外海無掩護條件下獨立墩式圓沉箱精準安裝

遲速，姜興偉

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066002）

1 工程概況

茂名港吉達港區東二港池1 號、2 號液體散貨泊位工程[1]為蝶形布置形式，如圖1 所示，重力墩式圓沉箱共安裝15 座，單件沉箱重量2 022 t，沉箱高度為19.4 m。外直徑15.0 m（外趾直徑18.0 m），外墻寬度450 mm（頂部寬度850 mm），底板厚度1 000 mm，隔墻寬度250 mm，呈十字形布置，共4 個倉格。沉箱安裝設計底高程-16.0 m，頂高程+3.4 m。

圖1 碼頭模型圖Fig.1 Model diagram of the wharf

在茂名港吉達港區東二港池1 號、2 號液體散貨泊位工程沉箱安裝過程中，經對安裝精度控制方法進行研究，制定了相應的控制措施，大幅度提高了安裝精度。此類沉箱安裝施工工藝在國內已廣泛應用，但在外海無遮掩水域環境下進行重力式碼頭[2]圓沉箱安裝應用較少。

2 自然條件

1） 潮汐及水位

①基準面關系

基面關系：高程基面采用當地理論最低潮面。

茂名港的理論最低潮面在中國85 國家高程基準下1.18 m。

②潮汐及設計水位

本海區潮汐類型屬不規則半日潮，一般潮差約1.0～1.5 m。

工程設計水位如下：

設計高水位：3.32 m；設計低水位：0.46 m；極端高水位：4.75 m；極端低水位：-0.44 m。

③乘潮水位

歷時2 h 保證率90%的乘潮水位為1.90 m。

2） 波浪

1 號、2 號泊位重現期10 a 一遇設計波浪要素如表1 所示。

表1 碼頭前沿設計波浪要素表Table 1 Wave elements of wharf front design

3） 海流

工程海域潮流呈往復流，灣內漲潮流自東向西，落潮流自西向東；工程附近海域大潮平均流速約0.13 m/s，最大流速約0.25 m/s。

3 工程特點與難點

本項目地處亞熱帶季風氣候帶，4—5 月受西南季風、10—11 月受東北季風影響較為嚴重，每年臺風集中在6—9 月，施工水域波長較長（一般為20～30 m），波周期長（一般為9～10 s），涌浪高度多數為0.6 m以上，每月有效施工時間僅有10 d。

本工程屬于外海無掩護施工水域，相鄰在建防波堤工程未對本工程形成有效掩護，因此給海上安裝帶來很大困難[3]。

圓沉箱倉格呈十字形布置，沉箱安裝雙定位控制尤為重要，一是保證沉箱中心位置準確，二是控制十字隔墻軸線方向，以免軸線位置偏差過大造成上部預制蓋板無法安裝，影響碼頭前沿線控制。

獨立墩式沉箱安裝無任何有利依托，如何保證沉箱安裝精度是本項目最大難點。經研究討論，采用600 t 起重船吊浮[4-5]沉箱出駁、安裝，1 200 t自航駁輔助定位，如圖2 所示，雙GPS 進行沉箱中心位置以及軸線位置精準控制。

圖2 起重船助浮沉箱安裝圖Fig.2 Installation of crane ship assisted floating caisson

4 主要操作方法和步驟

4.1 方案比選

4.1.1 沉箱吊點設置

沉箱吊點選用八點吊。本項目沉箱隔墻寬度為750 mm，施工水域海況較差，沉箱上下起伏易造成單點應力集中，易造成沉箱隔墻損壞現象，八點吊受到的影響較小；采用八點吊降低了吊環直徑及重量，便于沉箱預制施工，同時沉箱吊裝時水平受力方向與沉箱隔墻平行，易于隔墻受力且便于吊裝施工。

4.1.2 吊裝材料選擇

吊裝材料選用吊裝帶。本項目施工水域海況較差，隨起重船鉤頭上下起伏晃動較大，直徑120 mm 鋼絲繩自重較大，不利于起重工人掛鋼絲繩，而吊裝帶自重較輕，方便起重人員掛鉤，操作方便、安全性高，不易對工人造成傷害。

4.1.3 吊裝鉤頭選擇

吊裝鉤頭采用單鉤。本項目為圓形沉箱，起重船、方駁雙定位，單鉤吊裝易轉動，便于調整沉箱安裝角度。

4.1.4 起重船的選擇

起重船采用600 t 起重船。600 t 起重船船長為73.8 m，船寬為26.6 m，平行于波浪方向駐位，抵抗風浪能力更強，同時600 t 起重船可兼顧預制蓋板安裝施工。

4.2 沉箱出運前過程控制

沉箱出運安裝前報請總包、監理、業主單位共同確認出運條件，如圖3 所示，并留檢查記錄，確定沉箱出運安裝作業窗口期條件為有義波高小于1.5 m，風力小于6 級，超過作業窗口期條件不允許施工作業。

圖3 過程檢查Fig.3 Process check

4.3 操作要點

4.3.1 沉箱安裝粗定位

起重船吊浮沉箱至待安裝基床上方，如圖4所示，船長與波浪方向平行駐位，減小沉箱安裝過程中的起浮晃動。打開截門注水下沉。沉箱底面距基床頂面1.0 m 時暫停，使用1 臺GPS 對沉箱中心位置進行粗定位。

圖4 起重船吊浮沉箱粗定位Fig.4 Coarse positioning of the floating caisson lifted by the crane

4.3.2 沉箱安裝精準定位

粗定位調整后，繼續加壓載水，測量按四點監控沉箱頂面高程，確保高差小于5 cm[6]，當沉箱下沉至基床頂面30 cm 時關閉進水截門，進行沉箱位置精確調整。此時，起重船吊浮沉箱50 cm，吊重約90 t，受涌浪影響實際吊力控制在120～180 t，避免因沉箱起浮晃動對基床、吊索具及沉箱隔墻造成損壞。

采用雙GPS 配合船舶精確調整沉箱位置，即2 臺GPS 布設于平行碼頭前沿的沉箱隔墻上，通過相對偏位建立控制線，1 臺GPS 控制沉箱中心位置，1 臺GPS 控制沉箱軸線位置，如圖5 所示。

圖5 雙GPS 精準定位控制Fig.5 Dual GPS precise positioning control

起重船收放錨纜精確調整沉箱中心位置，以沉箱頂口預埋吊環為輔助，一側與起重船船首交叉牽牛纜連接，另一側定位駁輔以手拉葫蘆連接，從而調整軸線位置，如圖6 所示。沉箱精準定位后起重船落鉤，沉箱迅速落座在基床上。

圖6 起重船與定位駁精準定位沉箱Fig.6 Precise positioning of caisson by crane and positioning barge

4.3.3 沉箱復測

沉箱落座平穩后，復測頂標高和位置。若位置偏差較大可通過起重船助浮重新調整安裝。沉箱安裝位置復測合格后[7]，再次打開各倉進水截門，各倉格均勻注水與海面齊平，避免沉箱受涌浪沖擊造成位移，沉箱安裝完成后的效果如圖7所示。

圖7 沉箱安裝效果圖Fig.7 Effect of caisson installation

5 質量控制措施

5.1 安裝前質量控制措施

1） 現場合理組織船機，合理分段施工，將基床拋石、基床打夯、基床整平、沉箱安裝工序形成有效流水作業，相互銜接緊湊，減少工序交接的閑置時間，確保施工質量。

2） 重視基床拋填石料質量把控，安排專職人員進行現場石料質量管理，確保滿足設計、規范要求，嚴格執行分層拋填，拋填厚度不超過2 m，選用夯錘滿足規范要求，打夯過程嚴格控制，確保夯沉量滿足規范要求。

3） 根據施工經驗，基床預留沉降量，使沉箱在施工荷載過程中產生的變形趨向符合設計要求。

4） 基床整平過程嚴格按照規范要求進行，對塊石間不平整部分，用二片石整平。

5） 沉箱出運前，須對沉箱的實體質量（強度、混凝土抗氯離子滲透性等指標）進行檢測。沉箱安裝前，安排潛水員進行基床頂面檢查，確保基床沒有回淤，若回於沉積物不滿足規范要求需組織清理后才安裝。

6） 沉箱安裝前對測量控制系統進行校核，通過GPS 控制沉箱4 個角點，實時核對位置以及傾斜度。

5.2 安裝過程質量控制措施

1） 在船舶一側掛滿輪胎，防止沉箱靠向船舶過程中與船舶發生直接的碰撞。

2） 施工過程注意漲落潮及風浪對安裝施工的影響，加強對漲落潮及風浪的觀測，逐部積累其對施工的影響規律。

3） 注水過程要調整好沉箱的底板面與基床倒坡一致，防止沉箱著床時挫壞基床。

4） 就位后要仔細檢查安裝位置及安裝高程，若出現不平，即時進行調整或重新安裝。

5） 沉箱安裝完成后，在沉箱頂部的4 個角點位置設置沉降、位移觀測點，觀測沉箱內未進行填料前與回填后的變形情況，發現異常情況及時報告。在安裝后7 d 內每日測量1 次。

6） 在沉箱頂設置彩旗和夜間警示燈，提醒過往船只，以防止碰撞沉箱。

7） 沉箱安裝完成穩定后，經過2 次低潮復測合格后，拆除進水閥門，采用土工布包裹的混凝土塞封死進水孔。

8） 安裝好沉箱要盡快進行箱格內填料回填。

6 實施效果

6.1 安全管理提升

本工程面對外海無掩護條件下、長周期波等諸多不利因素，通過采取控制措施，15 座沉箱均一次性安裝到位，施工方案技術可行，安全可靠。

6.2 質量管理提升

本工程沉箱安裝設計允許偏差為15 cm[8]，通過“雙定位”控制，沉箱中心點位置最大偏差12 cm，其余偏差均≤10 cm，沉箱軸線位置最大偏差為11 cm，達到了沉箱精準安裝的預期效果，沉箱安裝偏差見圖8。

圖8 沉箱安裝偏差圖Fig.8 Deviation diagram of caisson installation

6.3 成本管理提升

沉箱安裝施工自2022 年3 月8 日—6 月15日，歷時99 d，與拖輪拖帶安裝工藝相比工期提前了整整30 d，減少了起重船、半潛駁等設備費用約300 萬元。

6.4 整體效果評價

本工程施工水域海況極差，業主對質量要求較高，難度較大，經過一系列的核算和總結，找到適合本工程的施工方法，最終達到成本最低、工期最短、安全系數最高、對環境影響最小的綜合效果，同時也為將來施工類似工程積累一定的相關經驗。該方法具有技術先進、安全可靠、質量可控、效率高、投入低的特點，在后續類似水工項目中均具有較高的推廣應用前景。

7 結語

沉箱安裝作為碼頭主體建設最重要工序之一，其施工質量關乎整個碼頭施工的安全，通過對沉箱安裝工藝的研究，有效地縮短了施工時間，節約了施工成本。為后續外海無掩護施工水域沉箱安裝提供了寶貴經驗，并可以進行推廣應用。