港珠澳大橋大型有底鋼套箱整體抬吊安裝技術研究

郭清

摘 要：目前，大型有底鋼套箱越來越多地應用于海洋、江河、湖泊等涉水大型橋梁工程。鋼套箱為橋梁基礎及下部構造水上施工作業中常用的一類圍護結構形式，常用的鋼套箱分為單壁和雙壁兩種形式，一般大型深水基礎大多采用雙壁鋼套箱形式。鋼套箱的安裝方法通常可分為分塊拼裝和整體吊裝兩種。

港珠澳大橋青州航道橋主墩承臺鋼套箱設計為有底雙壁鋼套箱，鋼套箱平面尺寸90.39×43.14m，重量約1700t。鋼套箱在工廠內分塊制作并拼裝為整體，滾裝上船后浮運至現場整體吊裝。根據施工條件、浮吊資源，考慮到套箱結構尺寸大、重量大，且外海海域工況復雜，施工方案最終采用兩艘浮吊抬吊安裝工藝，而雙機抬吊作業對船舶拋錨定位、起吊下放及移動的協調性要求較高，通過對抬吊安裝工藝進行研究和總結，可為今后類似工程提供一定的借鑒經驗。

關鍵詞： 大型;有底鋼套箱;整體吊裝;施工

1.鋼套箱概況

港珠澳大橋青州航道橋主墩承臺防撞套箱采用雙壁有底鋼套箱，套箱總長約226.5m（內圍壁），平面長度90.99m、寬度43.14m，高度8.5m，承臺套箱箱體寬度為3.3m，系梁套箱箱體寬度為3.1m。防撞套箱分為26個分段，單個節段長度4～11m。節段間采用不銹鋼螺栓連接;分段重量約25～36噸，總重約1700噸，結構如下圖。

2.氣象水文條件

（1）氣象

橋址區屬南亞熱帶海洋性季風氣候區，天氣特點為溫暖潮濕、氣溫年較差不大，年平均氣溫22.7℃。降水量多且強度大。年盛行風向以東南偏東和東風為主，橋區處于熱帶氣旋路徑上，登陸和影響橋位的熱帶氣旋十分頻繁，平均每年2個左右，最多時每年可達6個，主要集中在6～10月。

（2）水文

工程沿線水下地形十分平坦，水深為5～6m，設計最高水位為3.52m，最低潮位-1.24m，平均潮位1.05m。本海域水流具有落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大的特點。漲潮流向基本為N向，落潮流向基本為S向。100年重現期設計流速極大值為2.02m/s。

3.設備配置及吊裝驗算

3.1吊裝設備選擇

根據鋼套箱結構尺寸、自重及吊高要求，并結合現有設備情況，本著經濟適用的原則，擬采用中交一航局ZPMC4000t及江蘇蛟龍打撈航務工程有限公司的秦航工65（1000t）浮吊抬吊，浮吊性能參數如下：

3.2吊裝參數驗算

1、吊高核算

鋼套箱吊裝時兩浮吊平行定位，扒桿吊裝傾角秦航工65為60°，ZPMC4000t為65°，吊裝時水位取+0.0m，鉆孔平臺頂標高為+6.5m，鋼套箱高度8.5m，鉤頭到鋼套箱頂面40m（鋼絲繩長度為80 m）。要求吊高為：6.5+8.5+40=55m，按所選浮吊凈空高度最小的秦航工65計算，扒桿在60°仰角時凈空高度為70m（含水面至甲板的距離），所以富余高度還有70-55=15m，滿足吊裝要求。

2、吊重核算

吊裝設備的選擇應考慮鋼套箱自重及吊高要求。由于鋼套箱重量達到1700t，考慮1.2倍動載系數，1.2×1700=1955t。4000t+1000t浮吊抬吊，兩浮吊相加只能算2000噸（抬吊算均分）滿足吊重要求，按各浮吊性能參數為：1000噸-977.5噸=22.5噸，還有22.5噸的富余，滿足吊裝要求。

3、吊裝作業半徑核算

根據計算得到作業半徑為：鋼套箱中心點距最外側鋼管樁25m，秦航工65扒桿仰角60°時凈空作業半徑為30.58m，因此還有30.58-25=5.58m富余，滿足吊裝作業要求。

3.3吊點布置

根據浮吊主鉤分布情況，合理布置吊點。主墩鋼套箱共布置16個吊點，如圖7所示：

3.4吊索具選用

（1）卸扣

經計算，吊點受力最大值為115t，采用150t卸扣16個可滿足要求。

（2）鋼絲繩

鋼絲繩選用直徑120mm長80m8根，由吊點布置可得鋼絲繩夾角為32°，最重件為1750噸（以秦航工65為例，算吊重900噸）

P=G/nCOSα

P=900/8*COS32°=95.4（噸）

P ─ 鋼絲繩所受的力

G ─ 最重吊物重量

α─ 鋼絲繩與吊物垂線間夾角

[S許]=S破κ/K

=770噸*0.82/6

=105噸

[S許] ─ 鋼絲繩許用應力

S破 ─ 鋼絲破斷拉力總和 ? ? ? ? ?S破=770（噸）

κ─ 鋼絲繩捻制折減系數 κ=0.82

K ─ 安全系數 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?K=6

105>95.4

[S許]>P

鋼絲繩滿足吊裝要求。

由于鋼繩具可以自調節平衡，在起吊過程中，兩艘起重船均有拉力計控制平衡，偏載可控制在100T范圍以內，兩浮吊拉力計偏差若為100T，最不利情況為1000T浮吊承受荷載950T，此時鋼繩受力發生變化，鋼繩受力P=95.4*950/900=100.7T，鋼繩破斷力=770*0.82=631.4T，此時鋼繩安全系數為6.3，仍可滿足要求。

注意：在起吊過程中安排測量人員觀察套箱兩端的高度差，盡量保持套箱水平狀態，避免偏載過大。

4.浮吊布置及拋錨

兩艘浮吊尾部各拋2只將軍錨，艏部各拋2只錨，錨纜長：1號錨250m，2號錨200m，3號錨200m，4號錨250m，5號錨250m，6號錨200m，7號錨200m，8號錨250m，錨繩布置如圖8所示。

注意：可在主墩鉆孔平臺鋼管樁上各帶兩根牽引纜繩，降低水流力對船體的影響。

鋼套箱吊裝過程中所受的外力大小，計算公式根據港口工程荷載規范（JTJ215—98）計算浮吊的水阻力。

浮吊阻力按下式計算：

FW=CWV2Aρ/2

CW=0.046Re-0.134+b

Re=VL/ν

其中：FW——水流力標準值（KN）;

CW——水流力縱向分力系數;

V——水流設計流速（m/s）;

ρ——水的密度（t/m3）;

A——計算構件在與流向垂直平面上的投影面積（m2）。

Re——水流對船舶作用的雷諾數;

L——船舶吃水線長度（m）;

ν——水的運動粘性系數（m/s）;取ν=1.00

b——系數;取b=0.031

風壓就是垂直于氣流方向的平面所受到風的壓力。根據伯努利方程得出的風-壓關系，風的動壓為

其中P為風壓[kN/㎡]，ρ為空氣密度[kg/m?]，為風速[m/s]。

此式為標準風壓公式。

標準狀態下（氣壓1013 hPa， 溫度15°C）， 空氣重度 r=0.01225 kN/m?，重力加速度g=9.8m/s?：

7級風風速為（13.9～17.1 ）m/s，考慮工程安全，取風速為17.1 m/s。

P=17.12/1600=0.183kN/㎡

水流流速m/s 水流力（kN） 風壓力（kN） 合力（kN）

1.5 41.6 51.2 92.8

111.2 77.0 188.2

說明：1.水流流速取1.5m/s;

2.風壓力按7級風（13.9～17.1m/s）核算，取風速為17.1m/s;

3.浮吊操作室、扒桿等擋風結構取擋風面積為100m2。

說明：1.水流流速取1.5m/s;

2.風壓力按7級風（13.9～17.1m/s）核算，取風速為17.1m/s;

3.浮吊操作室、扒桿等擋風結構取擋風面積為100㎡。

根據上表計算結果，浮吊縱橋向吊裝時的臨時錨碇系統最小錨著力為188.2kN。

經計算，浮吊定位順橋向總阻力R=188.2KN（風荷載+流水壓力）。

浮吊定位橫流向總阻力R= 188.2KN

①鐵錨數量：3個10t、2個8t邊錨（上下游各兩個），邊錨與水流方向成20°夾角。

②海底覆蓋層為砂質土，鐵錨承載力：

P1=4×7=280KN

豎向承載力： R= 2×P1×cos20°=2×280×0.9397=526.2KN>R= 188.2KN

③錨纜鋼絲繩，選用6×37-42.0-1700的鋼絲繩，鋼絲繩破斷拉力1185.0kN。

鋼絲繩安全系數：K=α·R/188.2

K=0.85×1185.0/188.2=5.35，3≤K≤6，滿足要求

④纜繩長度，鋼絲繩長度Lm=sqrt（h2+2hF/γ）

其中：h——錨馬口至河床面面的高差，取h=18.0m

F——錨的水平拉力，取F=94.1kN

γ——鋼絲繩在水中重力，取空氣中的70%，0.14743×0.7=0.103kN/m

Lm=sqrt（18.02+2×18×94.1/0.103）=182m

取Lm=200m。

通過上述計算同理可得鋼護筒能承受拉力達到8噸即可。

5.吊裝

5.1準備工作

進場前檢查各工器具（鋼絲繩、卸扣、吊鉤、制動、限位等）以及鋼套箱完好情況，檢查需吊裝構件吊點以及外貌有無受損情況，并做好詳細的檢查記錄，同時，測量作業水域水深以及流速情況。

5.2吊裝施工

1、吊裝時機選擇

鋼套箱吊裝選擇在流速較小平潮時的進行，風力達到6級以上停止施工。

2、吊點連接

由于鋼套箱的吊索非常重，靠人力很難完成吊點的連接，所以必須通過左右移動浮吊來實現吊點的連接，同時要準備若干2t手拉葫蘆，用以輔助吊點連接。

3、試吊

所有吊點均連接完畢，并檢查無任何問題后，浮吊開始起鉤，使吊索被張緊，此時，起重指揮人員再次檢查吊點的連接情況及吊鉤是否與吊箱的中心是否重合，如果不滿足要求，可通過絞錨使浮吊吊鉤位于吊箱的正上方，同時，各船專職人員檢查錨纜情況，均無任何問題后，解除吊箱的一切約束，進行試吊。

1）試吊高度：200～300mm;

2）每次試吊時間15分鐘;

3）試吊時重點檢查內容：

a、吊點的受力情況：

b、各根吊索具的受力情況;

c、卷揚機的運轉情況，聲音、電流大小;

d、崗位制的執行情況;

e、整改及試吊次數：不限次數，以整改完成為準。

4、起吊

試吊檢查合格后，正式起吊。起吊應分級進行，根據鋼套箱的重量，每100t為1個級別，實際吊裝施工時，通過浮吊上自帶的拉力計進行控制，每增加一個級別，相關人員檢查各自負責的任務（錨纜、吊索、卡環等），無任何問題后施加下一級。

5、移船

當鋼套箱被吊起超過平臺50cm高后，兩艘浮吊通過絞錨松錨操作同時前進，移動時應緩慢進行，幅度不宜過大。移位時統一口徑，統一指揮松放艉錨纜，同時收縮艏錨纜，操作時實行點動禁止連動，移動時保證各錨纜同時上勁和緩放。使浮吊平穩的移至鋼套箱需擺放位置;前后調整錨纜使處于懸掛狀態的鋼套箱對準擬擺放點正上方50cm。

6、下放

當鋼套箱的縱、橫軸線與平臺的縱、橫軸線基本重合時，兩艘浮吊同時落鉤，直至鋼套箱四角孔緩慢進入導向鋼護筒，并且經過微調，使鋼套箱完全套進所有鋼護筒內。繼續下放，直至鋼套箱入水。

7、懸掛梁吊桿施工

鋼套箱下放至設計標高后，采用鋼板、鋼楔塊將每一個懸掛梁與鋼護筒之間的空隙楔緊，確保各個懸掛梁受力均勻。然后采用型鋼將懸掛梁與鋼護筒外壁焊接固定，同時，也采用型鋼將鋼套底板桁架與內部鋼護筒焊接固定，以保證鋼套箱在外圍海水漲落潮時的穩定。同時，快速完成鋼套箱底板吊桿的焊接，確保套箱安全。

6.注意事項

1）鋼套箱吊點的強度必須達到鋼套箱自重的6倍以上。

2）根據現場勘察情況，作業區的兩側需有足夠的系纜樁，如沒有必須埋設地錨并能承受10噸以上的拉力便于浮吊的移位。

3）場地如沒有系纜樁必須在兩邊對等位置埋設兩只地錨以便浮吊進行移位。

4）鋼套箱起吊時，鋼套箱的四個角需用足夠長的繩子栓好以免左右晃動。

5）鋼套箱吊裝到位時，初定位由浮吊完成控制在10cm以內的誤差，精確定位時，需利用手拉葫蘆和導向裝置以及四周繩子來定位。

7.小結

港珠澳大橋青州航道橋主墩鋼套箱結構尺寸大、重量大，吊裝作業點處于外海，受風力、潮汐、水流、浪涌等影響較大，吊裝工況復雜。采取兩艘大型浮吊抬吊安裝對浮吊的拋錨定位、臨時固定、浮吊起鉤、絞錨移動等操作提出了較高的要求。雙浮吊抬吊安裝的成功，填補了外海大型鋼構件吊裝施工的空白，為今后類似工程提供了借鑒經驗。