大型沉箱起重船大吊力助浮出运技术

李永锋

(大连港湾工程有限公司，辽宁 大连 116000)

随着沿海港口向大型化、专业化方向发展，码头前沿水深不断加大，作为码头基础的沉箱尺度也越来越大，对沉箱出运提出了更高的要求。常用的沉箱出运方式包括小型沉箱吊扶出运[1]、中大型半潜驳出运、气囊台车出运[2-3]、浮坞出运[4]和斜坡下水滑道出运等。随着沉箱尺度的不断增大，早年已建成的沉箱预制场斜坡式滑道末端水深难以适应大型沉箱出运的要求。为解决大型沉箱斜坡式滑道末端水深不足的问题，对起重船大吊力助浮沉箱出运技术进行分析计算，并经物模试验验证，较好地解决了大型沉箱出运受滑道水深不足限制的问题。

1 工程概况

大连港大窑湾北岸配套码头工程为重力式沉箱结构，沉箱长16 m、宽15.1 m、高22.1 m、自质量2 780 t。沉箱预制和出运利用大连港湾工程有限公司大窑湾沉箱预制厂，台座平面尺寸为22 m×24 m,最大可预制3 000吨级的沉箱。沉箱下水方式为斜坡式下水，滑道长度为198 m，末端水深为10.3 m。

根据沉箱浮游稳定计算，当定倾中心高度m≥0.2 m时，沉箱起浮需要的最小吃水深度为14.2 m。大窑湾沉箱预制厂滑道末端纵移车顶端水深10.3 m，沉箱自然起浮出运至少需要乘4.3 m潮水，但是大窑湾港区全年4 m以上潮水有限，潮位保证率(小于10%)不能满足施工需求。

为满足沉箱下水浮运的要求，重点对陆上一次预制成型、起重船大吊力助浮出运沉箱的施工工艺进行研究，解决传统斜坡式滑道超能力出运沉箱的技术难题。

2 同类技术国内概况

《码头结构施工规范》中有允许用起重船助浮的相关条文,但如何选取吊力P和核算浮游稳定性未作规定。目前，国内起重船助浮出运沉箱的相关施工项目多为半潜驳出运形式，解决的是半潜驳平潜作业稳定性不满足规范要求或下潜区水深不满足沉箱浮游稳定而采取的助浮出驳问题，少有针对斜坡式滑道末端水深不满足沉箱浮运吃水而采用起重船大吊力助浮的相关施工案例及技术。

3 吊装系统的设计

由于沉箱外壁厚度难以满足吊环埋设要求，本工程采用在沉箱外壁预留吊孔的吊装方式；为保证吊力与沉箱外壁在同一竖向平面内，在沉箱顶部设置助浮吊架。

3.1 沉箱吊孔设计验算

沉箱采用8点起吊，起重船为双吊钩，双吊钩间距为3.0 m，每个吊钩4组钢丝绳，通过吊架与吊孔销子相连，吊架采用四点吊，钢丝绳起吊角度要求均大于65°。吊孔距沉箱顶端6.0 m，为了保证钢丝绳与吊架夹角，吊钩距离吊架高度为18.0 m，考虑到人员机械操作要求，吊架高出沉箱顶5.0 m，沉箱起吊模型见图1。

图1 沉箱起吊模型

为保证沉箱助浮吊运安全，须验算吊孔局部受压承载力、吊孔处受冲切承载力和吊孔抗剪承载力等。沉箱助浮出运时考虑吊装动力系数1.3，8个吊点按6个同时受力计算，则单个吊孔受力值为975 kN。

经计算，吊孔局部受压承载力设计值为947 kN，局部受压承载力不满足要求，考虑在吊孔处增设钢套筒，钢套筒壁厚15 mm，增设套筒后吊孔局部受压承载力设计值为1 356 kN，受冲切承载力设计值为2 654 kN，抗剪承载力设计值为1 669 kN，满足承载力要求。

3.2 沉箱助浮吊架的设计及计算

吊架采用钢结构，主梁采用双槽36b对扣焊接方形管，联系梁采用双槽32a对扣焊接方形管，两槽钢中间需要加肋，上方桁架采用双槽16a对扣，焊接于主梁上，挡块采用双槽32a对扣，挡块内部和背面设置加强板。每个钢丝绳位置左右各1组，长度可根据起重船能力适当调整，并且设置销子，防止钢丝绳从挡块之间脱离。

采用有限元软件迈达斯CIVIL对吊架进行长细比、应力和变形验算，吊架3D计算模型见图2。结果为：长细比44.8，吊架应力最大值为64 MPa，最大竖向位移3.12 mm，均满足相关规范要求。

图2 吊架3D计算模型

3.3 吊索具计算

1)起吊沉箱钢丝绳的选用。考虑钢丝绳磨损，折减系数取0.9，承载力安全系数取5。根据GB/T 20067—2006《粗直径钢丝绳国家标准》，选用6×37(a)类直径82 mm钢芯钢丝绳，公称抗拉强度为1 870 MPa，折减后最小破断拉力为4 032 kN；吊运沉箱钢丝绳拉力为3 656 kN，选用钢丝绳满足沉箱吊运要求。8根钢丝绳总长度为491.68 m，总质量13.82 t。

2)起吊钢吊架钢丝绳的选用。钢吊架总质量为G=23.19 t(包含加劲肋)，起吊吊架采用4点吊，选用GB 8918—2006《钢丝绳国家标准》6×37(a)类直径32 mm钢芯钢丝绳，公称抗拉强度为1 570 MPa。4根钢丝绳总长度为79.72 m，总质量为0.35 t。

考虑弯折增加长度5%后的吊索具所用钢丝绳总质量为14.88 t，吊架含钢丝绳的总质量为38.07 t。考虑沉箱助浮力4 500 kN，则所需起重船最大起吊力为4 900 kN。起重船助浮出运沉箱见图3。

图3 起重船助浮出运沉箱

4 物理模型试验

采用物模试验模拟沉箱出运过程，结合理论计算总结不同工况下吊力与沉箱吃水、定倾高度m的关系[5]。长度模型比尺为40，实际波高为0.5 m，波浪模型采用规则波。沉箱吊浮模拟见图4。

图4 沉箱吊浮模拟

经计算，在不考虑助浮吊力的情况下，当沉箱吃水13.9 m时，定倾高度m=0 m，处于临界稳定状态；满足定倾高度m=0.2 m时，沉箱吃水为14.2 m。

为满足斜坡道末端起浮要求，沉箱吃水不大于13.0 m，并满足定倾高度m≥0.2 m的要求。为验证物模试验吊力数值，选取沉箱吃水13 m、定倾高度为0.1 m的工况进行复核。理论计算吊力为3 429 kN，试验实测值为3 440 kN，考虑到读取水位的误差、滑轮摩擦阻力等因素，试验数值与理论计算结果吻合，试验沉箱吃水与m值及吊力对应关系见表1。

表1 试验沉箱吃水与m值及吊力的关系

5 结语

1)通过运用物理模型试验，模拟沉箱起重船大吊力助浮，验证了吊力与沉箱吃水及m值之间的理论关系。

2)根据起重船助浮特点，设计并制作大型钢结构撑架系统，解决了起重船起吊时钢丝绳对沉箱外壁的破坏问题。

3)大型沉箱起重船大吊力助浮出运技术成功解决了传统斜坡式滑道不能满足大吃水沉箱出运的技术难题，为传统预制场大吃水沉箱出运提供了成熟可靠的解决方案。