大型沉箱起重船大吊力助浮出運技術

李永鋒

(大連港灣工程有限公司，遼寧 大連 116000)

隨著沿海港口向大型化、專業化方向發展，碼頭前沿水深不斷加大，作為碼頭基礎的沉箱尺度也越來越大，對沉箱出運提出了更高的要求。常用的沉箱出運方式包括小型沉箱吊扶出運[1]、中大型半潛駁出運、氣囊臺車出運[2-3]、浮塢出運[4]和斜坡下水滑道出運等。隨著沉箱尺度的不斷增大，早年已建成的沉箱預制場斜坡式滑道末端水深難以適應大型沉箱出運的要求。為解決大型沉箱斜坡式滑道末端水深不足的問題，對起重船大吊力助浮沉箱出運技術進行分析計算，并經物模試驗驗證，較好地解決了大型沉箱出運受滑道水深不足限制的問題。

1 工程概況

大連港大窯灣北岸配套碼頭工程為重力式沉箱結構，沉箱長16 m、寬15.1 m、高22.1 m、自質量2 780 t。沉箱預制和出運利用大連港灣工程有限公司大窯灣沉箱預制廠，臺座平面尺寸為22 m×24 m,最大可預制3 000噸級的沉箱。沉箱下水方式為斜坡式下水，滑道長度為198 m，末端水深為10.3 m。

根據沉箱浮游穩定計算，當定傾中心高度m≥0.2 m時，沉箱起浮需要的最小吃水深度為14.2 m。大窯灣沉箱預制廠滑道末端縱移車頂端水深10.3 m，沉箱自然起浮出運至少需要乘4.3 m潮水，但是大窯灣港區全年4 m以上潮水有限，潮位保證率(小于10%)不能滿足施工需求。

為滿足沉箱下水浮運的要求，重點對陸上一次預制成型、起重船大吊力助浮出運沉箱的施工工藝進行研究，解決傳統斜坡式滑道超能力出運沉箱的技術難題。

2 同類技術國內概況

《碼頭結構施工規范》中有允許用起重船助浮的相關條文,但如何選取吊力P和核算浮游穩定性未作規定。目前，國內起重船助浮出運沉箱的相關施工項目多為半潛駁出運形式，解決的是半潛駁平潛作業穩定性不滿足規范要求或下潛區水深不滿足沉箱浮游穩定而采取的助浮出駁問題，少有針對斜坡式滑道末端水深不滿足沉箱浮運吃水而采用起重船大吊力助浮的相關施工案例及技術。

3 吊裝系統的設計

由于沉箱外壁厚度難以滿足吊環埋設要求，本工程采用在沉箱外壁預留吊孔的吊裝方式；為保證吊力與沉箱外壁在同一豎向平面內，在沉箱頂部設置助浮吊架。

3.1 沉箱吊孔設計驗算

沉箱采用8點起吊，起重船為雙吊鉤，雙吊鉤間距為3.0 m，每個吊鉤4組鋼絲繩，通過吊架與吊孔銷子相連，吊架采用四點吊，鋼絲繩起吊角度要求均大于65°。吊孔距沉箱頂端6.0 m，為了保證鋼絲繩與吊架夾角，吊鉤距離吊架高度為18.0 m，考慮到人員機械操作要求，吊架高出沉箱頂5.0 m，沉箱起吊模型見圖1。

圖1 沉箱起吊模型

為保證沉箱助浮吊運安全，須驗算吊孔局部受壓承載力、吊孔處受沖切承載力和吊孔抗剪承載力等。沉箱助浮出運時考慮吊裝動力系數1.3，8個吊點按6個同時受力計算，則單個吊孔受力值為975 kN。

經計算，吊孔局部受壓承載力設計值為947 kN，局部受壓承載力不滿足要求，考慮在吊孔處增設鋼套筒，鋼套筒壁厚15 mm，增設套筒后吊孔局部受壓承載力設計值為1 356 kN，受沖切承載力設計值為2 654 kN，抗剪承載力設計值為1 669 kN，滿足承載力要求。

3.2 沉箱助浮吊架的設計及計算

吊架采用鋼結構，主梁采用雙槽36b對扣焊接方形管，聯系梁采用雙槽32a對扣焊接方形管，兩槽鋼中間需要加肋，上方桁架采用雙槽16a對扣，焊接于主梁上，擋塊采用雙槽32a對扣，擋塊內部和背面設置加強板。每個鋼絲繩位置左右各1組，長度可根據起重船能力適當調整，并且設置銷子，防止鋼絲繩從擋塊之間脫離。

采用有限元軟件邁達斯CIVIL對吊架進行長細比、應力和變形驗算，吊架3D計算模型見圖2。結果為：長細比44.8，吊架應力最大值為64 MPa，最大豎向位移3.12 mm，均滿足相關規范要求。

圖2 吊架3D計算模型

3.3 吊索具計算

1)起吊沉箱鋼絲繩的選用。考慮鋼絲繩磨損，折減系數取0.9，承載力安全系數取5。根據GB/T 20067—2006《粗直徑鋼絲繩國家標準》，選用6×37(a)類直徑82 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 870 MPa，折減后最小破斷拉力為4 032 kN；吊運沉箱鋼絲繩拉力為3 656 kN，選用鋼絲繩滿足沉箱吊運要求。8根鋼絲繩總長度為491.68 m，總質量13.82 t。

2)起吊鋼吊架鋼絲繩的選用。鋼吊架總質量為G=23.19 t(包含加勁肋)，起吊吊架采用4點吊，選用GB 8918—2006《鋼絲繩國家標準》6×37(a)類直徑32 mm鋼芯鋼絲繩，公稱抗拉強度為1 570 MPa。4根鋼絲繩總長度為79.72 m，總質量為0.35 t。

考慮彎折增加長度5%后的吊索具所用鋼絲繩總質量為14.88 t，吊架含鋼絲繩的總質量為38.07 t。考慮沉箱助浮力4 500 kN，則所需起重船最大起吊力為4 900 kN。起重船助浮出運沉箱見圖3。

圖3 起重船助浮出運沉箱

4 物理模型試驗

采用物模試驗模擬沉箱出運過程，結合理論計算總結不同工況下吊力與沉箱吃水、定傾高度m的關系[5]。長度模型比尺為40，實際波高為0.5 m，波浪模型采用規則波。沉箱吊浮模擬見圖4。

圖4 沉箱吊浮模擬

經計算，在不考慮助浮吊力的情況下，當沉箱吃水13.9 m時，定傾高度m=0 m，處于臨界穩定狀態；滿足定傾高度m=0.2 m時，沉箱吃水為14.2 m。

為滿足斜坡道末端起浮要求，沉箱吃水不大于13.0 m，并滿足定傾高度m≥0.2 m的要求。為驗證物模試驗吊力數值，選取沉箱吃水13 m、定傾高度為0.1 m的工況進行復核。理論計算吊力為3 429 kN，試驗實測值為3 440 kN，考慮到讀取水位的誤差、滑輪摩擦阻力等因素，試驗數值與理論計算結果吻合，試驗沉箱吃水與m值及吊力對應關系見表1。

表1 試驗沉箱吃水與m值及吊力的關系

5 結語

1)通過運用物理模型試驗，模擬沉箱起重船大吊力助浮，驗證了吊力與沉箱吃水及m值之間的理論關系。

2)根據起重船助浮特點，設計并制作大型鋼結構撐架系統，解決了起重船起吊時鋼絲繩對沉箱外壁的破壞問題。

3)大型沉箱起重船大吊力助浮出運技術成功解決了傳統斜坡式滑道不能滿足大吃水沉箱出運的技術難題，為傳統預制場大吃水沉箱出運提供了成熟可靠的解決方案。