港珠澳大桥大型有底钢套箱整体抬吊安装技术研究

郭清

摘 要：目前，大型有底钢套箱越来越多地应用于海洋、江河、湖泊等涉水大型桥梁工程。钢套箱为桥梁基础及下部构造水上施工作业中常用的一类围护结构形式，常用的钢套箱分为单壁和双壁两种形式，一般大型深水基础大多采用双壁钢套箱形式。钢套箱的安装方法通常可分为分块拼装和整体吊装两种。

港珠澳大桥青州航道桥主墩承台钢套箱设计为有底双壁钢套箱，钢套箱平面尺寸90.39×43.14m，重量约1700t。钢套箱在工厂内分块制作并拼装为整体，滚装上船后浮运至现场整体吊装。根据施工条件、浮吊资源，考虑到套箱结构尺寸大、重量大，且外海海域工况复杂，施工方案最终采用两艘浮吊抬吊安装工艺，而双机抬吊作业对船舶抛锚定位、起吊下放及移动的协调性要求较高，通过对抬吊安装工艺进行研究和总结，可为今后类似工程提供一定的借鉴经验。

关键词： 大型;有底钢套箱;整体吊装;施工

1.钢套箱概况

港珠澳大桥青州航道桥主墩承台防撞套箱采用双壁有底钢套箱，套箱总长约226.5m（内围壁），平面长度90.99m、宽度43.14m，高度8.5m，承台套箱箱体宽度为3.3m，系梁套箱箱体宽度为3.1m。防撞套箱分为26个分段，单个节段长度4～11m。节段间采用不锈钢螺栓连接;分段重量约25～36吨，总重约1700吨，结构如下图。

2.气象水文条件

（1）气象

桥址区属南亚热带海洋性季风气候区，天气特点为温暖潮湿、气温年较差不大，年平均气温22.7℃。降水量多且强度大。年盛行风向以东南偏东和东风为主，桥区处于热带气旋路径上，登陆和影响桥位的热带气旋十分频繁，平均每年2个左右，最多时每年可达6个，主要集中在6～10月。

（2）水文

工程沿线水下地形十分平坦，水深为5～6m，设计最高水位为3.52m，最低潮位-1.24m，平均潮位1.05m。本海域水流具有落潮流速大于涨潮流速，中部海域潮流流速比两边大的特点。涨潮流向基本为N向，落潮流向基本为S向。100年重现期设计流速极大值为2.02m/s。

3.设备配置及吊装验算

3.1吊装设备选择

根据钢套箱结构尺寸、自重及吊高要求，并结合现有设备情况，本着经济适用的原则，拟采用中交一航局ZPMC4000t及江苏蛟龙打捞航务工程有限公司的秦航工65（1000t）浮吊抬吊，浮吊性能参数如下：

3.2吊装参数验算

1、吊高核算

钢套箱吊装时两浮吊平行定位，扒杆吊装倾角秦航工65为60°，ZPMC4000t为65°，吊装时水位取+0.0m，钻孔平台顶标高为+6.5m，钢套箱高度8.5m，钩头到钢套箱顶面40m（钢丝绳长度为80 m）。要求吊高为：6.5+8.5+40=55m，按所选浮吊净空高度最小的秦航工65计算，扒杆在60°仰角时净空高度为70m（含水面至甲板的距离），所以富余高度还有70-55=15m，满足吊装要求。

2、吊重核算

吊装设备的选择应考虑钢套箱自重及吊高要求。由于钢套箱重量达到1700t，考虑1.2倍动载系数，1.2×1700=1955t。4000t+1000t浮吊抬吊，两浮吊相加只能算2000吨（抬吊算均分）满足吊重要求，按各浮吊性能参数为：1000吨-977.5吨=22.5吨，还有22.5吨的富余，满足吊装要求。

3、吊装作业半径核算

根据计算得到作业半径为：钢套箱中心点距最外侧钢管桩25m，秦航工65扒杆仰角60°时净空作业半径为30.58m，因此还有30.58-25=5.58m富余，满足吊装作业要求。

3.3吊点布置

根据浮吊主钩分布情况，合理布置吊点。主墩钢套箱共布置16个吊点，如图7所示：

3.4吊索具选用

（1）卸扣

经计算，吊点受力最大值为115t，采用150t卸扣16个可满足要求。

（2）钢丝绳

钢丝绳选用直径120mm长80m8根，由吊点布置可得钢丝绳夹角为32°，最重件为1750吨（以秦航工65为例，算吊重900吨）

P=G/nCOSα

P=900/8*COS32°=95.4（吨）

P ─ 钢丝绳所受的力

G ─ 最重吊物重量

α─ 钢丝绳与吊物垂线间夹角

[S许]=S破κ/K

=770吨*0.82/6

=105吨

[S许] ─ 钢丝绳许用应力

S破 ─ 钢丝破断拉力总和          S破=770（吨）

κ─ 钢丝绳捻制折减系数 κ=0.82

K ─ 安全系数                    K=6

105>95.4

[S许]>P

钢丝绳满足吊装要求。

由于钢绳具可以自调节平衡，在起吊过程中，两艘起重船均有拉力计控制平衡，偏载可控制在100T范围以内，两浮吊拉力计偏差若为100T，最不利情况为1000T浮吊承受荷载950T，此时钢绳受力发生变化，钢绳受力P=95.4*950/900=100.7T，鋼绳破断力=770*0.82=631.4T，此时钢绳安全系数为6.3，仍可满足要求。

注意：在起吊过程中安排测量人员观察套箱两端的高度差，尽量保持套箱水平状态，避免偏载过大。

4.浮吊布置及抛锚

两艘浮吊尾部各抛2只将军锚，艏部各抛2只锚，锚缆长：1号锚250m，2号锚200m，3号锚200m，4号锚250m，5号锚250m，6号锚200m，7号锚200m，8号锚250m，锚绳布置如图8所示。

注意：可在主墩钻孔平台钢管桩上各带两根牵引缆绳，降低水流力对船体的影响。

钢套箱吊装过程中所受的外力大小，计算公式根据港口工程荷载规范（JTJ215—98）计算浮吊的水阻力。

浮吊阻力按下式计算：

FW=CWV2Aρ/2

CW=0.046Re-0.134+b

Re=VL/ν

其中：FW——水流力标准值（KN）;

CW——水流力纵向分力系数;

V——水流设计流速（m/s）;

ρ——水的密度（t/m3）;

A——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2）。

Re——水流对船舶作用的雷诺数;

L——船舶吃水线长度（m）;

ν——水的运动粘性系数（m/s）;取ν=1.00

b——系数;取b=0.031

风压就是垂直于气流方向的平面所受到风的压力。根据伯努利方程得出的风-压关系，风的动压为

其中P为风压[kN/㎡]，ρ为空气密度[kg/m?]，为风速[m/s]。

此式为标准风压公式。

标准状态下（气压1013 hPa， 温度15°C）， 空气重度 r=0.01225 kN/m?，重力加速度g=9.8m/s?：

7级风风速为（13.9～17.1 ）m/s，考虑工程安全，取风速为17.1 m/s。

P=17.12/1600=0.183kN/㎡

水流流速m/s 水流力（kN） 风压力（kN） 合力（kN）

1.5 41.6 51.2 92.8

111.2 77.0 188.2

说明：1.水流流速取1.5m/s;

2.风压力按7级风（13.9～17.1m/s）核算，取风速为17.1m/s;

3.浮吊操作室、扒杆等挡风结构取挡风面积为100m2。

说明：1.水流流速取1.5m/s;

2.风压力按7级风（13.9～17.1m/s）核算，取风速为17.1m/s;

3.浮吊操作室、扒杆等挡风结构取挡风面积为100㎡。

根据上表计算结果，浮吊纵桥向吊装时的临时锚碇系统最小锚着力为188.2kN。

经计算，浮吊定位顺桥向总阻力R=188.2KN（风荷载+流水压力）。

浮吊定位横流向总阻力R= 188.2KN

①铁锚数量：3个10t、2个8t边锚（上下游各两个），边锚与水流方向成20°夹角。

②海底覆盖层为砂质土，铁锚承载力：

P1=4×7=280KN

竖向承载力： R= 2×P1×cos20°=2×280×0.9397=526.2KN>R= 188.2KN

③锚缆钢丝绳，选用6×37-42.0-1700的钢丝绳，钢丝绳破断拉力1185.0kN。

钢丝绳安全系数：K=α·R/188.2

K=0.85×1185.0/188.2=5.35，3≤K≤6，满足要求

④缆绳长度，钢丝绳长度Lm=sqrt（h2+2hF/γ）

其中：h——锚马口至河床面面的高差，取h=18.0m

F——锚的水平拉力，取F=94.1kN

γ——钢丝绳在水中重力，取空气中的70%，0.14743×0.7=0.103kN/m

Lm=sqrt（18.02+2×18×94.1/0.103）=182m

取Lm=200m。

通过上述计算同理可得钢护筒能承受拉力达到8吨即可。

5.吊装

5.1准备工作

进场前检查各工器具（钢丝绳、卸扣、吊钩、制动、限位等）以及钢套箱完好情况，检查需吊装构件吊点以及外貌有无受损情况，并做好详细的检查记录，同时，测量作业水域水深以及流速情况。

5.2吊装施工

1、吊装时机选择

钢套箱吊装选择在流速较小平潮时的进行，风力达到6级以上停止施工。

2、吊点连接

由于钢套箱的吊索非常重，靠人力很难完成吊点的连接，所以必须通过左右移动浮吊来实现吊点的连接，同时要准备若干2t手拉葫芦，用以辅助吊点连接。

3、试吊

所有吊点均连接完毕，并检查无任何问题后，浮吊开始起钩，使吊索被张紧，此时，起重指挥人员再次检查吊点的连接情况及吊钩是否与吊箱的中心是否重合，如果不满足要求，可通过绞锚使浮吊吊钩位于吊箱的正上方，同时，各船专职人员检查锚缆情况，均无任何问题后，解除吊箱的一切约束，进行试吊。

1）试吊高度：200～300mm;

2）每次试吊时间15分钟;

3）试吊时重点检查内容：

a、吊点的受力情况：

b、各根吊索具的受力情况;

c、卷扬机的运转情况，声音、电流大小;

d、岗位制的执行情况;

e、整改及试吊次数：不限次数，以整改完成为准。

4、起吊

试吊检查合格后，正式起吊。起吊应分级进行，根据钢套箱的重量，每100t为1个级别，实际吊装施工时，通过浮吊上自带的拉力计进行控制，每增加一个级别，相关人员检查各自负责的任务（锚缆、吊索、卡环等），无任何问题后施加下一级。

5、移船

当钢套箱被吊起超过平台50cm高后，两艘浮吊通过绞锚松锚操作同时前进，移动时应缓慢进行，幅度不宜过大。移位时统一口径，统一指挥松放艉锚缆，同时收缩艏锚缆，操作时实行点动禁止连动，移动时保证各锚缆同时上劲和缓放。使浮吊平稳的移至钢套箱需摆放位置;前后调整锚缆使处于悬挂状态的钢套箱对准拟摆放点正上方50cm。

6、下放

当钢套箱的纵、横轴线与平台的纵、横轴线基本重合时，两艘浮吊同时落钩，直至钢套箱四角孔缓慢进入导向钢护筒，并且经过微调，使钢套箱完全套进所有钢护筒内。继续下放，直至钢套箱入水。

7、悬挂梁吊杆施工

钢套箱下放至设计标高后，采用钢板、钢楔块将每一个悬挂梁与钢护筒之间的空隙楔紧，确保各个悬挂梁受力均匀。然后采用型钢将悬挂梁与钢护筒外壁焊接固定，同时，也采用型钢将钢套底板桁架与内部钢护筒焊接固定，以保证钢套箱在外围海水涨落潮时的稳定。同时，快速完成钢套箱底板吊杆的焊接，确保套箱安全。

6.注意事项

1）钢套箱吊点的强度必须达到钢套箱自重的6倍以上。

2）根据现场勘察情况，作业区的两侧需有足够的系缆桩，如没有必须埋设地锚并能承受10吨以上的拉力便于浮吊的移位。

3）场地如没有系缆桩必須在两边对等位置埋设两只地锚以便浮吊进行移位。

4）钢套箱起吊时，钢套箱的四个角需用足够长的绳子栓好以免左右晃动。

5）钢套箱吊装到位时，初定位由浮吊完成控制在10cm以内的误差，精确定位时，需利用手拉葫芦和导向装置以及四周绳子来定位。

7.小结

港珠澳大桥青州航道桥主墩钢套箱结构尺寸大、重量大，吊装作业点处于外海，受风力、潮汐、水流、浪涌等影响较大，吊装工况复杂。采取两艘大型浮吊抬吊安装对浮吊的抛锚定位、临时固定、浮吊起钩、绞锚移动等操作提出了较高的要求。双浮吊抬吊安装的成功，填补了外海大型钢构件吊装施工的空白，为今后类似工程提供了借鉴经验。