超高壓氣囊在大型沉箱出運中的應用與分析

高 翔

(廈門中駿集團有限公司，福建廈門 361006)

0 前言

沉箱出運的傳統方式主要有以下5種:①在場地的臺座上制造，利用滑道出運;②利用干船塢、浮船塢或土塢制造并出運;③在場地上的臺座制造，利用座底浮塢作為運載工具，運載沉箱出運;④在場地上的臺座制造，利用半潛駁作為運載工具，運載沉箱出運;⑤在岸壁臺座上制造，用大噸位起重船吊運。對于選擇何種方式出運，與沉箱結構尺寸及數量，當地的自然環境、水文地質條件，能夠取得的設備和設施的資源情況以及工期要求等因素有關，一般需通過經濟技術比較確定。

近幾年隨著港口建設規模趨于大型化，大型重力式碼頭單件沉箱重量高達2 000 t左右甚至更高，由于預制場條件等客觀原因的限制，上述5種傳統方法無法完全滿足大型沉箱的出運作業。自2003年以來，國內部分工程采用超高壓氣囊技術進行大型沉箱出運作業，取得了較好的效果。筆者將結合廈門港東渡港區21#泊位施工中采取的超高壓氣囊方式出運沉箱的施工技術進行總結與分析。

1 工程概況及氣囊工作原理

1.1 工程概況

廈門港東渡港區21#泊位工程水工主體采用重力式沉箱結構，共有沉箱11件，外型尺寸:1 750 mm×1 440 mm×17 800 mm，單件自重為2 080 t。由于沉箱重量較大且受到預制場地生產作業等條件的限制，經過調研周邊類似工程以及嚴謹的分析及論證，認為本工程可采用超高壓氣囊方式出運沉箱。

1.2 氣囊工作原理

氣囊出運沉箱的工作原理與滾筒搬運重物的工作原理比較相似，在沉箱底部與地面之間墊若干個氣囊并充氣頂升起沉箱，通過外力牽引沉箱使氣囊向前滾動，從而使沉箱產生移動，達到搬運沉箱的目的。氣囊與地面為面接觸，受力面積大且相對均勻，單位面積受力小，對場地適應性強。出運碼頭前沿設斜坡段，以使通道與前沿出運碼頭高程銜接。

2 氣囊的主要參數計算及選型

2.1 氣囊類別、規格及承載力(表1)

2.2 承載力計算

承載力計算公式:Q=P×S，式中Q為承載力;P為氣囊內壓力;S為承載面積之正投影面積。氣囊為柔軟彈性體，在使用過程中其形狀受多種因素影響而改變，承載面積與承載力也相應變化，當沉箱底面和地面處于水平時，壓在構件下的氣囊的橫截面呈正扁圓形，氣囊的承載力可參見表1。

2.3 摩擦系數

因為氣囊在硬質地面滾動，故依據有關規范滾動摩擦系數取f=0.05。

2.4 氣囊的選擇

根據沉箱出運方向選擇氣囊長度，再確定頂升高度(工作高度)為0.4 m，由此計算承載面積，并按氣囊的允許壓力計算出氣囊所需的最短總長度，最后確定氣囊根數及擺放位置。氣囊承載面寬度B與氣囊直徑D和氣囊工作高度H有關，氣囊受壓變形后，其截面可視作由直徑為H的2個半圓和長度為B、H的方型組成。根據沉箱平面尺寸、底膜工字鋼間距及工作高度要求，本次沉箱平移選擇直徑D=1.0 m，工作高度H=0.4 m的超高壓滾動氣囊。

表1 氣囊主要參數

氣囊長度:L=L0+2 ×0.866 D=14.4 m+2 ×0.866 ×1 m=16.132 m;

工作高度:H=400 mm;

承載面寬:B=3.141 59(D-H)/2=3.141 59× (1.0 m-0.4 m)/2=0.942 m;

承載面積:S=B×L0=0.942 m ×14.4 m=13.565 m2;

單根氣囊承載力:F=S×P=13.565 m2×0.3 MPa=407 t;

所需氣囊的數量:N0=K×G/F=1.3×2 080 t/407 t=6.6根≈7根;

因平移轉換時實際受力氣囊數量比正常狀態少1根，故取N=8根;

氣囊之間的間距:中心間距:2 072 mm;凈間距:730 mm。

2.5 氣囊結構形式

氣囊骨架材料為錦綸簾子布，囊嘴為鋁合金鑄件，氣囊直徑1.0 m、長16.13 m，充氣壓偏后承壓面寬0.942 m、工作高度 0.4 m，8 根(K=1.3，轉換時7根)氣囊共搬運一個沉箱。氣囊結構型式及剖面示意圖見圖1。

圖1 高壓氣囊布置圖

2.6 氣囊承載力校核

D=1.0 m，7根氣囊時(轉換狀態):單根承載力 F=2 080 t× 1.3/7=386.3 t，氣囊內壓強 P=386.3 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.285 MPa ＜0.30 MPa;D=1.0 m，8 根氣囊時(正常狀態):單根承載力 F=2 080 t×1.3/8=338.0 t，氣囊內壓強 P=338.0 t/(0.942 m × 14.4 m)=0.249 MPa ＜0.30 MPa。

2.7 氣囊間距校核

氣囊之間的中心距離應保證沉箱的結構強度，同時還應防止氣囊之間壓疊一起，一般用以下公式校核:

3.141 59×D/2-0.5＜L/(N-1)＜6(經驗公式)。

L/(N-1)=14 m/(8-1)=2 m均能滿足上式要求。

2.8 氣囊的擺放

根據沉箱出運的方向擺放，氣囊通長方向垂直于沉箱移動方向，對稱擺放。氣囊擺放見示意圖2。

圖2 沉箱氣囊擺放示意圖(單位:mm)

3 氣囊的牽引系統及充氣系統

3.1 牽引系統

1)氣囊充氣達到工作高度后，卷揚機牽引，氣囊滾動，沉箱移動，由兩臺8 t卷揚機通過滑輪組在沉箱移動的方向兩側同步牽引。為確保沉箱移動過程中的穩定性，在沉箱移動的反方向上采取同樣的牽引系統進行沉箱移動保護。沉箱牽引速度控制在2.5 m/min左右，牽引鋼絲繩的捆綁點距地面1.5 m左右。氣囊牽引力約為沉箱重量的5%，可隨著牽引高度的降低而減少。前沿坡道坡度為1.94%。沉箱牽引及過駁見圖3所示。

圖3 沉箱牽引、過駁示意圖

2)預制廠3#出運碼頭，沉箱下滑力和卷揚機鋼絲繩的牽引力按下式計算:

下滑力Fc=G×sin a-u×G×cos a-G/g×V/T式中a為坡道傾角;u為坡道摩擦系數;V為移動速度;T為剎車時間。

牽引力F≥K×Fc/Nc×cos b

式中K為安全系數取1.2;Nc為鋼絲繩道數，b為牽引鋼絲繩與坡道之夾角。

反拉卷揚機牽引力按下式計算:Fd=G×sin a+u×G×cos a(a為坡道傾角)。

3.2 供氣系統

根據氣囊的總容量和充氣的時間以及壓力要求，選擇采用DVY—6/7型空壓機對氣囊供氣，同時空氣壓縮機儲氣罐安裝可調節的限壓閥，在充氣時用多只氣囊同時聯合工作，有分配閥箱，使各只氣囊同時充氣。

4 超高壓氣囊出運沉箱主要程序

1)出運前準備。

沉箱預制底模采用活動式，底模離地440 mm:其中地坪底模140 mm，工字鋼底模為(280+18+2)mm=300 mm。當沉箱混凝土強度達設計要求后，拆除底模外框架，清除底模隔倉內的填砂，安放氣囊，氣囊充氣，頂升沉箱離地30 cm左右，用枕木四周加固好沉箱，拆除沉箱底模框架，作沉箱出運的準備工作。

2)檢查供氣系統和牽引系統，清掃出運通道及檢查清理沉箱底部的尖銳物。

3)在沉箱底部放入氣囊，排列整齊且相互平行，連結供氣管道，連結牽引系。

4)啟動空壓機同時向各個氣囊供氣，當充氣壓力達到預定頂升壓力的80%時，停止供氣。檢查所有氣囊的壓力是否一致，不一致時可向單個氣囊供氣，使壓力基本一致，然后繼續充氣，直至沉箱離開支承枕木。將氣囊的進閥關閉，停止供氣。拆除支承枕木。

5)拆除所有的聯接膠管，打開各個氣囊的排氣閥，進行緩慢放氣。當氣囊的高度降至出運高度時，關閉排氣閥，并檢查調整各氣囊的壓力基本一致。

6)在專業技術人員的統一指揮下，啟動卷揚機，拉動沉箱緩慢向前移動。當沉箱前面空出一個氣囊的間距時，停止牽引，擺入氣囊，并充氣到預定壓力后再重新牽引。當后面的氣囊快要離開沉箱時，打開排氣閥排氣，并運送到沉箱前面預定位備用。重復以上步驟，直到將沉箱移到預定位置。

7)當沉箱移動到預定位置后，停止牽引。在沉箱底部墊上支承枕木，然后所有的氣囊排氣，沉箱平穩地落在支承枕木上。支撐墊木布設見圖4。

圖4 支撐墊木擺放示意圖(單位:mm)

5 安全保障措施

1)氣囊在沉箱底下盡量單排排放，氣囊軸向中心線應垂直于移動方向，氣囊伸出沉箱側邊不宜過長。

2)移動沉箱時，高壓氣囊的工作高度盡量降低，因為本工程使用超高壓氣囊，在保證突出體不著地的前提下，故其工作高度不超過氣囊直徑的40%。

3)卷揚機鋼絲繩必須有足夠的強度，并在出運的過程中對其進行定期的檢查、更換，卷揚機操作工必須持證上崗，在沉箱移動過程中，氣囊應不斷填入，必要時可停車填入，停車必須緩慢，以減少因突然停車對鋼絲繩的較大沖擊力。

4)拆除支撐墊木時，在同一斷面上先拆中間部分支撐物，后向兩端拆除，拆除最后一只支撐物時，操作人員應在側面工作，嚴禁人員進入沉箱底部，在最靠外側處應安放部分易搬動的支撐物，待移沉箱前最后時刻拆除。

5)操作人員必須了解氣囊的使用性能，充氣操作人員必須站在氣囊的側面。

6)氣囊使用完畢及時收回，清理表面污垢，檢查損傷情況，及時修補，氣囊應保持干燥，氣囊內若進水，必須排水保持干燥，若一段時間內不用，應將氣囊內外涂上滑石粉，攤平擺放。

6 分析與總結

21#泊位工程經采用超高壓氣囊出運沉箱，避免了傳統施工工藝的不足，克服了預制場地小等不利因素，經合理規劃、精心組織，最終保質保量的完成了沉箱出運施工任務，由此也進一步證明了超高壓氣囊出運沉箱工藝的先進性，且非常適合類似工程施工中推廣。

由21#泊位的施工可以總結出超高壓氣囊出運沉箱的幾個主要優點:

1)成本低，工期短，且氣囊對預制場地適用性強，不需要特別專業的預制場地，降低了場地處理費用和相關設施配套設施費用。

2)氣囊承載力大、耗能小，且操作簡單、安全系數高，只需要充氣、頂升、開啟牽引系統等即可實現沉箱的移動;氣囊是彈性體，其受力變形的緩沖作用能夠保證沉箱出運過程的安全。

3)氣囊可以按照沉箱規格、重量的不同按需定制，氣囊可以修補和反復使用，使用壽命長。