异型沉箱钢封门封仓安装技术的应用

吕权武，向幸华

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

在香港海事工程中，消浪型沉箱应用较为广泛，香港某综合废物管理设施工程码头区B 型沉箱采用消浪式的异型沉箱结构，在构造方面，沉箱前壁设置开口，前仓为消浪室，其原理是波浪的透射波在消浪室内消能后部分反射，反射波与入射波之间的相位差导致波浪反射率的降低，从而减少沉箱前涌浪，利于船只的靠泊安全［1］。

为保证施工安全和效率，本工程选用了钢封门对拉封堵的工艺，沉箱出运前，需采用钢封门封堵消浪孔，沉箱安装后进行拆除。采用钢封门对沉箱进行封仓，使其符合施工过程中的吃水和浮游稳定要求，既满足了施工技术及结构安全要求，又可使用较为成熟的沉箱自浮式工艺进行安装，避免使用起重船助浮，节省了项目成本。

1 工程概况

某项目位于香港西南海域，主要为重力式码头及海堤结构，包含沉箱及方块2 种结构形式，共74 件沉箱和296件方块。其中码头区共23件沉箱，包含16件B 型沉箱，B 型沉箱外形尺寸为23.25 m（长）×24.45 m（宽）×10 m（高），为高低墙带柱体非对称异型结构，前壁存在开口，需进行钢封板封仓处理，沉箱三维图如图1所示，沉箱结构如图2所示。

2 沉箱浮游稳定分析

施工现场水文及波浪条件如下：最大高潮潮位（HHWL）为+2.5 mPD；平均高高潮位（MHHW）为+2.0 mPD；平均低低潮位（MLLW）为+0.4 mPD；现场波浪波高0.2～1.5 m。

通过计算，沉箱浮游稳定参数如表1所示。

B 型沉箱基床顶标高为-7.0 mPD，前沿低墙顶标高为-1.0 mPD，平均高潮潮位为+2.0 mPD，沉箱出运通过液体压载使其满足自身平衡，定倾高度7.34 m，满足文献［2］要求，属于比较平稳的沉箱。沉箱从加水下沉到安装完成，最大吃水深度为9.0 m，当沉箱吃水深度达到6.0 m 时，如无封堵措施，海水将通过前壁立柱间开口涌入沉箱仓内，沉箱会因前后仓格注水速度急剧变化而失去平衡。因此，该类沉箱安装过程中必须采用钢封门封仓处理，从而实现仓格在水泵的注水调节过程中保持平衡，最终平稳安放在基床上方。

图1 B型沉箱三维图Fig.1 The 3D Model of Type B Caisson

图2 B型沉箱结构Fig.2 The General Arrangement of Type B Caisson

3 钢封门设计

B型沉箱前壁立柱之间存在5个开口，需要对5个开口位置进行钢封门封仓处理。钢封门采用Q235材质钢材进行加工，面板采用6 mm厚钢板，竖肋采用10#槽钢，横肋采用20#双拼槽钢。钢封门和沉箱墙体、立柱接触位置设置橡胶止水条，钢封门加固的同时，橡胶止水条受到挤压产生变形填充沉箱立柱（墙体）与钢封门之间的缝隙，从而实现钢封门与沉箱之间的密封。

3.1 钢封门安装加固方案设计

B型沉箱前壁开口位置需要进行三边密封加固处理，根据B型沉箱自身结构的特点，提出了2种钢封门加固方案，即预埋螺栓加固方案和螺栓对拉加固方案。

3.1.1 预埋螺栓加固方案

方案1 采用预埋螺栓进行钢封门加固。沉箱预制过程中将预埋螺栓及圆台螺母根据钢封门的设计尺寸进行预埋安装，沉箱预制完成后，钢封门通过沉箱立柱和两侧墙体上的预埋螺栓和圆台螺母外接螺栓进行加固，每块钢封门都为独立加固体系。具体加固方式如图3所示。

图3 钢封门预埋螺栓加固方案Fig.3 Installation Method of Steel Gate with Embedded Bolts （mm）

表1 B型沉箱浮游稳定参数Tab.1 Floating Stability Parameter of Type B Caisson

3.1.2 螺栓对拉加固方案

顶层由Sphere包围盒作为外部处理，内部加以OBB包围盒结合设计。这种设计方法主要是考虑到Sphere包围盒的构造简单性以及检测易操作两方面，如果外围的Sphere包围盒已经发生相交或者碰撞情况，则需进一步地检测，内部的OBB包围盒开始运作；如果外部Sphere包围盒还未碰撞，不进行下一步检测操作。而以OBB包围盒为内部的根节点，其中心即为Sphere包围盒的球心，进一步方便构造，而且Sphere包围盒结构方面的优势，无论被测物体进行平移还是旋转操作，其形状不发生改变，有利于更新。

方案2依靠螺栓对拉进行钢封门加固。以前壁墙体上方的立柱为着力点，钢封门、对拉杆件和连接螺栓将立柱包围，通过对拉螺栓将钢封门进行横向及纵向对拉，实现钢封门的侧面加固。钢封门的底部通过杆件延伸至墙体内侧，利用底部内侧设置的紧固螺栓反向顶推实现模板下端的密封和加固。在设计高水位以上位置，每个立柱上端增加2颗预埋螺栓，通过预埋螺栓增强钢封门的横向限位，以此来增加钢封门的整体稳定性。具体加固方式如图4所示。

3.1.3 钢封门加固方案比选

2种钢封门加固方案对比如表2所示。

预埋螺栓加固方案结构简单，整体稳定性较好，但需要进行预埋螺栓孔水下修补，水下修补工作难度大，风险高，潜水工作成本不可控；螺栓对拉加固方案结构较为复杂，组成部件较多，安装过程较为繁琐，整体稳定性也相对较差，但沉箱安装过程钢封门并未与定位驳接触，整体稳定性满足施工要求。重点在于该方案无水下预埋螺栓，无需进行水下修补，且对拉结构的拆除效率更高，减少沉箱修补和潜水作业成本。根据是否需要进行水下预埋螺栓孔修补这一主控因素，本项目最终选用螺栓对拉加固方案。

表2 B型沉箱钢封门加固方案对比Tab.2 Comparison of Reinforcement Schemes for B-type Caisson Steel Door Closure

图4 钢封门螺栓对拉加固方案Fig.4 Installation Method of Steel Gate with Pull Screws （mm）

3.2 荷载计算

沉箱安装选在海况条件较好的情况下进行，忽略水流力及波浪力的影响，作用在钢封门上的荷载主要为静水压力，现场最大高潮潮位（HHWL）为+2.5 mPD，钢封门底部标高为-1.0 mPD，作用于钢封门的最大水深高度为3.5 m，钢封门底部承受的最大水压力为：Pmax=ρ gh=1 025×9.8×3.5=35 157.5 N/m2。荷载分项系数γf=1.4，则钢封门的计算最大水压力为：P=γf·Pmax=1.4×35 157.5=49 220.5 N/m2。

3.3 钢封门结构分析

采用Midas Civil有限元软件建立模型对钢封门进行分析计算，主要校核面板及肋部结构的强度及变形，相关计算原则遵循《钢结构设计标准：GB 50017—2017》［5］。钢封门的详细尺寸如图5所示。

3.3.1 面板计算分析（见图6）

面板应力：最大有效应力（Von-Mises应力）为18.1 N/mm2＜215 N/mm2，满 足 要求；面板变形：最大变形值为4.67 mm，满足要求。

竖肋及横肋最大应力为177.6 N/mm2＜215 N/mm2，满足要求；竖肋及横肋最大剪应力为30.9 N/mm2＜125 N/mm2，满足要求；竖肋及横肋最大变形值为4.67 mm，满足要求。

4 钢封门沉箱安装方法及效果验证

当沉箱完成预制并安装好钢封门之后，通过卷扬机牵引沉箱完成纵横移运送至半潜驳后，通过拖轮拖运至施工现场，在指定的下潜区抛锚定位，等待合适潮位进行下潜浮运沉箱。根据浮游稳定计算结果，半潜驳注水下潜至设计深度，同时调整沉箱仓格内压载水高度进行沉箱浮游稳定调平，非自浮的沉箱在钢封门的密封下实现平稳起浮。沉箱平稳起浮后，通过安装在定位平板驳上的卷扬机牵引进行沉箱出驳工作，如图8所示。沉箱出驳后靠泊在定位驳一侧并用缆绳进行固定。沉箱固定完成后，连同定位驳一起由拖轮拖带至安装位置进行安装，如图9所示。

图5 钢封门尺寸Fig.5 The Dimension of Steel Gate （mm）

图6 面板应力及变形分析结果Fig.6 Panel Stress and Deformation Analysis Results

图7 竖肋及横肋应力、抗剪及变形分析结果Fig.7 Stress，Shear and Deformation Analysis Results of Vertical and Transverse Ribs

图8 沉箱出驳Fig.8 Sketch of Caisson Float Out of the Semi-submersible Barge

图9 沉箱拖带Fig.9 Sketch of Caisson Towing with Position Flat Top Barge

图10 沉箱安装平面布置Fig.10 Layout Plan of Caisson Installation

沉箱拖带至安装位置附近后，将定位驳抛锚定位与基床前沿线垂直摆位，通过定位驳上的卷扬机牵引将沉箱旋转90°，使钢封门一侧朝向基床前沿方向，再通过定位驳的卷扬机调整定位驳的位置进行沉箱安装精确定位，当待安装沉箱靠近上一件已安装沉箱位置时，在2 件沉箱相邻墙体角点位置交叉安装手拉葫芦。粗定位过程中通过定位驳上的卷扬机进行沉箱位置控制，当沉箱注水下沉至离基床面约30 cm 时，通过手拉葫芦进行沉箱安装精确定位，沉箱安装平面布置如图10所示。

通过14 件B 型号沉箱安装实操验证，利用螺栓对拉进行加固的沉箱钢封门安装方案水密性较好，结构较稳定，历次沉箱安装过程都比较顺利；对拉式钢封门水下拆除效率较高，潜水员平均每天拆除5 套钢封门。钢封门的设计既满足了沉箱安装的浮游稳定要求，又实现了沉箱安装后箱内压载水体积的增加，从而增强沉箱回填前的临时结构稳定性，在解决沉箱安装施工技术难题的同时，又实现了项目的经济效益。沉箱安装及钢封门水密效果如图11、图12所示。

5 结论

本文结合香港某综合废物管理设施工程B型沉箱

图11 采用钢封门封仓的沉箱安装Fig.11 Caisson Installation with Steel Gates

图12 钢封门水密性效果Fig.12 Watertight Effect of Steel Gates

安装工艺，优化了钢封门设计及加固方案，解决了沉箱安装过程的浮游稳定技术问题，规避了水下混凝土修补的风险，节约了项目成本。螺栓对拉的钢封门加固方案整体实施结果较好，表明该设计结构及加固体系设置较为合理，可为同类型异型沉箱的出运安装所面临的类似问题提供解决思路，具有较好的借鉴意义。