试论起重船辅助定位安装重力式大沉箱施工技术

试论起重船辅助定位安装重力式大沉箱施工技术

俞景

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摘要：本文结合莆田兴化港区涵江作业区1-3号泊位工程沉箱安装实例,简要介绍起重船辅助定位沉箱安装的施工技术与流程,并对影响沉箱安装质量和安全的环节进行分析，供相关专业技术人员参考

关键词：浮游稳定起重船辅助定位安装质量

一、工程概况

莆田兴化港区涵江作业区1-3号泊位工程计划新建2个3万吨级通用泊位和1个7万吨级散货泊位，基床顶标高-15.61m，沉箱共计45件，长宽高尺寸分别为17.55m*21m*18.61m,单件沉箱自重3022t。

二、码头沉箱安装工艺

沉箱出运安装施工工艺：沉箱预制完成并达到设计强度后采用千斤顶顶升配合超高压气囊出运上驳，半潜驳举力5000t由4000hp拖轮拖航水上运输至施工现场（共48海里），拖轮辅助安装船组抛锚定位，200t起重船辅助定位安装。

1、浮游等稳定验算

采用半潜驳浮吊沉箱安装时，沉箱应具备一定的漂浮稳定性。（1）用定倾中心高度(m)表示浮体稳定性，则近程浮运定倾高度≥0.2m时其稳定性就得到了满足;用固体进行压载时其要求≥0.4m。用液体压载则≥0.5m。其需要满足：m=ρ−a，其中ρ为定倾半径，α为沉箱重心到浮心间的距离。沉箱的定倾半径：ρ=I/V，其中I为沉箱对纵向中心轴的惯性矩，V为沉箱排水量。若沉箱定倾高度不满足要求时，可调整加水深度直至符合为止。(2)无压载的沉箱稳定计算应通过将沉箱的重量重心分布、沉箱表面的水压力等计算出来。(3)在验算沉箱吃水时，仓内残余水、砼残屑重量、施工操作平台和封舱盖的重量应准确计入。（4）根据公式F=H-T≥B/2tanθ+2h/3+S验算沉箱干舷高度，其中：H为沉箱高度；T为沉箱吃水，；B为沉箱宽度（m）；θ为沉箱的倾角，浮运时取60~80；h为波高（m），取0.5m；S为沉箱干舷的富裕高度（m）,取1.0m。（5）当沉箱吃水和干舷高度无法满足时，可考虑用起重船或浮筒助浮来代替压舱，减少沉箱吃水，增加干舷高度，或密封舱顶出运。

2、起重钢丝绳力学性能验算

本项目沉箱安装采用起重船辅助定位，起重船最大吊力为200t，为安全考虑，钢丝绳受力验算吊力按200t计算，单根钢丝绳最大受力F=200/8/sin60=28.9t（吊索与水平面最小夹角为60o）安全系数取K=3，故钢丝绳受拉力不小于86.7t。选择6×37Φ43麻芯钢丝绳，公称抗拉强度170kg/mm2，故破断力为118.5t>86.7t，满足要求。其中单根长度37.6m，共4根；卸扣规格50t，共8个。

起吊示意图

3、吊环受力验算

沉箱安装采用八点吊，在沉箱前后墙和侧壁各设置2个吊点，共计8个吊点(见下图）。单个吊点由双拼Φ36圆钢吊环组成。沉箱单重3022t，起重船起重能力200t。吊环采用HPB300，抗拉强度设计值270Mpa。验算时按6个吊点考虑，单个吊环截面面积计算公式：A=3F/2nfy，其中：F为起吊重量；fy为钢筋抗拉强度设计值（Mpa）；n为吊环个数。数据代入后，A=3×200*9.8*1000/(2*6*2*270)=907.4mm2。换算半径d=17mm，故Φ36圆钢吊环满足安装使用需求（吊环长度3m,外露净高度0.2m,弯曲内径0.15m，末端设180度弯钩，弯钩末端直线段长度0.1m，埋设深度1m）。

4、进、透水孔设置及电源配置

沉箱进水孔应布置在沉箱吃水线以下并避开分层施工处，透水孔应设在浮游稳定加水线以下并留有富裕。本工程在沉箱前后壁距沉箱底1.5m的位置各设置两个DN150进水孔，在沉箱隔墙设置DN200透水孔，布置原理为一个进水孔控制四个隔仓，形成四舱循环。沉箱抽水采用16台口径φ100的潜水泵，扬程为18m，额定功率5.5kw，每台潜水泵的额定抽水量为65m3/h，每端各4台。潜水泵运转所需的施工电源由起重船供应，沉箱顶部后壁两端设两个动配电箱，每个动力配电箱分别由50mm2电缆线接到起重船上；沉箱顶部后壁两端设4个开关箱，开关箱通过10mm2电缆与动力配电箱连接；潜水泵通过6mm2电缆与开关箱连接供电。动力电箱与开关箱均挂于施工平台栏杆上。

5、施工工艺

（1）沉箱上驳

沉箱陆上搬运采用传统气囊移运工艺，沉箱强度达到设计要求后通过12条直径1米（沉箱底部10条）超高压气囊移运至出运码头。半潜驳搭岸后，用半潜驳上锚机作为正向牵引系统将沉箱移运至半潜驳的中部，同时配合出运码头的地锚、卷扬机、滑轮组、钢丝绳、卸扣等形成的反向保护系统防止沉箱在正向牵引和惯性作用下前冲。沉箱落驳后底部采用方木加钢抱箍作为支垫，并利用与甲板焊接的1500*1500三角架对沉箱的前后址及侧墙底板位置进行顶靠对沉箱进行临时加固。半潜驳排水或趁潮涨起浮，离开出运码头支座，绞缆退锚后，用1艘4000HP拖轮拖带前进。由于本工程半潜驳采用不坐底的作业方式，需趁潮搭岸，作业的时间有限，因此在沉箱上驳前必须做好充分准备，精确控制各工序操作时间，同时密切注意潮位变化。

（2）半潜驳、起重船驻位

半潜驳经拖轮拖航抵达待安装区域附近进行驻位，驻位位置由沉箱安装时吃水深度及安装位置确定，经验算沉箱浮游稳定时吃水深度为10.41m，半潜驳型深为5.4m，枕木高度0.4m，安全富余高度为0.5m，故半潜驳下潜深度为16.71m，沉箱出驳均在潮位大于+4.0m时，下潜坑泥面标高应低于-12.71m。本工程停泊水域标高为-14.21m（1#~2#泊位）、-15.61m（3#泊位），停泊水域长度690m，宽度为65m，满足沉箱安装时半潜驳下潜要求。综合各施工因素，半潜驳顺东西向平行于码头前沿线驻位，船艉在西，船艏在东，起重船垂直半潜驳顺南北向驻位。

吊环平面布置图

半潜驳、起重船驻位图

（3）下潜准备及安全要求

沉箱下潜所需水深为16.71m（其中沉箱吃水10.41m，垫木高度0.4m，半潜驳型深5.4m，富裕水深0.5m。），经计算，沉箱下潜选择潮水高于4.0m时进行，以满足施工需求，可作业时间约为7h。船舶就位、沉箱施工平台吊装、沉箱系缆、安装潜水泵等下潜准备工作可在潮水涨潮至4.0m之前全部完成。之后半潜驳压载水舱开始均匀灌水并下潜。根据船机性能，半潜驳下潜至沉箱吃水10.41m需3h，加上沉箱挂钩等工作，总耗时约3.5h，即可完成沉箱浮吊离驳的全过程。

（4）半潜驳下潜，沉箱浮吊

各项工作准备完毕、且潮位及气候等外部条件达到安装要求时，半潜驳开始均匀灌水并下潜。下潜至一定深度后（沉箱吃水6m）即进行沉箱仓内加水以满足沉箱出驳时的浮游稳定性。过程中锚缆要及时调整拉力，并通过浮球测绳观测和调节各舱压载水量，使半潜驳始终处于平衡状态。半潜驳下潜至沉箱吃水8m时，起重船开始挂钩。挂钩完成后，半潜驳继续下潜，起重船逐渐增加吊力至100t。当沉箱前中仓加水高度1.0m，中后仓加水高度2.191m时停止加水，下潜过程中起重船吊力始终维持在100t。当下潜至沉箱吃水为10.41m时即沉箱自重及压载水重量与沉箱浮力及吊力相平衡，即可离驳，此时半潜驳应继续下潜直至沉箱全部吊出为止。

（5）沉箱坐底就位

沉箱定位好后，控制沉箱进水阀门，向沉箱仓内进行注水,并注意控制注水量使得沉箱坡度与基床坡度一致。沉箱注水下沉过程中，保持起重船吊力稳定在100t左右。当沉箱下沉至离基床面50cm左右时停止注水，校核沉箱平面位置、坡度是否正确。确认无误后，起重船大钩缓缓放下使沉箱着床。检查沉箱的平面位置偏差和倾斜度偏差，并由潜水员水下探摸相邻沉箱的缝宽情况。满足要求后，继续向沉箱内各仓灌水至箱顶标高。若安装质量不满足要求，则配合抽水起重船将沉箱重新吊起50cm高度，经微调满足要求后，再使沉箱着床。沉箱安装好后，在沉箱顶部四个角设置观测点，定期进行沉降、位移观测。同时在沉箱外角点设置防撞设施（如浮标及夜灯）以防船舶撞击。若沉箱安放质量不理想则应抽出沉箱仓内的水至沉箱浮游稳定水量，经计算，每端各配置4台抽水泵1.9个小时可完成抽水起浮作业，使沉箱重新起浮。

三、质量安全注意要点

沉箱安装质量安全控制是较为复杂和系统的工作，涉及预制、基床施工、移运安装本身等多个过程，如某个环节出现问题，将对沉箱造成直接影响。

1、沉箱在预制阶段应对外形尺寸（如侧向弯曲矢高及垂直度等）进行严格控制，避免预制环节累计偏差影响沉箱安装质量的现象，同时应定期做好沉箱预制区、堆存区以及出运码头等位置的沉降位移观测工作。

2、沉箱顶升后应检查沉箱底部有无附着物粘底，同时沉箱移运通道应注意清理干净，并确认沉箱底部是否存在尖锐物，搭岸过渡钢板应打磨平顺，避免造成移运过程气囊受损的现象。

3、沉箱上驳时中轴线应沿半潜驳甲板纵向中心线前行，需纠偏时可通过调整两侧牵引拉力配合气囊摆放位置进行微调，移运时可在沉箱前进方向作出标记应留意观察。

4、沉箱落驳过程的牵引速度应注意与半潜驳压载水排放速度相匹配，始终保持半潜驳处于搭岸状态，以确保半潜驳相对码头的稳定。

5、沉箱上驳宜在涨潮阶段全部完成，但务必保证在潮水退至半潜驳可浮水位前解除搭岸状态，因此上驳各项工作应准备充分（如卷扬机工作情况、卸扣是否变形、滑轮组活动情况、空压机运行情况、气阀是否漏气、钢丝绳磨损情况、气囊是否磨损漏气、半潜驳注排水系统运行情况等）并控制操作时间确保按计划实施。在沉箱浮吊离驳以及下潜或上浮过程中应控制好箱内各仓水量同时密切关注并控制起重船吊力在规定限值内。

6、严格控制基槽及墙后减压棱体区域落淤厚度，同时应避免基床区存在软硬悬殊现象，并应加强基床抛石、夯实、整平厚度以及箱内回填的质量控制，防止后期不均匀沉降影响安装质量。

7、沉箱拖运前应对出运码头、拖运航道以及下潜区等区域内水深进行复核，并确保待安放区域安全距离范围内的爆破作业（如爆夯、炸礁）以完成，同时检查基床整平面有无扰动或障碍物，船舶就位抛锚位置应慎重选择防止走锚和破坏基床，同时应避免半潜驳和起重船锚绳相互干扰，如确需压锚时，则起重船锚绳在上，半潜驳锚绳在下。

8、整平施工前应对整平刮刀挠度进行检查，防止造成基床中部低洼，并应加强基床纵向平整度控制，避免因基床纵向坡度的存在造成沉箱安放相邻缝宽过大现象。在整平验收时偏差集中区域应认真分析，尤其对前轨负偏差、后轨正偏差集中区域应重点比较，防止沉箱安装后倒坡无法满足设计要求。

9、沉箱安放一般选择乘落潮期段，注水下沉可采用预埋进水孔、潜水泵抽水注水或高架位虹吸管注水，但均应注意保证沉箱内外及相邻仓水压差平衡。坐底前应通过控制压仓水调整沉箱倾斜角度，确保与基床面一致。沉箱安放后或调整前应对基床结合部进行探摸，检查是否存在锉底造成基床标高异常现象，同时应确认安放后相邻沉箱上、下缝是否均匀，最大缝宽是否满足规范要求。

10、沉箱坐底位置检查无误后应及时进行箱内以回填提高沉箱稳定性，回填过程应严格控制相邻仓高度差，同时做好回填过程成品保护工作。

11、沉箱安装整体位置应分段控制校核，减小安装缝宽累积偏差，保证码头整体尺寸。

四、结语

通过起重船辅助定位的安装方法本工程已安放沉箱各项实测允许偏差项目控制均较为理想，且沉降位移数据正常。希望通过本文的介绍可以对同行业的沉箱安装施工有一定的启发意义。