高长细比沉箱内抽砂重新起浮的施工探讨

杨卫东，刘慧波

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

引 言

沉箱是目前重力式码头最常用最主要的构件。随着码头等级越建越大，泊位要求的前沿水深也越来越深，故使沉箱朝高长细比趋势发展。沉箱在安装成功并回填砂石后，因各种原因可能会要求重新起浮安装，但如何从细长狭小的沉箱隔仓中水下抽砂，以达到重新起浮的重量要求，是施工中需解决的关键问题。中石化（香港）洋浦成品油保税库项目配套码头工程在施工中就遇到了这种问题，现场采用自制空压抽砂机进行水下抽砂的方法，有效地解决了高长细比沉箱重新起浮的关键技术问题，取得了很好的效果。

1 工程概述

中石化（香港）洋浦成品油保税库项目配套码头工程的1#泊位为10万t级成品油泊位，其中工作平台沉箱4件，采用方沉箱。沉箱底板四周带趾，沉箱尺寸（长×宽×高）10 m×10 m×20.2 m，趾长1.0 m，底板厚度 60 cm；每件沉箱内设 4个隔仓，隔仓尺寸4.5 m×4.5 m；沉箱外壁厚35 cm，内壁厚25 cm，重量约为1 143.5 t。该沉箱于2016年9月中旬完成安装，10月上旬完成沉箱内14 m的中粗砂回填（中粗砂内摩擦角µ≥28°）。

2 沉箱重新起浮安装的施工流程

沉箱重新起浮安装的基本工序如图1。

图1 沉箱的重新起浮安装流程

在重新起浮安装施工的工序中，与首次安装略有不同的工序需特别注意。

1）沉箱基床清淤

沉箱安装完成后，可能有回淤填满了基床面和沉箱底板之间。如果不清淤，沉箱底面和基床面会因为淤泥产生相互吸力，造成起浮重力加大，增加起浮难度。

2）沉箱内抽砂

这项工序是沉箱重新起浮的关键，其主要困难在于沉箱内隔仓较狭小，水深较深，不能采用大型机械设备；回填砂内摩擦角大，不容易吸动。

3）沉箱移位到临时存放处搁放

58例CT诊断肋骨骨折116处，其中背段、腋段、前段和软骨段骨折分别为37、60、14和5处，发生率分别为31.9%、51.7%、12.1%和4.3%（表1）。

沉箱起浮后的临时存放处尽量靠近安装位置，减少沉箱转运距离，提高工作效率。

3 沉箱抽砂深度计算

本次沉箱重新起浮采用400 t起重船，考虑到沉箱和起重船随浪升、沉时，有可能因升、沉不同步或升沉值不相同，吊力变大，起重船的额定吊力应大于起重吊力且留有较大的富裕量[1]，故安全吊力（F吊力）按额定吊力的65 %即260 t（260 000 N）计算。按浮力与自重相等原则计算出沉箱空载自身起浮的吃水高度为12 m。为减少沉箱起浮重量，计划在高潮位时进行沉箱起浮工作，此时沉箱吃水深度取18.5 m。

沉箱富裕吃水的浮力F浮=ρgv（ρ为液体密度，取1 000 kg/m2；g为重力加速度常数，取10 kg/m2；v为富裕排水体积，取沉箱起浮时吃水体积与空载自身起浮时吃水体积之差）。

回填砂的重力G砂=F浮+F吊力=9 100 kN，故沉箱内最多能留存910 t砂。沉箱装砂面积S=4.5×4.5（隔仓面积）×4=81 m2，沉箱内回填砂最大可留存高度设为h，砂的密度ρ砂按1 t/0.7 m³取值。按G砂=ρ砂×V砂=S×h×ρ砂，即 910=81×h×1/0.7，则回填砂留存高度h=7.86 m。

考虑到还要进行抽水施工和安全系数，故回填砂高度取7 m。目前沉箱内已回填砂约14 m左右，因此需要在约4.5 m边长的隔仓内进行近7 m的水下抽砂施工。在抽砂完成后，另需抽水至砂面以减轻自重，此时内外水差为18.5-7-0.6（底板厚度）=10.9 m，且因短距离转移，波高小于1.0 m时，只考虑静水压力[2]，经计算沉箱壁厚能满足水压力要求。

4 自制空压抽砂机原理及制作工艺

自制空压抽砂机的核心构件主要是排沙管、高压进气管、高压喷水管、自制风包、底部搅拌装置和相关连接件，其构成如图2、图3。

空压抽砂机由空气输送管、排砂管、高压水管、自制吸砂器、搅拌装置等构件组成。由空气压缩机输送足够风量进入自制吸砂器风包内，并向排砂管内喷射，形成圆锥形高速气流，向排砂管出口排放，使风包下部的排砂管入口处形成负压，产生吸力，将砂水混合物吸入排砂管，从而随同高压气流连续不断排出排砂管外，达到抽砂的目的[3]。为了更大效率的抽砂，采用高压水枪和搅拌装置对砂进行扰动，使抽砂机抽取的砂水混合物中能含更多的砂料。

根据空压抽砂机的抽砂原理，有如下参数需要考虑：

式中：

H为沉箱内水面至砂面的高程；

h为吸砂管出口至水面的高程；

δ1为水的相对密度；

δ2为砂、水、空气混合物的密度。

高压空气的气压P：

式中：P为气压，kg/cm2[4]。

上述公式的满足，才能使砂水空气混合物能在压力下排出排砂管外。按上述公式，H的深度与砂的比重、空气压力及风量有关；且为了减少空气压力，增大吸砂效果，h应越小越好。所以该抽砂机的效率决定于供给抽砂机的风量和风压的大小、水的深度和排砂口高度；抽砂量决定于排砂管中所含砂的浓度，其主要与高压水枪、搅拌装置的砂子扰动程度有关。

图2 自制空压抽砂机示意

图3 自制风包大样

经工程现场反复试验，本工程平均吸砂水深H为12 m左右，h为1.5 m，空压机气压在0.5 MPa下，能达到最理想的吸砂效果。

5 结 语

随着重力式码头等级的逐年增加，沉箱结构日趋高大，沉箱安装施工的复杂性和重要性使其越来越成为重力式码头施工工序中的重中之重。施工过程的复杂性使沉箱很有可能需要重新起浮和二次安装。对已回填完成的沉箱来说抽出回填料是关键，待抽出到合适深度后就可以按正常施工程序来进行沉箱的起浮、移位、临时存放等工序，然后对沉箱基床重新整平，再进行沉箱的二次安装和回填，以完成整个沉箱的重新安装施工。

本文中采用自制空压抽砂机的施工工艺，有效地解决了高长细比沉箱水下抽砂难的问题，使沉箱安装施工变得可逆，解决了沉箱二次安装的后顾之忧。自制空压抽砂机制作简易，可在现场自行制作，使用效率高，不仅可以在沉箱隔仓这种水下细长空间内使用，也可以推广到大型深水沉井等施工中，为类似水下狭小空间内的抽砂、吸泥等施工方法提供一种了新的思路。