湄洲灣煤碼頭工程氣囊移運大型沉箱工藝分析

王鈞楊，耿寶磊，李岳涵

（1.渤海石油航務建筑工程有限責任公司惠州項目部，天津300452；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456）

湄洲灣煤碼頭工程氣囊移運大型沉箱工藝分析

王鈞楊1，耿寶磊2，李岳涵1

（1.渤海石油航務建筑工程有限責任公司惠州項目部，天津300452；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所港口水工建筑技術國家工程實驗室，天津300456）

文章以2 200 t大型沉箱移運為例，從氣囊選型、氣囊承載力計算、氣囊布置方式以及牽引系統的布置和牽引力的計算4個方面，分析了移運過程中各參數的敏感性，并給出了采用氣囊陸上移運沉箱的工藝流程圖。

沉箱；氣囊；敏感性；流程圖

隨著港口建設的快速發展，為適應國家十二五發展戰略，碼頭建設大型化的發展趨勢明顯，以重力式碼頭為例，單個沉箱的重量越來越大，傳統的沉箱出運工藝受到投資成本、工期、場地條件等多方面的制約，已經成為大型沉箱陸上運輸的技術瓶頸之一。目前，采用氣囊接力的方法在陸上移運沉箱逐漸取代了傳統的沉箱出運方法，并日益受到工程人員的重視［1-6］。本文以國投湄洲灣煤碼頭工程2 200 t沉箱為例，分析了氣囊移運沉箱的工藝方法。

1 工程概況

1.1 工程位置

本項目所移運的沉箱為國投湄洲灣煤炭碼頭工程所需沉箱。湄洲灣地處我國福建省東南沿海中部，東北面與興化灣相鄰，西南面與泉州灣相接，東南向與臺灣島隔海相望，是一深入內陸的半封閉狹長海灣，南北長約35 km，東西最寬30 km。國投湄洲灣煤炭碼頭工程位于莆田市南部忠門半島秀嶼區東鋪鎮塔林村，該項目沉箱預制場位于工程現場東南側。

1.2 沉箱結構

本項目出運沉箱為矩形沉箱，外墻前后帶趾，單體重量為2 200 t，底面尺寸為18.35 m×14.5 m×17.2 m，沉箱結構見圖1。沉箱內分為12個倉格，其中海側（見圖1斷面2-2）為1～4號倉格，其余為5～12號倉格。

1.3 出運場地

本項目沉箱預制及出運場地中1#～4#平臺為沉箱預制平臺，沉箱預制完成后先橫移至縱移區，橫移距離為19.52 m。縱移時，距離碼頭前沿最遠的沉箱縱移距離約為190 m。另外，縱移通道中，北側地面標高為+8.0 m，碼頭前沿頂標高+7.8 m，因此距離碼頭前沿82.5 m的距離內存在小緩坡。

為便于沉箱移運，預制場布置有15 t卷揚機4臺，40 t、100 t和200 t地錨若干個，2座320 t·m塔吊等設備。

2 氣囊選型

2.1 氣囊結構

氣囊搬運沉箱的工作原理是在需要移動的大型沉箱或重件下面，放置經計算后確定的若干個圓柱型的氣囊，氣囊通過供氣系統充氣后將沉箱頂升，開啟牽引系統，氣囊滾動使沉箱實現水平移動［7-8］。

氣囊的囊體骨架材料為綿綸簾子布，囊嘴為鋁合金鑄體，其縱斷面和橫斷面形式分布如圖2和圖3所示。圖中L為氣囊的總長度，L0為氣囊的最大工作長度（囊體長度），D為氣囊的直徑。

氣囊受到沉箱的壓力后產生變形，氣囊的承載面寬度B與氣囊的直徑D和氣囊的工作高度H有關，氣囊受壓變形后的截面見圖4。其截面可看做由直徑為H的2個半圓和長、寬分布為B、H的方形組成，按照截面周長不變的原理，可計算得到氣囊工作狀態的承載面寬度為

2.2 氣囊主要尺寸的選取

選擇氣囊不僅要考慮安全可靠，同時也要考慮其經濟性。氣囊的主要尺寸包括氣囊的直徑D和氣囊的最大工作長度L0。在氣囊的主要尺寸確定以后，可以確定所選氣囊的工作壓強。另外，需要指出的是，由于不同結構尺寸的差異，氣囊的實際工作長度有可能小于最大工作長度，文中實際工作長度用l表示，則l≤L0。

對于氣囊的直徑而言，氣囊的直徑愈大，價格愈高，氣囊的成本高；反之，氣囊的直徑愈小，允許的氣囊工作壓力愈大，但對配套設施（如空壓機、壓力表、充氣管、連接件等）要求高，操作安全性低。一般重型構件可選用直徑為800～1 000 mm的高壓氣囊。

對于氣囊的長度（L）而言，其長度的選擇是根據氣囊的最大承載面長度（L0）和氣囊公稱直徑（D）而定，氣囊的承載面長度與沉箱的底板尺寸有關。同時，應考慮氣囊囊頭伸出沉箱部分不宜過長，一般伸長長度略大于氣囊直徑即可。氣囊長度的計算公式為

在本項目中，考慮前期沉箱移運所使用的氣囊，施工單位擬選擇的氣囊主要尺寸為氣囊直徑D=0.8 m，最大工作長度L0=16 m。所選氣囊的最大工作壓強為0.5 MPa。

圖2氣囊各尺寸示意圖（縱斷面）Fig.2Air?bag size diagram for vertical section

圖3氣囊充氣后的截面（橫斷面）Fig.3Air?bag cross section with air?filled

圖4氣囊工作狀態的截面Fig.4Air?bag section in working status

3 氣囊工作高度與氣囊數量的確定

3.1 氣囊承載力計算

單個氣囊承載力計算公式如下

式中：Q為單個氣囊承載力，kN；P為氣囊內壓強，MPa；S為承載面積的正投影面積，m2，其計算公式為

式中：B和l分別為氣囊承載面的寬度和氣囊的實際工作長度，m。

根據移運的沉箱重量并考慮安全系數，可計算得到移運單個沉箱所需要的最少氣囊數量

式中：n為滾動氣囊的數量，個；G為沉箱的重量，kN；K為安全系數，按照規范《船舶上排、下水用氣囊》（CB/T 3795-1996），K≥1.2。

由此，利用式（1）及式（3）～（5）可得到工作氣囊的最小數量n與氣囊的工作高度H的關系

3.2 氣囊工作高度與氣囊數量的確定

對于本項目，沉箱重量為2 200 t，氣囊直徑D=0.8 m，沉箱橫移時氣囊的工作長度L0=16 m，沉箱縱移時氣囊的實際工作長度為14.5 m，且安全系數K取1.5，利用式（6）可以分別得到沉箱橫移和縱移兩種情況下不同氣囊數量時，氣囊內壓強隨工作高度變化的曲線，分別見圖5-a和5-b。

對于氣囊工作高度的選取而言，工作高度過高或過低均不利于沉箱的搬運，工作高度過高，搬運時沉箱穩性差，同時囊體壓力大，不利安全；工作高度過低時囊體容易損壞，影響了氣囊的使用壽命；沉箱移動時所需的牽引力也較大。另外，考慮工程施工工藝的要求，氣囊工作高度必須高于底模活動框架高度和墊木高度（本項目現場所采用的支墊氣囊墊木的高度為0.3 m），因此綜合考慮上述因素選擇氣囊工作高度為0.35 m，該高度是氣囊直徑的43.75%。在此工作高度下，不同氣囊數量時，氣囊內壓強值見表1。

由于氣囊的最大工作壓強為0.5 MPa，在選擇氣囊數量時要注意氣囊的實際壓強需小于氣囊的最大工作壓強。根據表1，沉箱橫移時采用6個氣囊、縱移時采用7個氣囊可滿足氣囊工作壓強的要求。考慮沉箱移運過程中需要進行氣囊接力，接力時可能產生氣囊受力的不均勻，選擇上述氣囊個數時，氣囊的工作壓強均較接近最大工作壓強0.5 MPa，故需在此基礎上分別增加1條氣囊，即橫移時選擇7個氣囊，縱移時選擇8個氣囊，此時橫移和縱移氣囊的實際壓強分別為0.42 MPa和0.40 MPa。

另外，在沉箱移運過程中還需要接應氣囊2個。

4 氣囊布置方式

氣囊布置方式需要根據移運構件的尺寸、氣囊的尺寸以及移運的路徑等確定。參考規范《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》（CB/T 3837-2011），氣囊的布置方式主要包括單列布置、交錯布置和對接布置3種。

此外，氣囊在布置時還要注意氣囊的中心距l1以及氣囊之間的凈距l2，參考相關文獻，通常氣囊的中心距l1≤3 m，凈距l2≥0.5 m。

本項目中氣囊的最大工作長度為16 m，所移運沉箱的底面長度為18.35 m、寬度為14.5 m，需分沉箱橫移和沉箱縱移兩種情況研究氣囊的布置。

圖5沉箱橫移和縱移時氣囊內壓強隨工作高度的變化Fig.5Changing of air pressure with working height for air?bag

沉箱橫移時，氣囊沿沉箱的縱向布置，由于沉箱的底面長度為18.35 m，該長度大于氣囊的最大工作長度16 m，故氣囊的布置方式應采用交錯布置，氣囊布置數量為7個，布置方式見圖6-a，圖中單位mm。氣囊的中心距如圖所示，其中5個中心距為1.75 m，1個為1.70 m，均小于3 m。氣囊之間的凈距計算如下

按照兩種中心距分別計算得到凈距l2為0.693 m和0.643 m，均大于0.5 m。

沉箱縱移時，氣囊沿沉箱的橫向布置，由于沉箱的底面寬度為14.5 m（包括前趾和后趾），該長度小于氣囊的最大工作長度16 m，故氣囊的布置方式應采用單列布置，且氣囊的實際工作長度為14.5 m，兩段分別富裕0.75 m，布置形式見圖6-b。氣囊的中心距如圖所示，6個中心距均為2.25 m，小于3 m。氣囊的凈距計算如下

計算得到凈距大于0.5 m。

綜合上述研究，沉箱橫移和縱移時氣囊各參數見表2。

表1不同氣囊數量時氣囊內壓強值（工作高度0.35 m）Tab.1Air pressure with different air?bag numbers（working height 0.35 m）

5 牽引系統布置與牽引力

5.1 牽引系統的布置

（1）牽引系統的布置方式。沉箱移運過程中的牽引系統主要包括卷揚機、地錨和滑車（滑輪組），這些設備用鋼絲繩連接，通過卷揚機產生拉力，地錨可以改變鋼絲繩的方向，利用滑輪組可以達到省力的目的。根據施工現場條件，本次沉箱陸上移運采用4臺15 t卷揚機，配備200 t和40 t兩種地錨形式。

圖6沉箱橫移和縱移時氣囊布置圖Fig.6Air?bag arrangement plan for caisson transportation

沉箱拉移過程中，4臺卷揚機分別布置在沉箱行進方向的前側和后側，前側卷揚機負責牽引，后方卷揚機負責防滑。每臺卷揚機與地錨之間采用Φ83 mm鋼絲繩及120 t卡環連接。地錨與沉箱之間設置兩臺滑車，其中一臺滑車和沉箱之間用Φ83 mm鋼絲繩及120 t卡環與沉箱預埋銷栓連接。

（2）牽引系統的控制。沉箱移運時啟動前面兩臺卷揚機，控制沉箱啟動速度在1.2 m/min以內，移運過程中對氣囊氣壓表逐個檢查，對壓力減小的氣囊進行增壓處理，同時注意沉箱上標注的刻度尺，沉箱行進過程中，給沉箱后部1～3條氣囊間歇放氣，始終保持沉箱前高后低，高差控制在150 mm以內。

移運時在沉箱前進方向上提前設置2～4個氣囊，沉箱移至鋪設氣囊中心上部時開始打壓，打入壓力同其他氣囊基本一致，沉箱繼續移動；同時沉箱后方即將滾動出來的氣囊在出來前要把壓力降為原先工作氣壓的60%左右，在其快滾出來時，一直放氣直至無壓力，使其與沉箱底安全分離，避免氣囊擠壓出來時彈擊傷人。如此反復操作進行沉箱移運。

表2沉箱移運時氣囊各參數Tab.2All parameters of air?bag for caisson transportation

在沉箱移運至距目標區域中心線5 m左右時，作業人員檢查沉箱中心線是否與目標區域中心線平行，若不平行，則控制卷揚機速度，慢慢調整至平行。在移運至目標區域中心線1 m左右時，啟動后拉卷揚機稍微帶力放慢拉移速度，待沉箱中心線與目標區域中心線重合時停止拉移。

5.2 牽引力計算

牽引力的計算公式如下

式中：F為搬運沉箱的牽引力，kN；k為安全系數，通常取1.2；M為沉箱自重，t，本次移運沉箱重量為2 200 t；g為重力加速度，取9.8 m/s2；f為氣囊與地面的滾動摩擦系數，與地面情況和氣囊的工作高度有關，一般取0.05；ΔH為沉箱在出運過程中前后最大控制高差，本項目ΔH控制在0.15 m；L1為沉箱移運方向的長度。

式（8）中右端第一項為沉箱在移運過程中氣囊與地面的摩擦力；第二項為沉箱傾斜時所產生的拉力（圖7）。從圖7中可以看出，沉箱傾斜時，所受的拉力F1，重力Mg，以及氣囊的支持力N三者保持平衡，故從三者組成的矢量三角形中可得

又由于α極小，所以

綜合式（9）和式（10）可得

利用式（8）可分別計算得到沉箱橫移和縱移時的牽引力。若拉力單位為t，則橫移所需最大拉力為159 t，縱移所需最大拉力為154 t，最大拉力可統一按159 t計算。另外，由于采用2臺卷揚機牽引沉箱，故每臺卷揚機所系地錨負擔的拉力為80 t。

圖7沉箱傾斜時受力示意圖Fig.7Force sketch for oblique caisson

圖8氣囊陸上移運沉箱流程圖Fig.8Flow chart for caisson land transportation with air?bag

6 陸上移運工藝流程

對于沉箱陸上移運，按照出運準備—→沉箱頂升—→橫向移運—→縱向移運的順序，其工藝流程圖見圖8。

7 結語

采用氣囊出運大型沉箱不需要陸上大型起重機械的配合，另外氣囊運輸對場地的適應性較強，場地處理費用較低，從而可以縮短工期和降低施工成本，這些是氣囊出運大型構件的顯著優點。

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Transportation technique for large caisson by air bags in Meizhou Harbor coal wharf project

WANG Jun?yang1,GENG Bao?lei2,LI Yue?han1
（1.Bohai Petroleum Harbor Construction Engineering Co.,LTD.,Huizhou Project Department,Tianjin 300452, China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment, Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

With the 2 200 t caisson planning to transport,the air bag choice,air bag carrying capacity,air bag layout,the traction force and traction system layout were analyzed in this paper,and the flow diagram for caisson transportation with air bag in land was given.

caisson;air bag;sensitivity;flow diagram

U 656.1；U 655

A

1005-8443（2015）06-0555-06

第五屆河口海岸國際研討會在阿曼馬斯喀特召開

2015-07-07；

2015-10-12

王鈞楊（1984-），男，遼寧省丹東人，工程師，主要從事港口與航道工程總承包管理及施工工作。

Biography：WANG Jun?yang（1984-），male，engineer.

本刊從國際泥沙研究培訓中心獲悉，2015年11月2日至4日，第五屆河口海岸國際研討會在阿曼馬斯喀特召開。本次會議由國際泥沙研究培訓中心主辦，阿曼蘇爾坦卡布斯大學承辦。來自20個國家和地區的150多名專家學者在3天的研討會期間，圍繞海岸侵蝕、近岸和離岸污染、海嘯與風暴潮、河口環境生態、海岸帶綜合管理、海水入侵、海岸及河口所涉及的社會、經濟和政治問題等議題進行了學術交流和研討，包括7個主題報告和44個技術報告，并進行了現場技術參觀。大會主題報告包括：基于平衡理論的海岸地貌特征模擬(Magnus Larson教授，瑞典)；FVCOM模型：開發、改進及應用(Changsheng Chen教授，美國)；香港港口區處理計劃消毒劑量優化的現場試驗(李行偉教授，中國香港)；日本仙臺海嘯后海岸地貌變化(Hitoshi Tanaka教授，日本)；波浪破碎SPH模型的開發(Robert Dalrymple教授，美國)；海岸災害、氣候變化風險以及海岸基礎設施的氣候適應工程(Mark Stewart教授，澳大利亞)；河口：水質觀測與模擬(鄧家泉教授，中國)。（殷缶，梅深）