大型沉箱水下安装施工方法探讨

【摘 要】文章以汕头港广澳港区一期工程沉箱安装为实例，介绍了采用200 t起重船没水安装900 t沉箱的施工方法。考虑到当时的船机设备状况（难以调配到900 t以上的起重船）和施工成本2个方面的因素，采用当时现有的200 t起重船进行沉箱安装。由于起重船的起吊能力远小于沉箱重量，而且沉箱安装后完全处于水下，在最低水位也无法露出，因此采取了如下工艺措施：对沉箱顶部进行密封（用封仓盖板），从而可以利用沉箱在水中的浮力，同时封仓盖板上设置能露出水面的灌水囱和相应的操作平台，以便安装过程向沉箱空腔内灌水使之下沉。该施工方法获得了极大的成功，曾获得“中交三航局QC成果二等奖”。

【关键词】准备；施工；方法；沉箱

【中图分类号】U655.54 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0088-03

1 概况

汕头港广澳港区一期工程共有沉箱49件，其中A、B、C型沉箱分别为1件、47件、1件。B型沉箱重883 t，长11.26 m，宽9.5 m，高14.3 m，另有1 m的前趾，每沉箱设6个隔仓（前后各3个）。沉箱安装底标高为-15.0 m，顶标高为-0.7 m，抛石基床大部分厚度为3～4 m，强夯基床。

现场的自然条件：①设计低水位为+0.33 m，沉箱安装后顶部无法露出水面；②沉箱预制厂至安装现场的距离为0.5 nm（0.926 km），该区域有防波堤掩护，风浪小，利于施工；③安装季节正值夏季，易遭到台风袭击。

2 安装前准备工作

2.1 安装工况分析

沉箱（B型）入水后所受最大浮力为363 t，而沉箱自重为883 t，沉箱在水下的重量为520 t，依此计算需用520 t以上的起重船才能安装沉箱。考虑到大型起重船难以租用到且费用昂贵，为节约成本，拟采用“三航起九”（起重能力为200 t）方式安装沉箱。为了克服“三航起九”方式起重能力不足的问题，决定用钢盖板在顶部将沉箱密封，增加沉箱在水下的排水体积，以增大浮力。沉箱密封后，在水下的最大浮力可达1 585 t。因此，沉箱密封后，在其安装下沉的过程中，可向沉箱仓内灌水，并控制灌水量，使沉箱所受浮力基本等于其重量（沉箱自重加上所灌水的重量）。在实际安装过程中，控制其静重为50 t左右，以利于200 t起重船安装就位。

2.2 设置水尺及安装标志

在沉箱四角所有侧面涂画水尺，以便于安装时观测。水尺高度范围为自沉箱顶部以下7.3 m。水尺以每10 cm为一刻度，涂红白相间的油漆。

另在沉箱頂部前后两侧边缘安设标志杆，标志杆长3.5 m，沉箱底着落于基床后（此时水尺已完全在水下，无法用于观测）标志杆仍可露出水面，以便于测量、观测及定位。

此外，在临时码头设临时水文站，定时观测以确定施工时的水位。

2.3 封仓盖板

如前所述，采用封仓盖板密封沉箱，以增加沉箱在水中的浮力，达到可用200 t起重船安装883 t沉箱的目的。沉箱有6个隔仓（尺寸为3.4 m×4.23 m），故采用6个独立的封仓盖板。预制沉箱时，在沉箱顶部预埋M24螺帽，间距为1 m，用于锁固封仓盖板，封仓盖板与沉箱顶部之间垫橡胶止水板（宽50 cm、厚30 mm），以达到止水目的。

盖板面板采用8 mm厚的钢板，主肋为[18a槽钢，次肋为[10槽钢，主次肋等高连接，每个钢盖板设有一个直径为800 mm、高3.5 m的灌水囱，并设操作平台，便于施工人员进行灌水操作。综合考虑成本、施工工期等因素，钢盖板共制作5套合计30片，周转使用。

2.4 有关参数

2.4.1 压载平衡水

沉箱有前趾，造成沉箱偏心，必须在沉箱后仓灌压载平衡水，以保证沉箱在下水过程中的平衡与稳定。前趾重G1=23.9 t，前趾重心到沉箱平衡中心（位于沉箱纵隔墙中心）的距离L1=5.21 m，沉箱内压载水重G2=1.025×3.4×4.23×3×H（H为灌水高度），压载水重心到沉箱平衡中心距离L2=2.375 m，G1×L1=G2×L2，故H=1.19 m。也就是说，沉箱安装过程中，后面3个仓的压载水水位应始终保持比前仓3个仓的压载水水位高1.19 m，只有这样，沉箱才能保持平衡。

2.4.2 临界吃水深度

沉箱自重为883 t，加上封仓盖板、压载水的重量，总重为953.6 t，为确保沉箱在下沉及就位过程的安全，起重船持力为50 t左右，设沉箱临界吃水深度为h，则50+9.5×11.26×1.025×h+（1.05+0.65）×1×0.5×11.26×1.025=953.6，计算得h=8.15 m。

2.4.3 半潜驳下潜深度

半潜驳型深3.3 m，沉箱底板距甲板高0.4 m，半潜驳下潜到沉箱吃水8.15 m时停止下潜，半潜驳底离海底面应有1.0 m富余水深。因此，半潜驳下潜深度为3.3+0.4+8.15=11.85 m，加上富余水深1 m，半潜驳下潜区域水深应达12.85 m，现场最低水位为0.83 m，因此半潜驳下潜区域海底标高应低于-12.02 m。

2.4.4 补充说明

以上参数的确定是按照B型沉箱的尺寸计算，A、C型沉箱安装的相关参数可类似地确定，本文不赘述。

3 安装方法

3.1 安装工艺流程

安装沉箱钢盖板→气囊搬运沉箱至出运码头→半潜驳就位，出运码头→沉箱上半潜驳→沉箱后仓灌平衡水→半潜驳拖航至下潜海域→半潜驳下潜至预定深度→起重船就位，挂钩吊稳沉箱→半潜驳继续下潜至一定深度→起重船吊起并拖运沉箱到安装现场→沉箱仓内灌水到指定高度（沉箱下沉没水）→起重船没水安装沉箱（同时测量控制）→沉箱仓内灌水至指定高度（沉箱稳定）→水下脱钩，起重船离开现场→安装完毕。

3.2 半潜驳简介

半潜驳的主要尺度和性能：型长90.6 m、型宽35.3 m、型深3.3 m、满载吃水2.35 m、最大潜深13.2 m、满载承重4 000 t。此外，为安装沉箱，对潜驳的船艏进行改造，在半潜驳船艏加制了异形船艏，当船艏搁置于临时码头时，半潜驳甲板的顶标高刚好与临时出运码头的顶面标高一致，以利于沉箱拖运上半潜驳。异形船艏的尺寸为长14.4 m、宽1.5 m、高1.0 m。

3.3 沉箱上半潜驳

施工海域潮差小，平均潮差为0.8 m，半潜驳满载吃水2.35 m，临时出运码头前沿水深3.8 m左右，因此大部分时间半潜驳可靠码头装运沉箱。先调节半潜驳压仓水，使半潜驳的船艏高于临时码头顶面20 cm左右，绞缆绳调整半潜驳位置使其就位，船艏靠于临时码头，半潜驳内注水使船艏压紧于临时码头承台钢轨支座上；用设于半潜驳上的牵引系统将沉箱牵引上驳，沉箱上驳宜在涨潮时进行，上驳时间可控制在1 h内。

3.4 沉箱起浮

半潜驳拖运沉箱至下潜区域后抛4个主锚，定位后灌压仓水均匀地下沉，至沉箱吃水为8.15 m时停止下沉，起重船就位，先用吊篮吊运操作工人及抽水泵到沉箱封仓盖板操作平台上，操作人员系好安全带，然后挂钩，起重船吊住沉箱，半潜驳继续灌水下沉，此时沉箱离开半潜驳甲板，起重船拖运沉箱至基床就位。

3.5 沉箱安裝

3.5.1 沉箱下降量与仓内灌水量的关系

为了确保起重船起吊沉箱时的稳定性和安全，沉箱安装过程中（包括沉箱下沉过程）起重船的吃力宜保持在50 t左右，可通过向沉箱内灌水实现。设沉箱下沉深度（即下沉量）为△H，同一时间内沉箱内灌水上升高度为△h。

则：

9.5×11.26×△H×1.025=3.42×4.3×6×△h×1.025

式中：9.5 m为沉箱宽度、11.26 m为沉箱长度、1.025 kg/m3为海水密度、3.42 m×4.3 m为沉箱内隔仓尺寸、6为沉箱内隔仓个数。

解得：

△h=1.21△H，两者为线性关系。

因此，在沉箱下沉过程中，应始终保持△h=1.21△H。同时，为保证沉箱水平和重心稳定（抵消沉箱前趾重量造成的不平衡），沉箱前后仓的水头差应始终保持为1.19 m。这就是沉箱下沉过程中的灌水双控原则。灌水双控的方法如下：①前后仓等量同步灌水（前仓3个仓有通水孔互通，后仓3个仓有通水孔互通，但前后仓之间不能通水）；②通过浮球及测绳随时测读前后仓的水位；③根据△h=1.21△H，由沉箱下沉量△H确定灌水水位△h。

3.5.2 沉箱安装就位

沉箱安装就位过程，起重船的持力始终保持在50 t左右，相当于用200 t起重船安装50 t构件。待沉箱基本就位后，灌水使之下沉，沉箱下沉接近基床面时，停止灌水；起重船吊沉箱精确就位，等测量观测确定沉箱位置满足要求后，继续往沉箱内注满水使其稳定，然后起重船脱钩离开，沉箱安装结束。

4 结语

当今重力式码头的发展趋势是沉箱越来越大型化，因此单个沉箱的重量也越来越大上述施工方法的特点是利用密封后的沉箱在水中的浮力，采用中小型起重船安装超过其起重能力的大型沉箱。这是一个成功先例，其方法和思路是很有创意的，可为今后类似的工程提供有益的借鉴和参考。

参 考 文 献

[1]郝夕青.沉箱预制场地及下水工艺的比较[J].水运工程，2006（3）.

[2]陶震，邵昌浩.关于重力式码头沉箱结合腔结构形式的探讨[J].水运工程，2009（10）.

[3]朱烜杉.重力式码头施工质量的控制策略[J].中国水运（下半月），2011（5）.

[4]郝夕青.沉箱预制场地及下水工艺的比较[J].水运工程，2006（3）.

[5]陶震，邵昌浩.关于重力式码头沉箱结合腔结构形式的探讨[J].水运工程，2009（10）.

[责任编辑：陈泽琦]