港口工程气压沉箱的气囊运移与封底装配技术探究

胡冬冬 周尔蕾 江西省路港工程有限公司

气压沉箱工艺是在沉箱底部设置一个气密性较高的钢砼结构作业室，借助自动气压调整装置，向作业室内注入空气，避免地下水渗入作业室，这样操作人员就可在作业室内的无水环境中开展挖掘。在自身重量、上部载荷及受控水重力的影响下，箱体沉至指定深度，最终在作业室底部填充混凝土。本研究基于工程案例，详细阐述气压沉箱工艺的气囊运移与封底技术，为同类港口气压沉箱工程应用提供研究和技术参考。

1.案例工程

案例工程位处江南某船坞建造基地内的造船区，7#码头呈东西向分布，8#码头呈南北向分布，两者垂直相连，全长1457m。

7#码头长774m，码头面标准高度5.8m；西段长108m，底标准高度-7.0m；中段长270m，底标准高度-9.0m；东段长396m，底标准高度-11.0m。8#码头长683m，码头面标准高度5.8m；南段长322m，底标准高度是-9.0m；北段长361m‚底标准高度是-11.0m。

两码头均采用钢筋砼重力沉箱结构，下部是沉箱，上部是门座型起重机轨道梁和公共廊道，在墙顶设置了公用接头箱、电动绞盘、系船柱等，墙侧设置橡胶护舷设施等。在码头宽度区域内，路面铺置连锁块。船坞后面设置了电缆管沟以及舱口盖修理场，同时还设置了电动绞盘及暴风系船柱。

2.气囊运移技术

2.1 气囊运移原理

气囊运移沉箱原理是在需要运移沉箱时，放置圆筒型高压气囊若干个，气囊高压充气后，沉箱被垫起，之后可以借助牵引系统完成沉箱水平运动。水工高压气囊运移技术，解决了过去码头水工维修所面临的移运困难，相较于其他运移技术更省力、省时、灵活、安全、投资少、经济效益好。

2.2 气囊运移大型沉箱工艺

（1）预制场配置：依照现场预制场地以及施工进度，沉箱一定要分6批预制装配实现（半潜驳分两次入场装配），前2次每次运移10个沉箱，剩余4次每次运移8个沉箱，借助气囊纵移或者横移将沉箱移送至临时运输码头。沉箱预制场长、宽、深分别为148m、30m、14.1m。干船坞两侧配置80t的走行塔吊3座、150m3/h混凝土搅拌站、办公场所、模板存储场及钢筋加工区等。

（2）预制沉箱底胎模：在预制沉箱底胎模中，需要考虑到气囊是否可以置放于沉箱底部，是否利于沉箱完成水平移位。所以，将沉箱预制底胎模设计成为活动结构，方便放置气囊。

（3）气囊高度：气囊高度过低或者过高，都不利于运移沉箱。气囊作业高度太高，沉箱在运移时的稳定性将降低，并且囊体压力大对工作安全不利。气囊高度过低，囊体容易受到损坏，应用寿命亦受到影响，同时移送沉箱时需要更大的牵拉力。从安全及经济方面考虑，选取H=400mm的气囊工作高度。

（4）气囊长度：气囊的长度决定于气囊的载承面长度及气囊的公称径值。其载承面的长度同沉箱底板大小有关。气囊囊头伸到沉箱外面部分不宜太长，伸出长度稍高出气囊径值即可。气囊长度计算公式L=L0+2×0.866D，公式中：L0系为气囊载承面长度（m）；L系为气囊全长（m）；D系为气囊公称径值（m）。

（5）沉箱运移所需气囊数量：依据运移沉箱重量，结合安全常数及气囊功效，计算出运移单个沉箱需要的气囊数量。气囊数量计算公式：N=K1G/L0，公式中：N系为滚动气囊个数；K1系为常数，K1=1.2～1.3；G系为沉箱重量（KN）；L0系为气囊载承面长度（m）。

（6）气囊的间隔距离：气囊中心距通常应满足中心距蕊净距：A≤3m；净距：S≥0.15m。

（7）供气系统：气体供应系统由空气压缩机、压力计、阀门、接头、供气管道组成。选择应用空气压缩机一般以气囊的总容量、充气时间和所需压力等为依据。空气机储气罐应装配可调限压阀，如果多个气囊需要同时充气时，应配置带多管接头的气体分配器。

（8）牵引系统：牵引系统由提升机、地锚、钢丝缆、固定架及滑轮组等组成。牵引时在沉箱两侧，使用2台卷扬机经过滑轮组同步开展，为了保证在沉箱运移过程中的平稳与安全，在沉箱运移的反方向，用同样的牵拉力计算。

（9）牵拉力计算：牵拉力公式F=K1gf+KQV/T，公式中F系为运移沉箱的牵拉力（KN）；Q系为沉箱自身重量（t）；g系为重力加速率（m/s2），g=10m/s2；f系为气囊与地表的滚动摩擦常数，与地表情况和气囊的工作高度有关，通常取f=0.05；V系为沉箱移动速率（m/s）；T系为起动时间；K系为安全常数，K=112～115，取K=112。经计算，案例港口工程883t沉箱牵拉力F=563KN。

2.3 气囊运移的技术特点

选用气囊运移大型拖沉箱，克服了传统施工技术的缺点，并且重力式码头工程中的重要技术问题由此得到解决。该技术有以下特点。

（1）不需要大型起重装备和大型专业预制厂。在现场的预制场采用塔吊与贝雷析架门机配合，便可解决了大型沉箱预制问题。其工程造价低，工期短，并且占用码头沿线较短。

（2）因气囊选用整体缠绕的独特工艺成型，气囊壁无对接缝，强度各向均衡，有抗冲击、耐磨性，并且气囊为软弹塑性体，适应性强。所以该项技术对运输通道与预制场地的要求较低，场位处理费用也比较低，相应配套设备费用也非常低廉。

（3）气囊的载承力大，耗能小，易于操作，安全可靠。

3.沉箱封底操作技术

3.1 施工机械

沉箱封底主要操作机械参见表1所示。

表1 沉箱封底主要操作机械

3.2 装配操作方法

沉箱就位后，应连续观察8小时，若下沉量低于10mm，可开展封底筑浇混凝土。

封底前应将挖掘机及其它主要装备拆去，再开展封底施工。其做法具体为，在制作底板时，将底板分成三排，配置预留管15根，在沉箱下沉过程中，预留管在底板上选用上下两道阀门进行临时堵封。在封底时，先抽出隔舱中的压舱水，再将预设管上口与泵车导管接连，开启闸门，混凝土借助泵车压力被压入作业室。筑浇完毕一处，关闭闸门，把混凝土导管移到下一处浇注施工。

因为封底前需将作业室的装备拆掉，故封底可以分两次开展。

（1）第1次封底只需封住刃脚地表以上1m左右，便利以后装备拆去。当混凝土封底强度达到需求后，可适当减少作业室的气压，操作人员进入作业室拆去装备。同时操作人员可以将刃脚浮泥清理干净，以确保第2次浇注混凝土封底时能够与刃脚结合密切。

（2）在主装备拆去后，再筑浇第2层混凝土封底。在混凝土达要求强度之前，作业室内须保持足够的空气压力。封底完毕后，再借助预设注灌浆管压注水泥浆，开展间隙充填。

使用多台泵车在施工中连续筑浇，并确保混凝土浇注的连续性。为了保证混凝土能注满整个作业室，一定要确保混凝土有很大流动性，故混凝土坍落度不应低于20cm。筑浇顺序是从刃脚处到中间对称筑浇。混凝土筑浇前，应尽量清除刃脚处的土。在室内筑浇混凝土时，作业室内因气体空间逐步缩小，可以在底板上配置平衡阀给予适当放气，以保持作业室内气压稳定。

4.结语

本研究基于港口码头工程案例，详细阐述了气压沉箱工艺的气囊运移与封底装配技术要点。当然，气压沉箱工艺是一项涉及多学科、多技术的系统工程，加之沉箱基础体积大、重量大、刚性大等特点，使得该技术的工程实现过程不可避免地具有技术复杂性和操作难度，因此需要我们结合工程实践，不断细化研究，使新技术更符合工程实际。