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1、赤道幾內亞巴塔港擴改建工程超高壓氣囊出運沉箱施工工藝總結赤幾項目部 郭奇 張立柱 李長鎖摘要：本文介紹了赤道幾內亞巴塔港擴改建工程20000DWT雜貨碼頭及50000噸通用泊位碼頭墻身沉箱預制后利用超高壓氣囊出運沉箱的工藝要點及主要難點的操作方法。關鍵詞：沉箱出運 頂升 橫移 縱移 超高壓氣囊 引言重力式沉箱碼頭是碼頭常用結構型式之一，重力式沉箱碼頭的墻體為實體結構，因此耐久性好；同時采用預制安裝結構，故施工簡單而被廣泛采用。如今，受重力式沉箱碼頭泊位水深的加大，沉箱體積及重量有逐步增大的趨勢，因此特大型沉箱的出運成為碼頭順利施工的關鍵因素。本文結合工程實際，認真總結此類特大型沉箱利用超高壓氣2、囊出運的施工工藝，為今后重型預制構件等的出運提供一種思路。1.工程概況赤道幾內亞巴塔港擴改建工程20000DWT雜貨碼頭及50000噸通用泊位碼頭共預制矩形沉箱66件，矩形沉箱規格如表1所示：所屬碼頭沉箱 型號尺寸（長寬高）（單位：m）數量（件）倉格數（個）單件砼方量( m3)重量（t）20000DWT雜貨碼頭CX-426.6515.014.75141812843145.8CX-513.915.014.75497421817.9CX-626.9515.014.7541812673104.2CX-713.915.014.7529740.81815CX-814.010.2514.7516520123、7450000噸通用泊位碼頭CX-126.6515.017.2540181472.53607.6CX-225.6515.017.2511814103454.5 矩形沉箱規格 表1最大矩形沉箱型號CX-1,單件重量為3607.6t。2.預制場總平面布置2.1預制場場地該預制場位于赤道幾內亞巴塔港港區堆場內，寬31m、縱深長250m的縱移道布置在預制場中部，縱移道兩側各設5個底胎作為沉箱預制區。沉箱底胎及縱移道標高一致，為+2.8m；沉箱出運碼頭面層標高為+2.3m。沉箱出運碼頭后方有長70m，坡比為0.7%的斜坡道，將沉箱預制區與沉箱出運碼頭標高過渡。沉箱底胎及縱移道表面均為砼面層，平整度控制在4、5mm以內，砼面層便于打掃清理，確保沉箱出運時，氣囊所經之處無堅硬外露物，避免劃傷氣囊。在平穩縱移道轉斜坡道交界處設圓角，以便氣囊在此處滾動時圓滑過渡。2.2沉箱預制場頂升槽底胎及頂升槽蓋板根據所需預制最大沉箱（CX-1）的底面積及重量，結合所選用頂升氣囊的工作性能設計頂升槽的個數及尺寸以頂升氣囊在工作壓力下能將沉箱平穩頂起，箱體不發生滑移，并考慮足夠的安全系數為原則（詳見3.2氣囊選型：氣囊承載力計算）。頂升槽深度為28cm，寬度為1.6m，較未充氣時頂升氣囊寬度1.45m寬出15cm，便于氣囊抽放順暢；蓋板槽尺寸上大下小，使頂升結束后蓋板復位時順暢回到原位置。蓋板厚度為30cm，頂升槽與蓋5、板槽總深度為58cm，頂升氣囊在工作壓力下設計頂升高度為55cm時，蓋板下口仍有3cm未脫出蓋板槽。頂升槽蓋板選用赤幾當地紅鐵木加工制作。頂升槽蓋板使用鋼筋砼蓋板或鋼蓋板均可，可根據實際情況選擇使用。2.3現場地牛（錨碇）布置依據沉箱規格尺寸及出運要求，在縱移道兩側、底胎后方及出運碼頭前沿分別設置出運沉箱的前牽、后拉地牛，以滿足沉箱橫移、縱移及上船等要求。地牛拉力根據出運沉箱時卷揚機所受最大拉力考慮。Q23590圓鋼拉環配置的砼地牛（錨碇）所能允許承受的最大拉力T為1271.7KN。 3.出運氣囊及卷揚機選型3.1沉箱氣囊出運牽引力計算及卷揚機滑輪組選型已知：沉箱CX-1重量Q = 3608t6、 ，摩擦系數 = 0.04（經現場測試，在混凝土地面上，氣囊的滾動摩擦系數接近0.04），牽引鋼絲扣數量n = 2，沉箱出運時前后高差為H = 0.2m。額定載荷15t卷揚機速度為15m/min，配5輪10傳滑輪組產生的最大拉力為121t。 牽引力：F= (Q + QH/L )/ n= (36080.04 + 36080.2/16)/2= 94.7 t121t同時牽引力F=94.7 t127.1t地牛所能承受的最大拉力3.2氣囊選型以CX-1沉箱為例，底板尺寸26.6516.0m，則沉箱頂升方向長度為16m，沉箱橫移方向長度為26.65 m，沉箱縱移方向長度為16 m。氣囊總長: L總長= L7、有效 + 1.73D直徑選用頂升氣囊尺寸為直徑1m，L =15.5+1.731=17.23m，0.8Mpa橫移氣囊尺寸為直徑1m，L=26.73m ，0.4Mpa縱移氣囊尺寸為直徑1m，L=17.23m ，0.4Mpa氣囊承載力計算1）頂升氣囊承載力復核：沉箱頂升時采用n1=5根有效長度L1=15.5m，直徑D1=1m的氣囊，氣囊布置于沉箱底胎頂升槽內，設計頂升高度h1=0.55m ，安全系數K1 = 1.2。 單條氣囊承壓寬度：B1 = （D1-h1）/2 =3.14(1-0.55)/2 = 0.706 m 單條氣囊承壓面積：S1 = B1L1 = 0.70615.5 = 10.943m2總8、承壓面積：S = n1S1 = 510.943= 54.715 m2氣囊壓力：P1 = K1G/S = 1.23608/54.715 = 0.79MPa0.8MPa2）橫移氣囊承載力復核：沉箱橫移時采用n2=7根有效長度L2=25m，直徑D2=1m的氣囊，間距2000mm,氣囊之間凈距500mm，氣囊承壓后高度h2=0.4m，壓力0.4MPa，沉箱前后高差控制在200mm以內，安全系數K2 = 1.4。單條氣囊承壓寬度：B2 = （D2-h2）/2 =3.14(1-0.4)/2 = 0.942m單條氣囊承壓面積：S2 = B2L2 = 0.94225 = 23.55m2總承壓面積：S = n29、S2 = 723.55 = 164.85 m2氣囊壓力：P2 = K2G/S = 1.43608/164.85 = 0.306MPa0.4MPa3）縱移氣囊承載力復核：沉箱縱移時采用n3=11根有效長度L3=15.5m，直徑D3=1m的氣囊，間距2000mm,氣囊之間凈距500mm，氣囊承壓后高度h3=0.4m，壓力0.4MPa，沉箱前后高差控制在200mm以內，安全系數K3 = 1.4。單條氣囊承壓寬度：B3= （D3-h3）/2 =3.14(1-0.4)/2 = 0.942 m單條氣囊承壓面積：S3 = B3L3 = 0.94215.5 = 14.601m2總承壓面積：S = n3S3 =10、 1114.601 = 160.611 m2氣囊壓力：P3 = K3G/S = 1.43608/160.611= 0.314MPa0.4MPa 4.沉箱氣囊出運主要施工工序及操作要點4.1沉箱氣囊出運工藝流程清理頂升槽內雜物、打磨沉箱邊角穿入頂升氣囊沉箱頂升滑移限位墩就位頂升氣囊充氣支墊木方頂升氣囊放氣頂升槽木蓋板歸位抽出枕木縱移氣囊充氣上浮塢準備工作沉箱出運上塢完成縱移牽引移動、牽移到位臨時支墊縱移方向木方縱移氣囊放氣穿入縱移氣囊系縱移鋼絲繩縱移卷揚機就位橫移牽引移動、牽移到位支墊縱移方向木方橫移氣囊放氣抽出橫移氣囊解除橫移繩索穿入橫移氣囊系橫移鋼絲繩橫移氣囊充氣抽出頂升支墊枕木橫移卷揚機就11、位操作步驟同縱移4.2沉箱出運各工序場地清理及出運準備工作沉箱出運前，須對頂升槽及橫、縱移范圍內的一切尖利雜物及障礙物進行清理，檢查沉箱底邊有無突出的尖銳棱角，如有棱角突出應進行打磨清除。沉箱出運20米作業范圍內設安全警戒線，非作業人員嚴禁靠近。出運前須檢查氣囊是否有破皮、拉線、壓扎等破損痕跡。氣囊作業前要進行試壓，以檢查氣囊、各連接管件、閥門、壓力表是否漏氣；氣壓表指針讀數是否正常。出運前，在沉箱四周提前劃好記號，標示出橫、縱移支墊枕木擺放的位置，此也使氣囊可按照設計要求的位置正確擺放。同時，在沉箱前進方向的墻體側面劃出長為02.5m的刻度尺，以此為參照，控制沉箱在氣囊上滑動時每次行進的距離12、，確定沉箱牽引過程中何時準確放入氣囊。在沉箱上劃出中線位置，縱移道沿著出運碼頭中心標示出中軸線，沉箱橫移牽引時，至其中線與縱移道中軸線重合為止。利用5t單柄開口滑輪導向，2t小叉車或裝載機牽引，在頂升槽內穿入5根長度17.23m，直徑1m，壓力為0.8MPa的頂升氣囊，氣囊擺放整齊、外露長度一致、相互平行。沉箱頂升 當沉箱頂層的砼強度等級達到設計強度100%時，可以進行沉箱頂升。受每條頂升氣囊與沉箱底部接觸情況存在差異及各頂升氣囊進氣速度及氣壓不完全一致的影響，沉箱在頂升過程中，有朝頂升氣囊軸線垂直方向滑移的傾向。因此，沉箱頂升前，需在沉箱兩側四角處設置沉箱頂升滑移限位墩。 現場指揮人員檢查頂13、升氣囊就位無誤后，指令連接供氣管道并啟動空壓機，由沉箱中間向兩側對氣囊進行充氣。在充氣過程中，要保證各氣囊進氣均勻、緩慢，避免氣囊壓力突然升高。當沉箱離開底胎滿足15cm高度后，按照沉箱四周預先劃好的記號，先塞入15cm*20cm*100cm木方。繼續充氣，當充氣壓力達到額定壓力的80%時停止供氣，對所有氣囊的壓力進行檢查，發現氣囊壓力不一致時可向單個氣囊充氣，使各氣囊壓力基本一致，然后繼續充氣直至沉箱離開底胎略超過25cm高度才將各氣囊的氣閥關閉，停止供氣。然后按照沉箱四周預先劃好的記號，在15cm木方上塞入10cm*20cm*100cm木方。氣囊充氣滿足額定壓力時氣囊高度550mm，沉箱頂14、升高度為27cm，30cm厚的頂升槽蓋板下口仍有3cm未脫出蓋板槽。現場指揮人員檢查沉箱四周所有支點木方均支墊完畢后，打開各個氣囊的排氣閥，將頂升氣囊緩慢放氣，使沉箱平穩落于木方上。頂升氣囊放氣結束后，頂升槽蓋板同時歸位。頂升氣囊最后0.5MPa氣壓放氣務求緩慢，使蓋板在自重作用下緩慢歸位。放氣過快，易造成蓋板卡殼無法正位。頂升支墊木方承載力校核（橫、縱移支墊木方數量同此）：沉箱CX-1重量G=3608t，頂升支墊枕木布置如下圖所示。頂升支墊木方與沉箱的接觸面積為S ；木方之間的荷載不均勻系數，取0.8。實驗數據顯示，赤幾當地紅鐵木的抗壓強度為5.33MPa，此時木方壓縮值為5mm。S=（0.15、41）34+（0.61）4=16m2沉箱觸底壓強P=G/（S）=3608/(0.816) =282t/ m2=2.82MPa5.33MPa沉箱橫移頂升槽蓋板歸位后，對沉箱底部再次檢查有無棱角突出部位，確認所有頂升槽蓋板全部平穩進入頂升槽，無卡殼情況后進入沉箱橫移的準備階段。沉箱拉環Q23590圓鋼預埋在沉箱側墻上（沉箱短邊方向），沉箱縱移行走的距離相比橫移要長，拉環設置在側墻處對沉箱運移時的拉環受力較好，拉環不易變形，安全性更高。沉箱的橫移圍纜方法：前牽鋼絲繩系于沉箱橫移方向靠后的預埋拉環上，后拉鋼絲繩系于沉箱橫移方向靠前的預埋拉環上。考慮到沉箱前牽地牛距沉箱過近，此種圍纜可使沉箱橫移距離牽引16、到最遠。 在沉箱下穿入7根長度26.73m，直徑1m，壓力為0.4MPa的橫移氣囊。沉箱橫移采用4臺15t卷揚機和4組100t滑車，分別布置在沉箱橫移行進方向的前側和后側，前方卷揚機負責牽引，后方卷揚機負責防滑（平穩路段防滑卷揚機鋼絲繩一般不帶勁）。每臺卷揚機后側采用90mm鋼絲繩及100t卡環與地牛連接；卷揚機前側設置兩臺滑車，其中一臺滑車和沉箱之間采用90mm鋼絲繩及100t卡環與沉箱預埋拉環連接。現場指揮檢查各項準備工作無誤后，指令連接供氣管道并啟動空壓機，由沉箱中間向兩側對氣囊進行充氣。當氣囊高度符合出運高度（充氣后氣囊高度400mm）時，關閉排氣閥，拆除充氣聯接膠管，抽出支墊木方。氣17、囊充氣后保持前高后低，高差控制在200mm以內。氣囊的充氣高度之所以采取前高后低，是因為：適當增大沉箱的前行阻力，使沉箱平穩行進，且保證每次更換氣囊，沉箱停止行進時不產生過大的慣性前移。在沉箱運行的方向提前放置適當數量的氣囊。一切處于正常狀態后，指揮下令移運工作開始。前牽卷揚機拉動沉箱緩慢向前移動，后拉卷揚機跟隨著緩慢放繩。當沉箱前面空出1個氣囊的位置時，停止牽引塞入氣囊，并充氣到預定壓力后再重新牽引。當后面的氣囊快要移出沉箱時，打開氣囊閥門排氣，并利用叉車運到沉箱前面備用。沉箱橫移牽引至其墻體上預先劃好的中線與縱移道中軸線重合為止。沉箱橫移到預定位置后停止牽引，按照沉箱四周預先劃好的記號，沿18、沉箱底部四周墊上兩層15cm20cm100cm木方，間距均為2m，然后所有氣囊同時緩慢排氣，使沉箱平穩地落在方木上。排氣完畢利用5t單柄開口滑輪導向，2t小叉車或裝載機牽引拖出橫移氣囊，進入氣囊縱向移運準備工作。沉箱牽移過程中的注意事項：沉箱移運速度控制在2m/min以內。沉箱行進過程中，給沉箱后部13條氣囊間歇放氣，始終保持沉箱前高后低，高差控制在200mm以內。沉箱后方即將滾動出來的氣囊在出來前要把壓力降為原先工作氣壓的60%左右，在其快滾出來時，一直放氣直至無壓力，使其與沉箱底安全分離，否則氣囊擠壓出來時會彈擊傷人。沉箱行進過程中，牽引鋼絲繩及滑輪組的位置和高度要密切注意，防止其磕碰損壞19、氣囊充氣嘴。 指揮人員隨時觀察沉箱行進過程中的偏移程度，及時進行糾偏。若沉箱在行進過程中方位偏離，則停止牽引，將沉箱前方新放入的氣囊斜擺一個小角度，再按操作步驟牽引，直至糾偏為止。調整氣囊角度不能過大，以防損傷氣囊，需通過多條氣囊逐漸糾偏，以防沉箱行進走“之”字形；也可通過調節兩臺前牽卷揚機啟動的時間差及兩臺卷揚機的牽引速度來進行糾偏。按照沉箱前進方向墻體側面劃出長為02.5m的刻度尺，嚴格控制沉箱每次行進的距離。注意每條氣囊的擺放位置，保證沉箱橫移牽引到位時，各個氣囊平行，且各氣囊間至少有50cm的間距，便于均勻支墊木方。在沉箱行進接近橫移終點時，稍微拉大氣囊間距，使沉箱前進方向的前后端有不20、小于800mm寬支墊縱移方向枕木的位置。4.2.4沉箱縱移沉箱的縱移圍纜方法：前牽鋼絲繩系于沉箱縱移方向靠前的預埋拉環上，后拉鋼絲繩系于沉箱縱移方向靠后的預埋拉環上。 在沉箱下穿入11根長度17.23m，直徑1m，壓力為0.4MPa的縱移氣囊。沉箱縱移配置的卷揚機和滑車同橫移。前牽卷揚機的一臺滑車和沉箱之間采用90mm鋼絲繩及100t卡環與沉箱預埋拉環連接，另一臺滑車通過100t卡環與沉箱行進方向側邊地牛連接。卷揚機利用此固定于地牛上的滑車導向，將沉箱反拉向前牽移。利用此與地牛連接的滑車，可以將沉箱一次縱移距離牽引到最遠。同時避免將牽引沉箱的拉力F=94.7t直接作用于卷揚機架體上，而使卷揚機21、架體僅僅承受滑車繞出繩頭的拉力S=11.7t，(S=K0F，K0滑車荷載系數，5輪工作繩數為10傳，導向輪為1個時，取K0=0.124)。此種連接為對卷揚機架體受力最合理的方式。因此，合理固定滑車連接的位置及利用滑車倒向，可以在提高效率的同時增大安全系數。縱移氣囊充氣后仍保持前高后低，高差控制在200mm以內。沉箱縱移時氣囊操作的具體方法同沉箱橫移。在縱移過程中沉箱中線需要始終對準縱移道軸線行進，防止沉箱行進過程中發生偏移。縱移道縱深長250m，卷揚機受卷筒鋼絲繩長度的限制，難以一次將沉箱縱移到指定位置，因此需要縱移道上的卷揚機接力將沉箱縱移到位。當沉箱縱移到設有0.7%坡度的縱移道過渡段時，22、沉箱有向前滑動的傾向。此時，后側負責防滑的卷揚機必須拉緊繩索控制沉箱緩慢行進，確保沉箱平穩移動。沉箱行進時，后拉鋼絲繩的緊張程度在斜坡道段要大于在水平路段上。沉箱縱移到出運碼頭后方時停止牽引，沉箱臨時支墊等待出運上浮塢。沉箱上浮塢沉箱海上出運采用6000t浮船塢，尺寸為：58m40m，最大下潛深度20m。沉箱出運碼頭前沿水下基床安裝有專供浮船塢下潛座底的鋼筋砼座底梁。浮塢依據岸上定位標志靠岸，利用錨機絞船，使浮塢上定位裝置與碼頭上的定位裝置逐漸靠攏、吻合。浮塢到達座底梁上方后開始注水，整體下沉，當浮塢船底距座底平臺20cm左右時，準確調整船位，注意保持定位裝置的吻合，然后繼續壓水使浮塢平穩坐于23、座底平臺上。浮船塢甲板與出運碼頭前沿間寬30cm的空隙采用鋼板搭接過渡，鋼板厚20mm，寬70cm，長18m。浮塢座底完成后，沉箱何時上塢基本不受潮位影響，沉箱上塢過程中也不需調整浮塢的各倉格壓艙水。浮塢端頭甲板上設有地牛，地牛拉環與浮塢鋼結構龍骨焊接固定。臨時支墊停放在碼頭后方的沉箱，利用連接于浮塢地牛上的滑車將其倒拉上塢，前牽和后拉卷揚機均在岸上進行操作。卷揚機及氣囊配合操作牽引沉箱上塢移動程序等同于岸上沉箱縱移。沉箱沿浮塢中線移動，沉箱上塢后應保證其重心位置與浮塢軸線位置相一致，沉箱重心位置與浮塢軸線位置相對偏差應符合下述要求：橫向50mm，縱向400mm。沉箱移到浮塢裝載區就位后，在沉24、箱底部四周墊上30cm高的支承枕木（支墊位置同縱移）。浮船塢上的沉箱支承枕木外側端設有小拉環，用鋼絲繩穿過小拉環對支承枕木進行連接固定，防止沉箱海上安裝結束后，木方浮起后散落丟失。抽出氣囊，解除沉箱牽引索具，回收各類工具，至此沉箱出運上塢完成。5.0超高壓氣囊使用過程中的注意事項氣囊所經接觸面不得有尖銳突出的硬物，防止刺破氣囊。空壓機吹出的空氣中含有水分，可在氣囊中灌入適量滑石粉對氣囊進行干燥保養，防止氣囊內側膠皮老化粘結。利用導向滑輪穿抽氣囊時，作業人員不得站在鋼絲繩的轉角內側，防止鋼絲繩溜出滑輪槽或斷裂傷人。充氣人員應站在充氣嘴的側面進行操作。其他人員不得處于氣嘴正方向位置，防止氣嘴崩出傷25、人。氣囊端頭的進、排氣孔在工作和存放時應采取保護措施，不使用時用絲堵將其封上，防止異物進入氣囊。氣囊使用完畢，應及時收回，清理表面污垢，檢查損傷情況，若有損傷要及時修補。破損修補后的氣囊，盡量避免使用，若需使用應降低使用壓力。氣囊不得與酸、堿、油脂和有機溶劑接觸，不得在氣囊上堆壓重物，氣囊嚴禁在露天暴曬，應在陰涼通風處存放以防止脫膠老化或者粘結。結束語采用超高壓氣囊出運沉箱的施工工藝對預制場地基處理方式要求簡單，出運無需使用大型起重機械設備且各工序施工操作簡便。在工程實際施工運用中，取得了較好的效果，并形成了一整套完整的施工工藝，為預制場出運沉箱施工積累了寶貴的經驗，對出運類似大型構件的施工具有較高的借鑒意義。參考文獻 1 江正榮，建筑施工計算手冊， 北京：中國建筑工業出版社， 2001.7。