及预埋件受力分析

牵引力公式F=fQ，其中f 为气囊与地面滚动摩擦力取0．04，Q 为沉箱重量

F=0．04×4953．8=198．15t。

本沉箱移运的横移和纵移均由4 部卷扬机完成，规格为25t，绳速11m/min，卷扬机通过10倍率滑轮组对沉箱进行牵引，每台卷扬机牵引力为250t，2台合力达500t，出运速度为1．22m/min。

地牛及其预埋件受力计算

（1）斜坡i=2．5%，a=1．43°

f1=4953．8×sina=123．56t

f2=4953．8×cosa=4952．26t

f磨=f2×0．04=198．09t

如需要反拉F=123．56+198．09=321．65t

图13 斜坡上沉箱重力G 分解

（2）根据一般后溜力f1=123．56t，选用Φ65钢丝绳，6×37(a)直径为65mm(公称抗拉强度1670Mpa，纤维芯)钢丝绳最小破断拉力为2328．4KN，最小破断拉力总和为2328．4×1．226=2854．6KN。使用双根，安全系数K=268．4×2/123．56=4．6倍。

如沉箱需往回反拉，反拉力F=321．65<536．8t，满足要求。

（3）25t 卷扬机采用Φ40 钢丝绳作为牵引用，钢丝绳的破断力为0．33×40×40×(1670/1000)×1．226=108．1t，安全系数=108．1/25=4．3>4。

（4）地牛结构计算

地牛自重G=3．5×3．0×2．5×2．3=60．4t

斜坡最大后滞力P=321．65t

地锚受拉后的被动土压力T=P×cosa×0．5=160．77（f=0．5）

G+T>P×sina×3(安全系数K ≥3)

地牛结构设计满足要求。

（5）地牛吊鼻受力计算

本工程每座地牛上预埋2 个Φ70 圆钢吊鼻。

当吊环埋入方向与吊索方向基本一致受力时，单个吊环钢筋截面面积可按下列式计算：

A=3F/2nfy

=3×321．65/(2×2×210×10^6)

=114．88>38．46cm2

选用Φ70 圆钢做吊鼻满足施工要求。

2．3．6 气囊转胶囊台车铺垫木排方案

（1）铺垫木排施工流程

牵引台车、沟盖板至沉箱底座外→铺垫木排→牵引台车、沟盖板、木排至沉箱底部→台车顶升沉箱

图14 铺垫木排

（2）铺垫木排操作要点

①待气囊滚运至台车顶升段且支垫完成后，进行胶囊台车注水，当台车顶升盖板脱离地面2cm 后，关闭注水阀，采用装载机将台车、沟盖板牵引出沉箱底座外。

②依次打开台车水阀，放水调平沟盖板，调平后依次摆放20cm 厚木排，采用卷扬机将台车、沟盖板、木排缓慢牵引至沉箱底部。

③台车继续注水顶升沉箱，当沉箱脱离枕木后，立即撤离所有枕木，然后缓慢放水直至沉箱回落由台车垫块支撑，此时沉箱离开台座地坪270mm（木排厚20cm+台车垫块支撑70mm），台车顶升沉箱前移至半潜驳11 坐底。

3 工艺实施效果

3.1 气囊转胶囊台车出运实施效果

本工程沉箱底部采用装载机顶推钢斗掏沙，大大缩短施工工期，且掏沙完成后均满足陆上气囊出运要求。气囊经转换平台、斜坡过渡段、胶囊台车顶升段后，采用木排成功实现气囊转胶囊台车出运难题，且出运过程中，沉箱平稳，施工安全可靠。

图15 沉箱纵横移

图16 铺垫木排后沉箱顶升

3.2 实践中的经验、教训

（1）沉箱底模采用铺垫工字钢，中间填充密实细砂，顶部铺设旧木胶板，底部掏沙时采用装载机顶推钢斗掏沙等优化工艺，平均每个沉箱只需1．5 天，使用人工约15 工日，装载机1．5 台班，节约大量施工成本，同时大大缩短施工工期。

（2）沉箱底部支墩采用钢管砼支墩，节约大量木材成本，且钢管砼支墩可直接滚运，搬运方便。

（3）本工程沉箱纵横移通过转换平台段、斜坡过渡段、胶囊台车顶升段，合理利用原有地坪基础，并将原部分台座进行简单改造，成功将不同高度的出运台座由气囊转胶囊台车出运，节约大量台座建造费用，为后续预制场改扩建提供参考。

（4）本工程沉箱由气囊转胶囊台车出运，主要通过在沟盖板上铺垫20cm 厚木排及15mm 厚竹胶板，成功解决胶囊台车顶升高度不够，摒除了大型千斤顶顶升困难等施工难题，为后续沉箱陆上气囊出运提供借鉴。

4 效益评估

传统方案采用间隔铺垫工字钢，顶部满铺方木，气囊转运至胶囊台车台座上后，采用600t 千斤顶顶升工艺，施工费用为183．01 万元；优化方案后采用间隔铺垫工字钢，中间填充密实细砂，顶部满铺木胶板，采用装载机顶推钢斗掏沙，气囊转运至胶囊台车台座上后，在胶囊台车上铺垫木排，施工费用为66．78 万元。两方案相比较，本工程采用的优化方案共节约116．23 万元。同时工艺优化后，施工进度满足业主工期要求。

5 结语

本工程大型沉箱由气囊转胶囊台车采用装载机顶推钢斗掏沙、钢管砼墩支撑、斜坡过渡段、沟盖板上铺垫木排等优化工艺，成功解决了沉箱底部掏沙难、枕木搬运难、不同高度的出运台座由气囊转胶囊台车出运难等施工难题，同时大大缩短了施工工期，保证了施工进度，实现了大型沉箱由气囊转胶囊台车施工安全、环保、高效、低耗的目标。

实践证明大型沉箱由气囊转胶囊台车出运工艺是非常成功的，对类似工程具有较高的推广应用价值，亦为沉箱陆上出运施工提供了一种成功的创新方法，是对传统工艺施工技术的一项重大突破，这对提高沉箱出运水平具有重要意义，它的社会效益和经济效益是巨大的。