沉箱起吊助浮出運安裝關鍵施工技術

張澤光

福建省港口工程有限公司，福建 福州 350000

1 工程概況

某碼頭工程為突堤式重力沉箱結構，共有沉箱12 個，其中CX1 型號7 個，CX2 型號1 個，安裝在碼頭平臺位置，CX3 型號4 個，安裝在南段引堤位置。三種沉箱均為對稱結構，底部設有對稱的1m的前后趾，底板厚550mm。CX1沉箱長18.91m，寬13.05m，高11.7m，重量1562.3t；CX2沉箱長18.91m，寬13.05m，高11.2m，重量1341.7t；

CX3 沉箱長13.15m，寬9.63m，高9.9m，重量781.9t。

2 沉箱出運

現場自然地質多為外露的全風化或者強風化花崗巖，地質條件好，承載力滿足要求，挖掘機開挖整平后可直接澆筑混凝土路面形成出運通道，建設成本低，綜合考慮自然環境、沉箱重量、船機設備、施工成本和工期要求等各方面因素，沉箱出運安裝采用氣囊和卷揚機從預制場通過出運通道移至坡底末端的起吊平臺后，高潮位利用潮差浮力，500t 起重船起吊助浮出運進行安裝。

2.1 沉箱出運施工工藝流程

圖1 沉箱出運施工工藝流程圖

2.2 出運通道

根據現場自然地形，選擇合適的出運線路，盡量選擇挖填方量較少的線路，沉箱預制場標高+6.8m，從沉箱預制場中部建設一條沉箱出運通道，出運通道末端設置一個起吊平臺，出運通道長度194m，寬度18m，出運通道坡度3%，起吊平臺長度25m，寬度18m，平臺標高+1.0m，出運通道路面采用C30 砼混凝土路面。如下圖所示

2.3 牽引系統

圖2 沉箱出運通道平面布置圖

牽引系統包括前、后牽引，前牽引用于將沉箱牽引前移，后牽引主要用于制動限制沉箱移動速度過快。前后牽引系統均采用2 臺8t 卷揚機，氣囊充氣達到工作高度后，卷揚機牽引，氣囊滾動，沉箱移動，由兩臺8t 卷揚機通過滑輪組在沉箱移動的方向兩側同步牽引。沉箱牽引速度控制在2.5m/min 左右，牽引鋼絲繩的系掛在沉箱前后趾預留的牽引點上。氣囊牽引力約為沉箱重量的5%，可隨著牽引高度的降低而減少，本工程沉箱移運共設置8 個地錨和8 臺8t 卷揚機。

牽引力這里取最重的CX1 型沉箱進行驗算，平地牽拉沉箱所需最大牽引力：Fc=G×u=1562.3t×0.03=46.87t，（Fc 為沉箱所需牽引力，u 為氣囊與混凝土地面的滾動摩擦系數根據以往施工經驗數據取0.03,G 為沉箱重量），2 臺8t 卷揚機通過滑輪組的施工總牽引力為96t，滿足要求。

2.4 供氣系統和氣囊配置

供氣系統采用2 套9m3的空壓機組配集中供氣，其中一臺作為備用。高壓氣囊選用直徑1.0m 長度13.05m 和5m 的兩種，氣囊工作壓力0.3MPa，實驗檢查壓力0.45MPa（工作壓力1.5 倍），工作高度0.4m，其充氣壓扁后接觸承壓面寬度L1=0.942m，氣囊寬度1.34m。CX1沉箱出運縱移時采用7根氣囊，橫移時采用6 根氣囊，計算如下：

（1）縱移：

氣囊工作長度為： L0=13.05m，工作高度：H=400 mm

承載面寬：B=π（D-H）/2=3.14（1.0-0.4）/2=0.942m

承載面積：S=B×L0=0.942×13.05=12.293m2

單根氣囊承載力：F=P×S=0.3MPa×12.293m2=368.8t；

所需氣囊的數量：N=K×G/F=1.4×1562.3/368.8=5.9根 取N=6 （K 取1.4）；

因沉箱縱橫牽引平移轉換時實際受力氣囊數量比正常狀態少一根，故取N=7 根；

（2） 橫移：

氣囊工作長度為：L0=13.05+5=18.05m，工作高度：H=400mm

承載面寬：B=π（D-H）/2=3.14（1.0-0.4）/2=0.942m

承載面積：S=B×L=0.942×18.05=17m2

單根氣囊承載力：F=P×S=0.3MPa×17m2=510.1t

所需氣囊的數量：N=K×G/F=1.4×1562.3/510.1=4.3根 取N=5 （K 取1.4）；

因沉箱縱橫牽引平移轉換時實際受力氣囊數量比正常狀態少一根，故取N=6 根；

2.5 沉箱浮游穩定計算

鋼筋混凝土容重： 浮游穩定計算時γ0＝2.45t/m3，吃水計算時γ1＝2.5t/m3；海水容重：γ水＝1.025t/m3；通過計算沉箱不進行壓艙，CX1 沉箱吃水6.1m，重心高度4.649m，浮心高度2.953m，定傾半徑ρ=2.335m，重心到浮心的距離α=1.696 m，定傾高度m=ρ－α=0.64m，干舷高度5.72m，CX3 沉箱吃水5.9m，重心高度3.872m，浮心高度2.845m，定傾半徑ρ=1.309m，重心到浮心的距離α=1.027 m，定傾高度m=ρ－α=0.28m，干舷高度5.92m，定傾高度均＞0.2m，內外水頭差小于設計要求6.31m，滿足要求［1-2］。

2.6 起吊助浮重量分析

這里取單件最重的CX1 型沉箱進行分析，單件CX1 型沉箱重1562.3t，海水重度取1.025 t/m3，枕木高度300mm。

沉箱前后趾排水體積：(0.4+0.55+0.55)/2×1×13.05×2=9.7 87×2=19.575m3

沉箱每米排水體積：18.91×13.05=246.78 m3

沉箱吃水起算高度：1.0+0.3(枕木高度)+0.5（吃水富余深度）=1.8m

沉箱吃水深度：6.0-1.8=4.2m，設計起吊水位+6.0m

沉箱浮力：（246.78×4.2+19.575）×1.025=1082.5t

起吊助浮重量：1537.5-1082.5=455t，所以選用500t起重船起吊助浮沉箱滿足要求。

2.7 主吊鋼絲繩驗算

主吊鋼絲繩擬采用2根直徑110mm抗拉強度R=1870MPa的鋼芯鋼絲繩，穿過沉箱底部系掛在吊架上，沉箱起吊起吊鋼絲繩系掛如圖所示：

圖3 沉箱起吊鋼絲繩系掛示意圖

鋼絲繩的容許拉力（安全荷載）按下式計算：

S——鋼絲繩的容許拉力（kN）；

Sb——鋼絲繩的破斷拉力（kN）；

Pg ——鋼絲的破斷拉力總和（kN）；

α——考慮鋼絲繩之間荷載不均勻系數，取 0.80；

K1——鋼絲繩使用安全系數，取 5；

鋼絲繩的截面積：A=πD2/4=3.14×1102/4=9498 mm2

鋼絲繩中全部鋼絲的截面積：

k0為鋼絲繩的截面積折減系數（根據大量統計資料計算）

鋼絲繩的破斷拉力總和：

鋼絲繩的破斷拉力：Sb=αPg=0.80×8454=6763 kN

鋼絲繩的容許拉力（安全荷載）：S=Sb/K1=6720/5=1344 kN

鋼絲繩所承受的拉力設計值：F拉=3541/4=885kN,小于容許拉力，滿足要求。

2.8 沉箱拖運

沉箱出運安裝前應對施工水域水深進行復核測量，起重船吃水深度2.5m，沉箱吃水6.1m,施工水域未存在礁石和淺點，水深滿足施工要求。沉箱起吊平臺與碼頭位置距離約240m，起重船單根錨纜長度500m，根據安裝位置和起吊助浮位置，一次拋錨可完成沉箱的起吊助浮和安裝，沉箱起吊助浮后，起重船保持80t 吊力直接攪錨拖帶沉箱至安裝位置。

3 沉箱安裝

本項目沉箱采用定位船配合起重船落潮安裝的施工工藝。沉箱安裝第一件時的精確定位安裝至關重要，定位船粗定位好位置，起重船先將沉箱拖至浮靠定位船，然后解綁起吊助浮的鋼絲繩，再系掛鋼絲繩于沉箱頂的安裝吊環，待落潮后開始安裝沉箱，起重船保持吊力穩定在80t 左右，潛水員打開沉箱進水閥門進行注水使沉箱下沉，此時應注意沉箱各倉格壓水高度，以保持沉箱正直。測量人員用華測GPS 測量沉箱的設計坐標位置，當沉箱下沉至距離基床頂面約0.5m 時，潛水員關閉進水閥門，用雙GPS 測量前沿兩個角點進行精確定位，然后起重船調整沉箱位置，再利用落潮或進行壓水將沉箱平穩、準確的坐落于基床上。沉箱落至基床面后測量隊利用GPS 復核沉箱的安裝誤差值，符合規范要求則打開進水閥均勻灌水穩定沉箱，安裝結束，后續沉箱依靠前一件沉箱進行安裝。沉箱安裝完成后經兩個低潮位后觀測復核符合要求后及時對沉箱進行回填壓載［1-2］。

4 施工注意事項

（1）本施工工藝所需施工用地多，出運通道建設長度較長，需要良好自然環境和地質條件。

（2）出運通道長度較長，沉箱移運工作量比較大，還需乘潮作業，所以沉箱出運準備工作比較重要，施工前多注意牽引系統、氣囊和供氣系統的檢查工作，移運過程氣囊不得浸水作業。

（3）出運通道坡度不得大于3%，否則沉箱移運過程容易失穩傾覆。

（4）開工進場后，設置水尺進行潮位觀測并形成記錄與潮汐表進行比較，這項工作尤其重要，是為起吊平臺標高確定、乘潮移運作業時間和起吊助浮重量分析提供準確的數據參數的基礎工作。

（5）選擇起重船起吊助浮時，應考慮一定的富余起重能力，本文采用吃水富余深度500mm 進行考慮。

（6）出運前應驗算沉箱浮游穩定各項參數，沉箱起吊助浮完成后應及時灌注壓艙水，使沉箱浮游穩定后再進行拖帶。

（7）沉箱起吊過程應注意沉箱成品結構的保護，尤其是邊角區域的保護，防止掉塊破角。

（8）沉箱預制時應考慮沉箱的頂升方式和吊點位置，預埋安裝輔助吊環或者設置吊孔。

（9）施工水域水深施工前應進行復核測量是否滿足要求。

5 結束語

沉箱出運安裝應綜合考慮自然環境、沉箱重量、船機設備、施工成本和工期要求等各方面因素，然后充分利用現場有利條件，采用科學有效的沉箱出運安裝施工方法，才能確保沉箱出運安裝施工的安全、高效和經濟［3］。起吊助浮出運安裝沉箱無需調遣半潛駁和大型起重船，靈活性高，節省施工費用，沉箱可分批次預制下水安裝，同時還可以減小沉箱起吊重量，避免吊點應力過大對沉箱結構造成破壞等優點，本文對關鍵施工技術進行總結提供借鑒。