沉箱移運上船牽引工藝優化

孫波

摘 要：沉箱通常在預制場預制，然后移運至半潛駁進行出運安裝。沉箱氣囊滾運上船時，通常采用鋼絲繩捆綁法或預埋拖環工藝，由卷揚機牽引沉箱上船。在日照鋼鐵通用泊位水工工程10萬噸碼頭沉箱出運時，采用了一種新的牽引沉箱上船的工藝，在沉箱側墻預留牽引孔，用鋼銷插入預留孔牽引沉箱上船，成功牽引滾運了2200噸的沉箱，對后續大型混凝土構件的水平移動具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：沉箱 滾運 溜放 拖環 銷孔

1.工程概況

日照鋼鐵通用泊位水工工程位于日照市嵐山區，碼頭總長度1720m，為重力式沉箱結構。共預制沉箱60個，其中D型沉箱長×寬×高=19.95m×14.25m×19.1m，單個沉箱重2229噸。A型沉箱長×寬×高=19.95m×13.25m×17.4m，單個沉箱重2054噸。沉箱預制在日照鋼廠沉箱預制場預制，預制場共布置兩條生產線，每條生產線可布置9個沉箱，具備同時生產18個沉箱的能力。

2.沉箱水平移運工藝介紹

沉箱預制完成后，在沉箱底部穿入滾運氣囊，沉箱在滾運氣囊的支墊下，在卷揚機及滑輪組的牽引作用下實現水平移運。前端牽引鋼絲繩起到提供牽引力作用，后溜鋼絲繩起到控制滾運速度和防止沉箱溜坡的作用。

3.工藝優化與方案確定

3.1牽引力、保險力計算

（1）水平移運時最大牽引力

沉箱自重Q=2229t，沉箱移運時前沿高500mm，后沿高200mm，經計算沉箱后傾角α=1.21°，詳見圖1。

最大牽引力： Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa

式中：Fd—卷揚機前拉力；Q—重物自重t； G—重力加速度；A—坡道傾角；u—坡道磨擦系數取0.03。

Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa=2229×10×sin1.21°+0.03×2229×10×cos1.21°=1139kN

沉箱牽引點一般設置2個，每個牽引點最大牽引力約570kN，沉箱水平滾運期間，后溜鋼絲繩處于松弛狀態，即保險力Fb=0，不得出現與前拉鋼絲繩出現對拉的情況。

（2）沉箱下坡道最大保險力

根據現有預制場情況計算，預制臺座與半潛駁接岸為斜坡結構，沉箱溜放下坡時前傾角α=1.833°，此時牽引力Fd為零，沉箱在保險力作用下緩慢溜放的過程，摩擦力與沉箱重力沿坡道向下的分力方向相反，見圖2。根據實際測算，卷揚機額定放繩速度為0.5m/s，動滑輪8股變速后作用在沉箱上的移動速度為0.0625m/s，剎車時間受到氣囊緩沖，停穩時間為0.2s。Fb=Q×g×sina-u×Q×g×cosa+mv/t=2229×10×sin1.833°-0.03×2229×10×cos1.833°+2229×0.0625/0.2=1098kN ，每個牽引點最大保險力約550kN。

3.2沉箱上船工藝比選

3.2.1傳統工藝介紹

（1）鋼絲繩捆綁法

鋼絲繩捆綁是牽引點的原始做法，即用一根受力滿足計算要求的長鋼絲繩沿著構件圍繞一周或數周，然后分別在沉箱前進方向的兩側既定位置預留出外伸琵琶扣作為牽引點，見圖3。此法雖可行，但操作極為不便，鋼絲繩纏繞與解纏工作耗工耗時，需要動用大型起重設備配合，鋼絲繩與沉箱四角的接觸部位經常相互磨損，在質量與安全管理方面埋下較多隱患。

（2）預埋拖環法

鑒于鋼絲繩捆綁法的上述缺點，埋設拖環法被普遍應用，此法安全可靠，但鋼材消耗較大。預埋拖環法見圖4。

根據上述牽引力的計算數據配備拖環：

A = 3F/2nfy

式中： F—最大牽引力，取570kN；

fy—HPB300材質圓鋼的抗拉強度設計值，取300 MPa，計算中進行以下折減：拖環彎曲后的應力集中對強度的折減系數取為1.4，動力系數取為1.5；n—計算拖環肢數，取2。

拖環設計截面積A = 3F/2nfy=3×57×1000×10/（2×2×300/1.4/1.5）=2993mm2

根據拖環截面積計算拖環直徑D=62mm ，則拖環采用直徑65mm圓鋼加工，每個拖環長度6m。

3.3預留銷孔牽引技術方案的提出

針對以上兩種牽引沉箱水平移運連接方式的缺點，需研究一種操作簡單、成本較低、能夠保證質量和安全的新的連接裝置。

大型沉箱一般底板混凝土厚度較大，鋼筋布設較密集，能夠承受較大的剪切力。在借鑒小型構件采用預留孔吊裝的基礎上，提出了預埋銷孔法水平牽引移運沉箱的技術方案。

銷孔法牽引沉箱水平移運就是在沉箱底板四周預埋銷孔，用于沉箱縱橫向水平移運，鋼銷插入沉箱預埋的銷孔中，利用鋼銷的抗剪性能由卷揚機牽引沉箱水平移運，并對鋼銷重復利用。該方法只需加工4根圓鋼做牽引鋼銷，在沉箱預制時預留4個牽引孔即可，即節約成本又方便施工。

3.4鋼銷制作及預埋孔布置

鋼銷采用HPB300圓鋼加工，選用直徑140mm圓鋼，長度1100mm，鋼銷插入預埋銷孔中，插入混凝土內部1000m，外露長度為100mm。

沉箱預制時預埋直徑150mm鋼套管，套管壁厚4mm，保證鋼銷與套管的接觸面積，利于操作；銷孔布置在沉箱底板鋼筋密集處，并局部加強，能夠保證沉箱混凝土滿足壓強要求。

預埋鋼銷孔與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，保證在牽引過程中，鋼絲繩自動向內鎖緊，防止鋼絲繩和鋼銷在牽引力作用下滑脫。

3.5鋼銷受力驗算：

（1）受彎驗算

鋼絲繩作用點在鋼銷外漏部分中部，距離沉箱墻壁懸臂長度50mm。

懸臂長度L=0.05m，鋼銷最大拉力F=570KN，鋼銷固定端力矩Mo=PL=570×0.05=28.5KNm

鋼銷抵抗矩W=πd3/32=269cm3彎應力σ=Mo/ W=28500000/269000=106Mpa<[σ]=270Mpa，滿足要求。

（2）受剪切驗算

鋼銷截面積A=15386mm2，剪應力

τ=570000/15386=37Mpa<[τ]=150Mpa，滿足要求。

4.工藝實施及操作要點

4.1施工工藝流程

預留孔設置→鋼銷加工→安裝鋼銷牽引→鋼銷撤回、牽引下一個沉箱

4.2預留孔設置

牽引孔的設置要考慮以下幾點：①牽引孔的直徑和深度問題，要保證鋼銷插入后，四周富余量不大，減少鋼銷活動空間。另外孔深度要足夠，保證鋼銷足夠的錨固深度；②預留孔壁周圍混凝土抗壓強度要足夠，本沉箱底板厚度50cm，銷孔選在沉箱底板厚度的中心，鋼筋密集，無需在銷孔四周另外配加強筋；③要考慮地牛埋設與牽引孔的夾角問題，保證在牽引過程中，鋼絲繩自動往內收，防止鋼絲繩和鋼銷在牽引力作用下滑脫。

根據前面計算，鋼銷直徑140mm，銷孔預留內直徑為150mm，斜埋入Ф150mm×4mm鋼套管1000mm形成銷孔，為防止鋼絲繩滑脫，鋼套管的埋設方向與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，見圖5。鋼絲繩牽引時，受夾角影響，自動滑向鋼銷根部，防止鋼銷出現懸臂發生滑脫事故。

4.3鋼銷加工

鋼銷加工原則是既要滿足抗彎、抗剪強度要求，也要有防止鋼絲繩滑脫的措施。根據前面計算，直徑Ф140×1000mm鋼銷即可滿足要求，為防止牽引過程中鋼絲繩從鋼銷端部滑脫，在鋼銷外側焊接一圈擋沿，擋沿厚度10mm，凸起高度10mm。為防止鋼銷擋沿對氣囊表面磨損，擋沿四周要做鈍化處理，見圖6。

4.4安裝鋼銷牽引沉箱

沉箱滾運前，預先將前沿鋼銷和后沿鋼銷插入牽引孔，套上牽引鋼絲繩，工人用錘子將鋼銷往里輕輕敲打，使鋼絲繩緊貼沉箱外墻，見圖7。

開啟4臺卷揚機牽引沉箱緩緩前移，前面2臺卷揚機牽引，后面2臺卷揚機溜放。保證前后鋼絲繩不出現對拉的情況。沉箱下坡時，前面鋼絲繩處于松弛狀態，后面鋼絲繩松放，沉箱在自重分力作用下緩緩溜放。沉箱水平移運見圖8。沉箱上船就位后，人工將鋼絲繩和鋼銷取下，安裝到下一個沉箱預留孔上，準備下一個沉箱的滾運。

4.5預埋銷孔法牽引沉箱移運注意事項

在沉箱水平滾運和溜放下坡時，要有專人查看鋼銷懸臂長度變化，鋼絲繩是否緊貼沉箱外墻，牽引孔周邊混凝土破損情況等。如果出現鋼絲繩滑脫或懸臂長度超出設計長度的現象，在水平滾運時，應暫停牽引，進行處理后再恢復。如果在下坡溜放時，在立即暫停溜放的同時，用墊木支墊沉箱，沉箱坐在墊木上后再進行處理。

5.工藝實施效果

5.1取得的經驗

在本工程中已用預留銷孔法成功出運2200噸沉箱60個，未出現任何質量和安全隱患。在滾運期間對該工藝各項指標進行了檢查，檢查結果如下：①在牽引鋼絲繩停停走走的反復作用下，鋼銷無絲毫外移跡象；②牽引鋼銷的鋼絲繩自鎖在鋼銷與沉箱側墻的夾角內，無跳槽、滑脫跡象；③銷桿整體完好，無任何彎曲或局部受壓變形跡象；④銷孔邊緣混凝土（尤其是鋼銷作用擠壓一側）未出現混凝土裂縫及嚴重脫落，僅個別沉箱表皮混凝土出現輕微脫落的現象。

5.2存在問題及經驗教訓

本工程沉箱設計鋼套管的埋設方向與牽引鋼絲繩方向成75°夾角，由于工人施工時不精心，技術人員疏于檢查，個別沉箱鋼套管的埋設方向與牽引鋼絲繩方向小于70度，其中一個沉箱達到60°，鋼銷在沉箱溜放下坡時，受鋼銷擠壓，表層混凝土薄弱出現破損現象。正常埋設的預留套管尚未出現該現象。因此，在后續施工過程中，夾角不易過小并加強對銷孔埋設質量的檢查。

6.結束語

預埋銷孔法牽引沉箱水平移運技術與傳統技術相比具有以下優勢：

（1）預留銷孔法和拖環法相比，主要是節約鋼材用量，經濟劃算。以本工程為例，沉箱移運若采用預埋拖環法，需采用直徑65mm圓鋼加工，每個拖環長度6m。采用預埋銷孔法牽引沉箱水平移運與之相比，可節約鋼材約38t。

（2）預留孔法對成品保護效果好，銷孔周圍均未出現破損現象發生，既解決了捆綁法對混凝土四角磨損的問題，又避免了拖環法后期防腐處理難的問題。

（3）該技術施工難度小，操作便捷。由于預留孔法耗鋼材少，成本低廉，可適當擴大預留孔直徑，增加沉箱移運安全系數。

在日照鋼鐵通用泊位水工工程中對沉箱移運上船牽引連接工藝進行了優化，發明了預埋銷孔法牽引沉箱水平移運技術，成功出運60個2200噸沉箱，該技術可推廣應用到其他大型鋼筋混凝土構件的移運，具有良好的經濟和社會效益。

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