外海无掩护条件下独立墩式圆沉箱精准安装

2023-09-28迟速姜兴伟

中国港湾建设 2023年9期

迟速，姜兴伟

（中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛 066002）

1 工程概况

茂名港吉达港区东二港池1 号、2 号液体散货泊位工程[1]为蝶形布置形式，如图1 所示，重力墩式圆沉箱共安装15 座，单件沉箱重量2 022 t，沉箱高度为19.4 m。外直径15.0 m（外趾直径18.0 m），外墙宽度450 mm（顶部宽度850 mm），底板厚度1 000 mm，隔墙宽度250 mm，呈十字形布置，共4 个仓格。沉箱安装设计底高程-16.0 m，顶高程+3.4 m。

图1 码头模型图Fig.1 Model diagram of the wharf

在茂名港吉达港区东二港池1 号、2 号液体散货泊位工程沉箱安装过程中，经对安装精度控制方法进行研究，制定了相应的控制措施，大幅度提高了安装精度。此类沉箱安装施工工艺在国内已广泛应用，但在外海无遮掩水域环境下进行重力式码头[2]圆沉箱安装应用较少。

2 自然条件

1）潮汐及水位

①基准面关系

基面关系：高程基面采用当地理论最低潮面。

茂名港的理论最低潮面在中国85 国家高程基准下1.18 m。

②潮汐及设计水位

本海区潮汐类型属不规则半日潮，一般潮差约1.0～1.5 m。

工程设计水位如下：

设计高水位：3.32 m；设计低水位：0.46 m；极端高水位：4.75 m；极端低水位：-0.44 m。

③乘潮水位

历时2 h 保证率90%的乘潮水位为1.90 m。

2）波浪

1 号、2 号泊位重现期10 a 一遇设计波浪要素如表1 所示。

表1 码头前沿设计波浪要素表Table 1 Wave elements of wharf front design

3）海流

工程海域潮流呈往复流，湾内涨潮流自东向西，落潮流自西向东；工程附近海域大潮平均流速约0.13 m/s，最大流速约0.25 m/s。

3 工程特点与难点

本项目地处亚热带季风气候带，4—5 月受西南季风、10—11 月受东北季风影响较为严重，每年台风集中在6—9 月，施工水域波长较长（一般为20～30 m），波周期长（一般为9～10 s），涌浪高度多数为0.6 m以上，每月有效施工时间仅有10 d。

本工程属于外海无掩护施工水域，相邻在建防波堤工程未对本工程形成有效掩护，因此给海上安装带来很大困难[3]。

圆沉箱仓格呈十字形布置，沉箱安装双定位控制尤为重要，一是保证沉箱中心位置准确，二是控制十字隔墙轴线方向，以免轴线位置偏差过大造成上部预制盖板无法安装，影响码头前沿线控制。

独立墩式沉箱安装无任何有利依托，如何保证沉箱安装精度是本项目最大难点。经研究讨论，采用600 t 起重船吊浮[4-5]沉箱出驳、安装，1 200 t自航驳辅助定位，如图2 所示，双GPS 进行沉箱中心位置以及轴线位置精准控制。

图2 起重船助浮沉箱安装图Fig.2 Installation of crane ship assisted floating caisson

4 主要操作方法和步骤

4.1 方案比选

4.1.1 沉箱吊点设置

沉箱吊点选用八点吊。本项目沉箱隔墙宽度为750 mm，施工水域海况较差，沉箱上下起伏易造成单点应力集中，易造成沉箱隔墙损坏现象，八点吊受到的影响较小；采用八点吊降低了吊环直径及重量，便于沉箱预制施工，同时沉箱吊装时水平受力方向与沉箱隔墙平行，易于隔墙受力且便于吊装施工。

4.1.2 吊装材料选择

吊装材料选用吊装带。本项目施工水域海况较差，随起重船钩头上下起伏晃动较大，直径120 mm 钢丝绳自重较大，不利于起重工人挂钢丝绳，而吊装带自重较轻，方便起重人员挂钩，操作方便、安全性高，不易对工人造成伤害。

4.1.3 吊装钩头选择

吊装钩头采用单钩。本项目为圆形沉箱，起重船、方驳双定位，单钩吊装易转动，便于调整沉箱安装角度。

4.1.4 起重船的选择

起重船采用600 t 起重船。600 t 起重船船长为73.8 m，船宽为26.6 m，平行于波浪方向驻位，抵抗风浪能力更强，同时600 t 起重船可兼顾预制盖板安装施工。

4.2 沉箱出运前过程控制

沉箱出运安装前报请总包、监理、业主单位共同确认出运条件，如图3 所示，并留检查记录，确定沉箱出运安装作业窗口期条件为有义波高小于1.5 m，风力小于6 级，超过作业窗口期条件不允许施工作业。

图3 过程检查Fig.3 Process check

4.3 操作要点

4.3.1 沉箱安装粗定位

起重船吊浮沉箱至待安装基床上方，如图4所示，船长与波浪方向平行驻位，减小沉箱安装过程中的起浮晃动。打开截门注水下沉。沉箱底面距基床顶面1.0 m 时暂停，使用1 台GPS 对沉箱中心位置进行粗定位。

图4 起重船吊浮沉箱粗定位Fig.4 Coarse positioning of the floating caisson lifted by the crane

4.3.2 沉箱安装精准定位

粗定位调整后，继续加压载水，测量按四点监控沉箱顶面高程，确保高差小于5 cm[6]，当沉箱下沉至基床顶面30 cm 时关闭进水截门，进行沉箱位置精确调整。此时，起重船吊浮沉箱50 cm，吊重约90 t，受涌浪影响实际吊力控制在120～180 t，避免因沉箱起浮晃动对基床、吊索具及沉箱隔墙造成损坏。

采用双GPS 配合船舶精确调整沉箱位置，即2 台GPS 布设于平行码头前沿的沉箱隔墙上，通过相对偏位建立控制线，1 台GPS 控制沉箱中心位置，1 台GPS 控制沉箱轴线位置，如图5 所示。

图5 双GPS 精准定位控制Fig.5 Dual GPS precise positioning control

起重船收放锚缆精确调整沉箱中心位置，以沉箱顶口预埋吊环为辅助，一侧与起重船船首交叉牵牛缆连接，另一侧定位驳辅以手拉葫芦连接，从而调整轴线位置，如图6 所示。沉箱精准定位后起重船落钩，沉箱迅速落座在基床上。

图6 起重船与定位驳精准定位沉箱Fig.6 Precise positioning of caisson by crane and positioning barge

4.3.3 沉箱复测

沉箱落座平稳后，复测顶标高和位置。若位置偏差较大可通过起重船助浮重新调整安装。沉箱安装位置复测合格后[7]，再次打开各仓进水截门，各仓格均匀注水与海面齐平，避免沉箱受涌浪冲击造成位移，沉箱安装完成后的效果如图7所示。

图7 沉箱安装效果图Fig.7 Effect of caisson installation

5 质量控制措施

5.1 安装前质量控制措施

1）现场合理组织船机，合理分段施工，将基床抛石、基床打夯、基床整平、沉箱安装工序形成有效流水作业，相互衔接紧凑，减少工序交接的闲置时间，确保施工质量。

2）重视基床抛填石料质量把控，安排专职人员进行现场石料质量管理，确保满足设计、规范要求，严格执行分层抛填，抛填厚度不超过2 m，选用夯锤满足规范要求，打夯过程严格控制，确保夯沉量满足规范要求。

3）根据施工经验，基床预留沉降量，使沉箱在施工荷载过程中产生的变形趋向符合设计要求。

4）基床整平过程严格按照规范要求进行，对块石间不平整部分，用二片石整平。

5）沉箱出运前，须对沉箱的实体质量（强度、混凝土抗氯离子渗透性等指标）进行检测。沉箱安装前，安排潜水员进行基床顶面检查，确保基床没有回淤，若回於沉积物不满足规范要求需组织清理后才安装。

6）沉箱安装前对测量控制系统进行校核，通过GPS 控制沉箱4 个角点，实时核对位置以及倾斜度。

5.2 安装过程质量控制措施

1）在船舶一侧挂满轮胎，防止沉箱靠向船舶过程中与船舶发生直接的碰撞。

2）施工过程注意涨落潮及风浪对安装施工的影响，加强对涨落潮及风浪的观测，逐部积累其对施工的影响规律。

3）注水过程要调整好沉箱的底板面与基床倒坡一致，防止沉箱着床时挫坏基床。

4）就位后要仔细检查安装位置及安装高程，若出现不平，即时进行调整或重新安装。

5）沉箱安装完成后，在沉箱顶部的4 个角点位置设置沉降、位移观测点，观测沉箱内未进行填料前与回填后的变形情况，发现异常情况及时报告。在安装后7 d 内每日测量1 次。

6）在沉箱顶设置彩旗和夜间警示灯，提醒过往船只，以防止碰撞沉箱。

7）沉箱安装完成稳定后，经过2 次低潮复测合格后，拆除进水阀门，采用土工布包裹的混凝土塞封死进水孔。

8）安装好沉箱要尽快进行箱格内填料回填。

6 实施效果

6.1 安全管理提升

本工程面对外海无掩护条件下、长周期波等诸多不利因素，通过采取控制措施，15 座沉箱均一次性安装到位，施工方案技术可行，安全可靠。

6.2 质量管理提升

本工程沉箱安装设计允许偏差为15 cm[8]，通过“双定位”控制，沉箱中心点位置最大偏差12 cm，其余偏差均≤10 cm，沉箱轴线位置最大偏差为11 cm，达到了沉箱精准安装的预期效果，沉箱安装偏差见图8。

图8 沉箱安装偏差图Fig.8 Deviation diagram of caisson installation

6.3 成本管理提升

沉箱安装施工自2022 年3 月8 日—6 月15日，历时99 d，与拖轮拖带安装工艺相比工期提前了整整30 d，减少了起重船、半潜驳等设备费用约300 万元。

6.4 整体效果评价

本工程施工水域海况极差，业主对质量要求较高，难度较大，经过一系列的核算和总结，找到适合本工程的施工方法，最终达到成本最低、工期最短、安全系数最高、对环境影响最小的综合效果，同时也为将来施工类似工程积累一定的相关经验。该方法具有技术先进、安全可靠、质量可控、效率高、投入低的特点，在后续类似水工项目中均具有较高的推广应用前景。