大型沉箱溜放出运施工工艺及体会

［摘要］文章介绍将1132吨重的沉箱，采用气囊顶升、滚动，利用卷扬机作为前后牵引，通过横、纵移到达下水平台，再沿着下水滑道，通过预先布置的水下气囊下水，直至沉箱完全自浮的施工工艺，概括施工中需要注意的一些事项，以及现场施工中的一些个人体会。

［关键词］港区码头；沉箱；施工工艺

一、工程概况

某港区作业区南10#、11#泊位项目（以下称本工程），工程规模为建设375m长码头及相应的后方设施，建两个5000t级码头工程，其中新建5000dwt通用泊位1个，5000dwt重件泊位1个（兼顾滚装靠泊）。码头为重力大型沉箱结构，沉箱外形尺寸为：长17.02m、宽10m、高11.5m，前趾宽1m，重量约1132t。

原计划的沉箱出运方案为5000t半潜驳出运， 由于工作期东北风起，外海风浪大，加上半潜驳业务繁忙，半潜驳北调本工程困难重重，无法满足节点工期要求。为确保本工程节点工期能如期完成，计划采用气囊顶升、滚动，利用卷扬机作为前后牵引，通过横、纵移到达下水平台，再沿着下水滑道，通过预先布置的水下气囊下水，直至沉箱完全自浮的工艺施工。

二、出运平面布置

（一）下水平台布置

下水平台位于预制场靠近力通码头一侧，面积20m×15m，为了与下水滑道更好地顺连，平台沿海向以2%坡度设置，靠陆端标高＋4.0m，靠海端标高＋3.6m，整体与沉箱预制场（标高4.5m）以一段1∶10斜坡过渡段相连，过渡段采用20cm厚砼硬化，沉箱横移时，不采用通长气囊，而是在两端布置两排不同高度的较短气囊，滚动时可分别调节气囊高度，以保持沉箱整体平衡。下水平台基础回填海砂冲水密实，经强夯处理后，基础分别铺设100cm块石、30cm碎石，平层浇筑20cm厚c30砼。

（二）下水滑道布置

采用多级过渡方案，第一段坡度1∶40，总长12m；第二段坡度1∶20，总长12m；第三段坡度1∶10，至底标高-4.0m，滑道宽20m。滑道+1.0m以上的部位采用20cm厚混凝土硬化处理，标高+1.0m以下部位铺设10mm厚钢板。

（三）地锚及卷扬机布置

横移前地锚布置于下水平台外靠力通码头一侧，后地锚布置于沉箱预制平台9个预制沉箱中间两侧；纵移前地锚布置于下水平台前下水滑道两侧附近，后拉地锚布置于下水平台后约50m处，两地锚相距12m，以下水滑道中心线对称埋设。卷扬机相应布置于地锚附近合适位置。

（四）道路

现状道路为本标段施工区域，为力通码头交通需要，修筑施工便道连通重件道路，便道宽8m，基础回填海砂，面层回填50cm山皮土。

三、溜放出运施工工艺及安全验算

（一）溜放出运工艺流程

1.横移沉箱工艺流程：气囊就位气囊充气顶升卷扬机抽出支垫枕木牵引沉箱前进、进入下水平台沉箱支垫方木气囊放气减压沉箱横移结束。

2.纵移下水工艺流程：二次顶升气囊就位气囊充气顶升连接前后牵引主钢丝绳、卷扬机抽出支垫枕木前牵引沉箱前进进入下水滑道后牵引钢丝绳张紧后拆除前牵引钢丝绳后牵引缓慢溜放沉箱沿滑道下滑到达设计低潮水位0.0m暂停设计高潮水位3.0m继续溜放沉箱自浮沉箱出运结束。

（二）高压气囊的主要技术参数

本工程拟采用直径d=1.0m、长lo=15m的高压气囊进行沉箱顶升及横移；直径d=1.0m、长lo=11m的高压气囊进行沉箱顶升及纵移。气囊规格形状及气囊结构、气囊工作参数详见图1及表1。

（三）气囊顶升及安全验算

1.顶升步骤

（1）拆除沉箱底胎模围挡20cm×25cm方木，利用高压水枪冲出底胎模砂垫层；

（2）利用预制场四角的卷扬机和横移地锚，用滑轮组和钢丝绳与沉箱相对应的四角拉点相连接并使其受力；

（3）沉箱底部布设小气囊充气顶升，高度达到30cm（预制时的支垫木高度为25cm）；

（4）拆除沉箱底部支垫木，利用高压水枪冲出底胎模砂垫层残余；

（5）沿沉箱周边底部分垫调整枕木，小气囊放气使沉箱平稳降落枕木上。

（6）沉箱底部纵穿布设长气囊充气顶升，准备横移。

2.气囊选用计算：详见表2，表3。

3.安全验算

（1）横移顶升

顶升高度为30cm

每条气囊承载长度lo=15m

每条气囊承载宽度b=(3.14-0.3×3.14)÷2=1.099m

气囊总承载面积=75×1.099=82.4m2

所需工作压强=1132÷82.4=13.73×9.8÷1000=0.134mpa

设计实际工作压力为：0.14mpa

（2）纵移顶升

顶升高度为30cm

每条气囊承载长度lo=11m

每条气囊承载宽度b=(3.14-0.3×3.14)÷2=1.099m

气囊总承载面积=88×1.099=96.7m2

所需工作压强=1132÷96.7=11.71×9.8÷1000=0.115mpa

设计实际工作压力为：0.12mpa

通过以上计算，气囊的实际工作压强是额定工作压强的40%～50%，所以顶升过程是安全可靠的。

（四）移运步骤及安全测算

1.移运步骤

（1）横移步骤

1）利用沉箱预制场四角的卷扬机和地锚，用滑轮组和钢丝绳与沉箱前趾及横侧向相对应拉点相连接并使其受力；

2）将沉箱下面气囊充气，当沉箱被顶升完全脱离支垫枕木时，拆除四周枕木；

3）用对讲机指挥四台卷扬机同步启动，沿着横向17.2m方向移动，移动过程中，将预备气囊和沉箱尾部滚动出来的气囊不断倒接；

4）当沉箱到达下水平台后，同步停止牵引系统；

5）沿沉箱周边分点摆放好支垫枕木，然后放气使沉箱平稳降落枕木上。

（2）纵移步骤

1）利用沉箱下水平台前后四角的卷扬机和地锚，用滑轮组和钢丝绳与沉箱纵侧向相对应四个拉点相连接并使其受力；

2）将沉箱下面气囊充气，当沉箱被顶升完全脱离支垫枕木时，拆除四周枕木；

3）用对讲机指挥四台卷扬机同步启动，沉箱沿着纵向11m方向移动进入下水滑道，移动过程中，将预备气囊和沉箱尾部滚动出来的气囊不断倒接；

4）当沉箱完全进入下水滑道，同步停止前后牵引系统，解除前牵引系统后继续溜放；

5）当沉箱溜放到达设计低潮水位±0.0m标高后，同步停止后牵引系统，等待高潮水位+3.0m后，通过潜水员预置水下气囊继续溜放，直至沉箱完全自浮；

6）当沉箱完全自浮后，同步停止后牵引系统，潜水员解除两侧后牵引钢丝绳，利用150t拔杆船吊将沉箱拖向安装现场就位安装。

2.安全验算

（1）横移

横移沉箱气囊选用计算详见表4。

移运高度：50cm

每条气囊承载长度：15m

每条气囊承载宽度=(1-0.5)×3.14÷2=0.785m

气囊总承载面积=75×0.785=58.875m2

所需工作压强=1132÷58.875=19.22×9.8÷1000=0.188mpa

设计实际工作压强为：0.2mpa

通过以上计算，气囊的实际工作压强是额定压强的62.7%，设计工作压强为0.20mpa是额定压强66.7%，移动过程是安全的。

（2）纵移

纵移沉箱气囊选用计算：详见表5。

移运高度：50cm

每条气囊承载长度：11m

每条气囊承载宽度=(3.14-0.5×3.14)÷2=0.785m

气囊总承载面积=88×0.785=69.08m2

所需工作压强=1132÷69.08=16.39×9.8÷1000=0.16mpa

设计工作压强为0.18mpa

通过以上计算，气囊的实际压强0.16mpa是额定压强的53.3%，设计工作压强为0.18mpa是额定压强60%，移动过程是安全的。

（五）水平移运前后牵引系统及安全验算

沉箱在下水平台及预制场水平移运的前牵引：

f1=?滋g=5%×1132=56.6t

考虑到滑轮组的机械效率0.85和3倍保险系数，则牵引力：

f2=56.6÷0.85＝66.6t

f3=3×66.6＝199.8t

2个横移前牵主地锚各按牵引力60t设计，牵引系统采用2台jm-10型卷扬机及其配套滑轮组（n=4），牵引力为2×4×10÷0.85=94.1t，能满足气囊起步的牵引f=n×f=1132t×5%=56.6t的要求。其中摩檫系数f=3%～5%，与气囊的工作气压与地面的硬化参数有关，根据以往出运经验考虑取值为5%。牵引系统安全系数=94.1/56.6=1.66。

沉箱在1∶22～1∶40预制场至下水平台斜坡道移运，为沉箱溜放下水通过下水滑道积累施工经验考虑，2个横移后牵主地锚各按牵引力60t设计，后牵引地锚安全系数=120/27=4.44。牵引系统采用2台jm-10型卷扬机及其配套滑轮组（n=4），后牵引力f4=2×4×10÷0.85=94.1t，按1∶18斜坡道后牵引复核计算：f1=gsinθ-?滋gcosθ=27t，后牵引系统安全系数=94.1/27=3.49。

施工中牵引速度宜控制在2m/min内。

水平移运前后牵引系统机具选择详见表6水平移运前后牵引系统机具表。

（六）溜放下水后牵引系统设计与计算

沉箱在1∶10下水滑道上后牵引：f1=gsinθ-?滋gcosθ=79t

考虑到滑轮组的机械效率0.85和3倍以上保险系数，则牵引力：

f2=79÷0.85＝93t

f3=3×93＝279t

2个后牵主地锚各按后牵引力120t设计，后牵引地锚安全系数=240/79=3.04。后牵引系统采用2台jm-20型卷扬机及其配套滑轮组（n=6），牵引力f4=2×6×20÷0.85=282t，后牵引系统安全系数=282/79=3.56。

施工中牵引速度宜控制在2m/min内。

溜放下水后牵引系统机具选择详见表7后牵引系统机具表。

（七）供气系统

气囊采用2台排气量为6m3/min的空压机，多管道空气分配阀，两边各2根高压管同时充气。

（八）出运下水平衡及防倾覆助浮计算

1.水中平衡助浮计算

前趾重量：（0.5+0.8）/2×17.02×2.5＝27.66t

前趾排水量：（0.5+0.8）/2×17.02×1＝11.06t

助浮气囊计算：l≥（27.66-11.06）×4/3.14=21.14m

采用l=11m气囊2条平衡助浮。

气囊采用钢丝绳绑扎固定于沉箱前趾上方沉箱中心以下位置，下水时，沉箱前趾侧空仓略注水调节平衡。

2.出运防倾覆助浮

为防止沉箱水中倾覆，沉箱两侧各加设1条l=15m气囊助浮，当沉箱纵移出运下滑至设计低潮水位位置时，暂停出运，等待设计高潮水位3.0m继续。

（九）沉箱浮游稳定计算

经计算，沉箱前舱灌水2.2m，后舱灌水3.71m时，处于浮游稳定状态，这时沉箱吃水8.07m（空箱吃水6.27m），重心4.65m，浮心3.11m，定倾半径0.85m，定倾高度0.21m（＞0.2m，近海浮运，定倾高度取m≥0.2m）。

四、施工注意事项

1.沉箱移运时，气囊所通过的通道地面要求清除所有障碍物和尖锐物。

2.沉箱在移动中有走偏的可能，应通过调整气囊的摆放角度，或两侧卷扬机的先后启动顺序和速度来纠正偏差。

3.移运时风力不能大于5级以上，须视野开阔良好。

五、结语

通过以上对沉箱移运溜放下水作业设计以及安全验算，说明沉箱采用气囊溜放下水是完全可行的，并且十分安全可靠。项目部与出运队伍紧密合作，圆满完成本工程全部沉箱溜放下水出运作业施工任务，丰富了类似工程的出运经验。