受限航道中沉箱吊浮結合方式運輸工法研究

王甫學

摘 要：鑒于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整體穩定性好的較大優勢，其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應用。本文基于既有四類沉箱水上運輸方法的基礎上進行了改進和創新，并對受限航道中沉箱遠距離運輸過程中涉及的通航航道復雜性、沉箱波浪荷載計算、吊浮結合運輸可行性、吊力與浮力分配規律、吊浮結合運輸工藝、施工質量及安全控制開展了系統地研究，提出了吊浮結合方式沉箱水上運輸工法，為實際工程提供參考。

關鍵詞：沉箱;運輸;吊浮結合

中圖分類號：U693? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）07-0095-03

隨著“一帶一路”和海洋強國戰略的不斷推進，我國修建了大量高技術含量的人工島。鑒于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整體穩定性好的較大優勢，其已在人工島的建造過程中得到了廣泛應用。一般情況下，沉箱的施工流程主要包括陸地加工場內的沉箱預制、沉箱陸地出運、沉箱下水、沉箱水上運輸與沉箱安裝定位。待沉箱成功下水后，開始進行水上運輸，當前工程中常用的四種沉箱水上運輸方法分別為浮運、拖輪拖帶半潛駁運輸、駁船配合浮吊船運輸和浮吊吊運，這四類出運方法各有各自的特點和適用條件[1]。上述四類沉箱水上運輸方法已在沉箱運輸過程中得到了廣泛應用，同時也取得了較大的經濟效益。

然而，在受限航道中，航道水深和寬度均會受到一定限制，且在復雜的近海環境中，波浪和水流的影響均不能忽略，施工環境的復雜性和特殊性均迫使我們探尋一類適用于受限航道的大型沉箱水上運輸方法。為此，本文基于既有四類沉箱水上運輸方法的基礎上進行了改進和創新，并對受限航道中沉箱遠距離運輸過程中涉及的通航航道復雜性、沉箱波浪荷載計算、吊浮結合運輸可行性、吊力與浮力分配規律、吊浮結合運輸工藝、施工質量及安全控制開展了系統地研究，提出了吊浮結合方式沉箱水上運輸工法。

1工藝介紹

1.1工藝原理

本工法基于吊、浮相結合的方式實現了借助起重能力較低的起重船運輸較重沉箱的任務，可以通過改變沉箱的吃水深度來調整吊力與浮力的分配比例。

根據沉箱的規格和起重船的承載能力，使得沉箱的一部分浸入水中，并配合起重船進行起吊，由起重船拖帶沉箱前行。此方法可以有效地借助水的浮力來減輕起重船的吊力，同時能夠通過調整起重船的吊力來改變沉箱的吃水深度。根據施工現場的實際情況，合理調整起重船的吊力與水的浮力（沉箱的吃水深度），使其達到一種動態平衡。基于本工法進行沉箱的水上運輸時，沉箱的受力如圖1所示：

其中，he表示沉箱的吃水深度，FL表示起重船的吊力，Fv表示水動力在豎直方向的分力，Fh表示水動力在水平方向的分力，Fc表示起重船水平方向對沉箱的牽引力，G表示沉箱重力。對于任何一個瞬間，均滿足下表公式：

水平方向： Fh=Fc （1）

豎直方向： FL+ Fb=G （2）

1.2適用范圍

本工法適用于水上沉箱的遠距離運輸。對于航道條件受限（水深受限或者航道寬度受限）、沉箱規格較多、工期要求較嚴格、施工設備受限及非極端波浪條件下（通常波高不大于2.0m，波浪周期不大于10s）的工況，該施工方法的技術經濟優勢更加明顯。

2 施工工藝流程

沉箱在陸域加工場進行預制，預制完成后，通過頂升氣囊頂升沉箱，再通過拉移氣囊將其移運至出運碼頭前沿。然后由起重船吊起沉箱并放入水中，借助水的浮力減輕起重船的拉力，并使沉箱半漂浮在水面上，之后由起重船拖帶沉箱到施工現場，最后進行沉箱的安裝就位。施工工藝流程圖如圖2所示。

3 操作要點

3.1準備工作

沉箱出運、安裝準備工作主要包括沉箱出運前檢查、清理沉箱底座、清理出運道路、系圍捆鋼絲繩、選擇并布置氣囊、沉箱浮游穩定計算等。

3.2氣囊出運沉箱

在完成沉箱在預制場內的預制后開始采用氣囊法進行沉箱出運如圖3所示。其方法通過對沉箱下放置的膠囊充氣、加壓頂升沉箱，再在需移動的方向上施加牽引力，使氣囊產生滾動，從而達到搬運沉箱的目的。

3.3沉箱下水

沉箱下水時采用1800t自航起重船吊運方式，起重船吊運過程需密切關注施工現場風浪及現場其他船舶動向，以確保沉箱下水過程中的安全。下水具體流程為：起重船移船拋錨定位完成→起重船開始平穩漸進的方法移船至吊裝區域位置上方→吊鉤下降使吊具下的高強桿軸接近沉箱至適當高度→起重船微調使桿軸與沉箱吊裝孔準確對位，對位后落鉤將高強桿軸完全穿過沉箱→將吊具下高強桿軸鎖上保險銷→起重船主鉤逐漸上升，當主鉤受力至額定負荷的1/5～1/4（約74-93t）停止上升，檢查吊索、吊具、高強拉桿連接狀況[2]→如無異常，主鉤繼續上升至沉箱處于完全懸浮狀態→起重船開始平穩后移→沉箱放入水中。如圖4所示。

3.4沉箱水上運輸

對于自身重量較起重機承載力大的沉箱采用浮吊結合方式進行水上運輸。本工法中沉箱運輸時會同時借助水的浮力和起重船的吊力，依靠水的浮力和起重船的吊力將沉箱運輸通過水深或寬度受限的航道，并將其拖行至安裝水域，此時需要進行沉箱的水動力荷載計算和浮游穩定性驗算，沉箱水上運輸示意圖如圖5所示。

在近海環境中施工時，波浪荷載通常是影響沉箱運輸穩定性的最主要荷載。本文對沉箱波浪荷載的主要影響因素（波浪參數和沉箱幾何尺寸）進行了系統地參數敏感性分析，并基于數值分析結果，采用多變量分析方法，提出了一個能夠用于粗略估計沉箱波浪荷載的數學計算方法：

F=F（H， T， d， a， b， he）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：

a——沉箱迎浪側垂直于波浪傳播方向一側的尺寸

b——沉箱沿著迎浪方向的尺寸

he——沉箱吃水深度

通過研究發現波浪荷載隨著波高和周期的增大而增大，隨著水深的增大而略微減小，同時發現吃水深度對沉箱波浪荷載的影響與波高有一定的關聯性，并確定沉箱波浪荷載的計算公式如下：

式中：

z1、z2——沉箱底面與靜止水面處的坐標值

3.5沉箱安裝

當沉箱基于本文所提出的浮吊結合方法運輸至指定海域時，方可籌備沉箱的安裝。 沉箱安裝的主要步驟為：起重船移船拋錨定位完成→起重船用漸進的方法移船定位，并結合變幅的方法將沉箱平穩的吊至安裝區域位置上方[2]→主鉤緩慢下降，沉箱距基床30cm左右（視現場風浪情況，確定提升高度）→測量復核→微調起重船使沉箱精確定位，主鉤緩慢下降→1～2個低潮后再檢查沉箱位置。

4總結

綜上所述，吊浮結合方式水上運輸能夠充分發揮吊運與浮運各自的優勢，顯著增加此工法對施工環境的適應性，增加沉箱水上運輸過程中的浮游穩定性，易于控制沉箱的前進方向。同時，其借助起重設備的吊力和水的浮力來克服沉箱重力與前進過程中的阻力，水的浮力降低了運輸過程中對設備的要求，在一定程度上減少了設備費用和人工成本。

參考文獻：

[1]趙建智. 特大型沉箱的出運及安裝工藝研究與應用[D].中國海洋大學，2011.

[2]陸廣明.金塘大橋大型箱梁安裝施工技術[J].華南港工，2007（04）：50-54.

[3]中華人民共和國交通運輸部.重力式碼頭設計與施工規范[M].2013.

[4]周樂平.500噸沉箱水墊運輸施工技術[J].中國港灣建設，2002（04）：43-45.

[5]許文貴.重力式沉箱碼頭施工與質量控制分析[J].珠江水運，2018（06）：97-98.