超大型沉箱超高压气囊异步顶升、移运施工技术

段 军

（中国铁建港航局集团有限公司 广东珠海 519070）

1 引言

近些年，为了提高运输效率，降低运输成本，船舶日趋大型化，码头建设也由有掩护水域往“开敞、深水、超大型”方向发展。沉箱作为码头墙身构件的一种[1-2]，其尺寸、重量也随着码头吨位的增大而不断增大，沉箱重量由开始的几百吨发展为几千吨，甚至上万吨，目前国内最大的沉箱达到了2.6万吨，类似于此种特大型沉箱，大多直接在浮船坞上进行预制。

目前，国内已研发出了通过胶囊台车顶升、移运大型沉箱出运工艺[3-4]，把出运沉箱的重量提高至7 000 t乃至10 000 t，但该工艺需设置专用出运轨道，对预制场及半潜驳甲板的承载力等技术指标要求高；同时需设计制造台车系统、液压顶推系统、专用水囊及注水系统等专业设备，专业性强且成套设备制造及维护成本高，多用于专业化预制场。

气囊出运是沉箱出运的施工工艺之一[5-6]。传统沉箱气囊出运工艺[7-8]采用在沉箱底部穿顶升气囊，将沉箱一次性顶升到位进行临时支垫，再穿入滚动气囊，进行水平移动上驳[9-10]。但受制于沉箱气囊抗压能力和充气能力，出运的沉箱重量有限，目前气囊出运的最大沉箱重量为5 600 t。

当遇到现有沉箱预制场不满足千斤顶等顶升工艺，而建设工期及成本又不允许重新进行预制场改造情况下，如何成功在工期及成本都可控的前提条件下，利用现有预制场完成超大型沉箱顶升、出运施工，是摆在施工人员面前亟需解决的难题。

2 工程概况

2.1 工程简介

日照港岚山港区北作业区6＃大宗散货泊位工程为新建30万吨级专用码头泊位，项目位于山东省日照市岚山头东侧海域，工程距岸约1.5 km。

本工程呈西北→东南走向，工程西北侧顺接30万吨码头一期工程，东侧为已建防波堤，沉箱后沿线距防波堤上边线85 m，中间海域海底高程-9.0～-11.0 m，西侧为停泊水域及30万吨码头深水航道，宽750 m，原泥面标高为-19～-21 m（需挖泥至设计标高-25 m），海域地质状况满足建设30万吨码头需要。

设计沉箱尺寸为28.41 m×20.71 m×28 m，重量达6 600 t，高宽比为0.73，共29个。此沉箱能满足沉箱在现有万吨级半潜驳内自然漂浮状态，不需要起重船辅助吊浮出运，有效化解安全隐患，操作较为简单。在此情况下，沉箱出运安装有两种方案:

（1）在青岛董家口港区内专业预制场预制，大功率拖轮长途拖运至施工现场安装。

（2）对港内现有预制场进行改造，满足6 600 t沉箱预制、顶升移运及上驳工艺要求。

2.2 现有沉箱预制场情况

与本工程配套的沉箱预制场已建成多年，预制场按预制出运3 800 t沉箱设计。预制场共布置两条生产线，每条生产线底部设有4条气囊沟，气囊沟底部宽度为1.5 m，沟深25 cm，盖板厚度25 cm，可以容纳直径不超过1 m的气囊。原有预制场出运口按照4 500 t半潜驳设计和建造，出运口斜坡道长度60 m，高差1.75 m，坡度较大，为2.9%，沉箱出运危险性较大。

2.3 出运口坐底梁概况

出运码头以举力4 500 t的半潜驳为设计依据建造，设有坐底梁两条（钢筋混凝土梁），梁中心间距10 m，单条梁长48 m，梁顶设计标高+0.25 m。

3 方案比选

3.1 现有预制场条件下沉箱顶升、移运工艺比较

在现有预制场条件下，能满足出运6 600 t沉箱可采用的顶升出运工艺主要有以下3种，具体见表1。

表1 现有主要沉箱出运工艺比较

通过对以上3种顶升移运工艺对比，鉴于本工程沉箱数量较少，气囊顶升移运工艺更适合本工程。

3.2 采用附近专业预制场预制，长距离拖运安装工艺风险分析

周边最近的、具备预制6 600 t沉箱的专业预制场位于青岛市董家口港区，距离安装现场约40海里，长距离外海拖运沉箱主要存在以下风险:

（1）外海拖航需要约13 h，时间长，为确保拖航安全，需将沉箱24个仓格全部密封，增加操作过程，费工费料费时。

（2）长距离拖运，外海风大浪大，不确定因素多，安全风险比较大。

（3）工期不可控，外海拖运受天气影响大，要具备一定工况下方可进行拖运，不能保证工期。

3.3 采用专业预制场沉箱出运安装工艺比较

采用附近专业预制场预制与采用现有预制场预制工艺比较见表2。

表2 与专业预制场预制出运安装比较

通过以上对比，在港内现有预制场预制，短距离出运安装效益更明显。

4 工艺原理[11]

气囊顶升沉箱[12]，最大的限制因素是顶升气囊的最大压强，常规气囊只能达到0.75 MPa，且高压时间越久，气囊安全隐患越大，施工过程中应尽量避免顶升气囊在最大气强时工作，同时应尽量减少最大压强工作的维持时间。

气囊异步顶升过程，就是将传统的一次性顶升过程分解为3个过程。施工过程中，始终有沉箱的某一端着地（或坐在垫木上），以沉箱的该端点为支点，以各个气囊顶升力为动力，沉箱重力为阻力，当动力×动力臂＞阻力×阻力臂时，即可完成顶升。

第一个过程，动力臂大于阻力臂，需要的动力小于阻力，即可以减少需要的顶升气囊顶升力，有效降低顶升气囊的最大气压。当前趾离开地面一定距离，即插入一条辅助气囊1辅助顶升，从而有效降低顶升气囊Q1、Q2、Q3、Q4气压，如图1所示。

第二个过程，动力臂小于阻力臂，需要的动力大于阻力。开始阶段，所有顶升气囊压强均较大，随后当沉箱离开地面一定距离，穿入多条辅助气囊2、3、4、5等进行辅助顶升，使满足需要的顶升气囊Q4、Q3、Q2、Q1的顶升力大幅降低，施工更安全，如图2所示。

图1 第一个过程气囊顶升示意

图2 第二个过程气囊顶升示意

第三个过程，动力臂大于阻力臂，需要的动力小于阻力，继续利用辅助气囊辅助顶升气囊顶升，使顶升气囊压强保持在低水平并完成最终顶升，如图3所示。

图3 第三个过程气囊顶升示意

其中（如图4所示）:

图4 工作状态气囊示意

（1）每一个气囊顶升力＝气囊压强×气囊受力面积＝气囊压强×气囊受力长度×气囊受力宽度；

（2）动力臂＝气囊中心至支点的距离；

（3）气囊压强可直接从压力表读取；

（4）气囊受力长度＝沉箱长度-两个气囊囊头长度及气囊之间间距＝沉箱长度-（0.866 D+1）；

（5）气囊受力宽度L＝（气囊周长-以顶升高度为直径的圆的周长）/2＝π（D-H）/2。

本技术使用预留销孔法水平移运沉箱，即在沉箱底板四周事先预留销孔，钢销插入沉箱预留的销孔中，然后利用钢销的抗剪性能，由卷扬机牵引钢销带动沉箱水平移运；同时，钢销可重复利用。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程(见图5)

图5 施工工艺流程

5.2 操作要点

5.2.1 准备工作

（1）施工人员到位

项目部配备技术人员进行现场施工指导，同时配备现场施工人员:调度、卷扬机操作手、气囊操作工、空压机操作工、电工、清理气囊沟支垫垫木的普通工人、装载机司机、吊车司机等。

（2）气囊沟

沉箱预制前，吊开盖板、将气囊沟内的淤泥和碎石等杂物清除；移运前清除气囊沟内积水、清理施工场地，保证无尖锐物，无杂质，防止扎破气囊。

（3）气囊

根据气囊沟尺寸、数量及顶升沉箱尺寸、重量，选择适用的气囊长度、耐压参数、数量。见表3。

表3 气囊规格

（4）充气设备

气囊充气设备采用20 m3空压机及储气罐，空压机最大提供气压0.81 MPa，储气罐容量3 m3，主要作用是储存气体并给气囊提供稳定气压的气体。将空压机及储气罐用塔吊布置在沉箱附近，这样可以减少空压机至气囊因为长距离造成的气压损失。

进场压力试验:将多条试验用顶升气囊穿入沉箱底下的气囊沟，将空压机、储气罐及顶升气囊用充气管道连接，启动空压机进行压力试验。

（5）牵引系统检查

对牵引系统中的卷扬机、钢丝绳、滑轮组、导向轮、卡环等，应逐项检查运转是否正常、转动是否灵活、钢丝绳是否缠绕，并排除一切隐患。

5.2.2 沉箱异步顶升施工

（1）顶升气囊穿气囊沟

塔吊吊起顶升气囊一端，气囊另一端连接钢丝绳穿过沉箱底部气囊沟，与装载机连接。装载机拖运，将顶升气囊穿到沉箱底部气囊沟内（见图6）。

图6 顶升气囊 穿入气囊沟

（2）前墙顶起

充气设备给顶升气囊充气，靠近前趾气囊压强大于靠近后墙的气囊压强，使沉箱前趾离开地面10 cm，沉箱前趾下斜插入辅助超高压气囊1，辅助气囊两个端头外露（见图7）。对辅助气囊充气至一定压强时，前趾离开地面18 cm，在前墙下两个辅助气囊之间摆放一层垫木（见图8）。

图7 辅助气囊1 辅助顶升

图8 前墙下插入一层垫木

（3）后墙顶升

靠近前趾顶升气囊减压，使前墙坐在垫木上，靠近后墙顶升气囊加压，后墙不断顶高。至后墙离开地面10 cm，后墙下斜插入辅助超高压气囊2充气继续顶升；后墙离开地面20 cm，在气囊沟间穿入3组普通辅助气囊（囊头直径15 cm）并充气（见图9），后墙离开地面34 cm时，后墙穿入多组二层垫木，撤除辅助超高压气囊2，垫木位置应避开滚运气囊位置（见图10）。

图9 插入辅助 气囊顶升

图10 撤出辅助气囊，插入垫木

（4）前墙再次顶升

后面以墙端支垫的两层垫木作为沉箱支点，靠近后墙的气囊减压，靠近前墙顶升气囊加压，辅助气囊1、3、4、5分别加压，至前趾离开地面30 cm，撤出原来放入的并排垫木，放入多组二层垫木（见图11、图12）。

图11 前趾二次顶升

图12 前趾放入二层垫木

（5）异步顶升完成

完成临时支垫，辅助气囊和顶升气囊均逐渐放气，使沉箱慢慢坐到垫木上，盖板回位。观察垫木变形和地面沉降情况，当无明显异常后撤出所有气囊，沉箱顶升完成。

5.2.3 沉箱移运

（1）施工准备

①卷扬机及滑轮组的选定

使用2台20 t卷扬机拖行（见图13），钢丝绳直径为34.5 mm，滑轮组为8绳组，滑轮组与插销连接的钢丝绳直径65 mm，6×37+1型，连接时为3股连接（见图14）。

图13 卷扬机

图14 滑轮组

②插销选定

现场采用直径150 mm的HPB300圆钢做插销，共4根，其中长1.3 m的插销2根，1.6 m插销2根。

（2）滚运气囊顶升

沉箱顶升完成后，盖板全部回位后，可以穿插滚动气囊，滚运气囊穿插方式同顶升气囊。滚运气囊数量根据沉箱重量选择，滚动气囊穿插到位后，给所有的滚动气囊充气，使沉箱顶升至30 cm，抽出垫木，使沉箱坐在气囊上。

（3）气囊移运沉箱

沉箱滚运前，预先将前、后沿钢销插入牵引孔（见图15），套上牵引钢丝绳，由前面2台20 t卷扬机牵引，后面2台15 t卷扬机控制沉箱防止滑移（见图16）。在卷扬机牵引力的作用下移动，沉箱往前移动。移动过程中，沉箱前沿较后沿高10～20 cm，防止沉箱失控。依靠沉箱前移时气囊与沉箱间的摩擦力，沉箱移动带动气囊滚动。前进方向准备多组接应气囊，同时对最后一组气囊卸压，用塔吊或汽车吊将气囊倒运至沉箱前方，继续做接应气囊。

图15 沉箱底部预留销孔

图16 使用预埋销孔牵引 连接装置移运沉箱

（4）沉箱存放

图17 沉箱存放

本工程因特殊原因不能立即安装时，需要将沉箱存放在出运通道上。施工前对出运通道的地基承载力进行检测，对承载力较低的地方需进行处理，场地满足要求后方可用于沉箱存放。沉箱气囊移动至预定位置后，插入垫木，撤出滚运气囊，沉箱移运完成，如图17所示。

6 施工注意事项

（1）沉箱混凝土强度达到设计强度后再顶升、出运。

（2）垫木应选用硬杂木制作，进场时应严格检查，防止不合格木料进场。当用垫木进行支垫沉箱时，垫木的中心线应与沉箱外墙中心线一致，防止底板被压坏。

（3）辅助气囊充气过程应逐步加压，避免损坏沉箱周围混凝土。

（4）沉箱移动过程要慢，防止因突然启动或拉力过猛，导致销孔周围的混凝土被拉裂。

（5）沉箱铺底前应检查气囊沟，将气囊沟内的尖锐物清理干净；检查气囊沟盖板，破损盖板应进行更换，必须保证盖板完整。

（6）移运前，加固模板底脚的钢筋头等尖锐物必须清理干净，保证钢筋头凹于地面，并用砂浆抹平，对地面进行清扫，保证出运通道没有尖锐石子或坚硬物。

（7）在每次沉箱移运前、后均应对出运所用的地锚圆钢、卡环、钢丝绳、气囊、卷扬机等进行全面检查，确保所有材料均按照设计要求的规格参数进行选用，并保证处于良好的工作状态，不符合要求的要进行加固或更换。

（8）沉箱移运时人员不得离钢丝绳太近，所有人员严禁正对气囊囊头。沉箱移运过程中，钢丝网正对气囊头放置，随沉箱的移动而移动，钢丝网时刻距离气囊头1 m。作业人员不得违章在气囊头附近走动，防止受伤。

7 结束语

本技术采用的沉箱异步顶升工艺，将气囊出运沉箱最大重量记录由5 600 t提高到6 600 t，不仅大大提高了气囊出运工艺的出运能力和适用范围，同时降低了沉箱顶升移运施工的安全风险，保证了施工总体进度；利用钢销牵引沉箱，水平移运过程操作简单，安全系数高，节约成本；改进了沉箱水平移动牵引连接的方式，节省了施工用钢，进一步节约了资源；不需要台车、千斤顶等大型的机械设备，又避免了沉箱长途拖运，减少了燃油污染，具有较好的环保效益；另外本技术能适应大多数预制场，减少了预制场改造费，可供设计单位和施工单位参考选用，为建设单位决策提供实用、可靠的依据。

本成果能为临时、战备码头以及其他深水重力式码头配套预制场建设、改造提供参考，不仅可应用于沉箱重力式码头施工，也可推广应用到其他大型钢筋混凝土构件、大型钢结构、大型船舶等的顶升与移运，有助于推动交通运输、建筑、船舶装备制造行业发展，具有较广阔的应用推广前景。