(赤几项目部-郭奇）超高压气囊出运沉箱施工工艺总结 建筑论 本文关键词：沉箱，气囊，施工工艺，项目，建筑
(赤几项目部-郭奇）超高压气囊出运沉箱施工工艺总结 建筑论 本文简介：赤道几内亚巴塔港扩改建工程超高压气囊出运沉箱施工工艺总结赤几项目部郭奇张立柱李长锁摘要：本文介绍了赤道几内亚巴塔港扩改建工程20000DWT杂货码头及50000吨通用泊位码头墙身沉箱预制后利用超高压气囊出运沉箱的工艺要点及主要难点的操作方法。关键词：沉箱出运顶升横移纵移超高压气囊引言重力式沉箱码头是
(赤几项目部-郭奇）超高压气囊出运沉箱施工工艺总结 建筑论 本文内容：
赤道几内亚巴塔港扩改建工程
超高压气囊出运沉箱施工工艺总结
赤几项目部
郭奇
张立柱
李长锁
摘要：本文介绍了赤道几内亚巴塔港扩改建工程20000DWT杂货码头及50000吨通用泊位码头墙身沉箱预制后利用超高压气囊出运沉箱的工艺要点及主要难点的操作方法。
关键词：沉箱出运
顶升
横移
纵移
超高压气囊
引言
重力式沉箱码头是码头常用结构型式之一，重力式沉箱码头的墙体为实体结构，因此耐久性好；同时采用预制安装结构，故施工简单而被广泛采用。如今，受重力式沉箱码头泊位水深的加大，沉箱体积及重量有逐步增大的趋势，因此特大型沉箱的出运成为码头顺利施工的关键因素。本文结合工程实际，认真总结此类特大型沉箱利用超高压气囊出运的施工工艺，为今后重型预制构件等的出运提供一种思路。
1.工程概况
赤道几内亚巴塔港扩改建工程20000DWT杂货码头及50000吨通用泊位码头共预制矩形沉箱66件，矩形沉箱规格如表1所示：
所属码头
沉箱
型号
尺寸（长×宽×高）（单位：m）
数量（件）
仓格数（个）
单件砼方量(
m3)
重量
（t）
20000DWT杂货码头
CX-4
26.65×15.0×14.75
14
18
1284
3145.8
CX-5
13.9×15.0×14.75
4
9
742
1817.9
CX-6
26.95×15.0×14.75
4
18
1267
3104.2
CX-7
13.9×15.0×14.75
2
9
740.8
1815
CX-8
14.0×10.25×14.75
1
6
520
1274
50000吨通用泊位码头
CX-1
26.65×15.0×17.25
40
18
1472.5
3607.6
CX-2
25.65×15.0×17.25
1
18
1410
3454.5
矩形沉箱规格
表1
最大矩形沉箱型号CX-1,单件重量为3607.6t。
2.预制场总平面布置
2.1预制场场地
该预制场位于赤道几内亚巴塔港港区堆场内，宽31m、纵深长250m的纵移道布置在预制场中部，纵移道两侧各设5个底胎作为沉箱预制区。沉箱底胎及纵移道标高一致，为+2.8m；沉箱出运码头面层标高为+2.3m。沉箱出运码头后方有长70m，坡比为0.7%的斜坡道，将沉箱预制区与沉箱出运码头标高过渡。
沉箱底胎及纵移道表面均为砼面层，平整度控制在5mm以内，砼面层便于打扫清理，确保沉箱出运时，气囊所经之处无坚硬外露物，避免划伤气囊。在平稳纵移道转斜坡道交界处设圆角，以便气囊在此处滚动时圆滑过渡。
2.2沉箱预制场顶升槽底胎及顶升槽盖板
根据所需预制最大沉箱（CX-1）的底面积及重量，结合所选用顶升气囊的工作性能设计顶升槽的个数及尺寸——以顶升气囊在工作压力下能将沉箱平稳顶起，箱体不发生滑移，并考虑足够的安全系数为原则（详见3.2气囊选型：气囊承载力计算）。
顶升槽深度为28cm，宽度为1.6m，较未充气时顶升气囊宽度1.45m宽出15cm，便于气囊抽放顺畅；盖板槽尺寸上大下小，使顶升结束后盖板复位时顺畅回到原位置。盖板厚度为30cm，顶升槽与盖板槽总深度为58cm，顶升气囊在工作压力下设计顶升高度为55cm时，盖板下口仍有3cm未脱出盖板槽。顶升槽盖板选用赤几当地红铁木加工制作。顶升槽盖板使用钢筋砼盖板或钢盖板均可，可根据实际情况选择使用。
2.3现场地牛（锚碇）布置
依据沉箱规格尺寸及出运要求，在纵移道两侧、底胎后方及出运码头前沿分别设置出运沉箱的前牵、后拉地牛，以满足沉箱横移、纵移及上船等要求。
地牛拉力根据出运沉箱时卷扬机所受最大拉力考虑。Q235φ90圆钢拉环配置的砼地牛（锚碇）所能允许承受的最大拉力T为1271.7KN。
3.出运气囊及卷扬机选型
3.1沉箱气囊出运牵引力计算及卷扬机滑轮组选型
已知：沉箱CX-1重量Q
=
3608t
，μ摩擦系数
=
0.04（经现场测试，在混凝土地面上，气囊的滚动摩擦系数接近0.04），牵引钢丝扣数量n
=
2，沉箱出运时前后高差为△H
=
0.2m。额定载荷15t卷扬机速度为15m/min，配5轮10传滑轮组产生的最大拉力为121t。
牵引力：F=
(Qμ
+
Q△H/L
)/
n
=
(3608×0.04
+
3608×0.2/16)/2
=
94.7
t＜121t
同时牵引力F=94.7
t＜127.1t地牛所能承受的最大拉力
3.2气囊选型
以CX-1沉箱为例，底板尺寸26.65×16.0m，则沉箱顶升方向长度为16m，沉箱横移方向长度为26.65
m，沉箱纵移方向长度为16
m。
气囊总长:
L总长=
L有效
+
1.73D直径
选用顶升气囊尺寸为直径φ1m，L
=15.5+1.73×1=17.23m，0.8Mpa
横移气囊尺寸为直径φ1m，L=26.73m
，0.4Mpa
纵移气囊尺寸为直径φ1m，L=17.23m
，0.4Mpa
气囊承载力计算
1）顶升气囊承载力复核：
沉箱顶升时采用n1=5根有效长度L1=15.5m，直径D1=1m的气囊，气囊布置于沉箱底胎顶升槽内，设计顶升高度h1=0.55m
，安全系数K1
=
1.2。
单条气囊承压宽度：B1
=
π（D1-h1）/2
=3.14×(1-0.55)/2
=
0.706
m
单条气囊承压面积：S1
=
B1L1
=
0.706×15.5
=
10.943m2
总承压面积：S
=
n1S1
=
5×10.943=
54.715
m2
气囊压力：P1
=
K1G/S
=
1.2×3608/54.715
=
0.79MPa＜0.8MPa
2）横移气囊承载力复核：
沉箱横移时采用n2=7根有效长度L2=25m，直径D2=1m的气囊，间距2000mm,气囊之间净距500mm，气囊承压后高度h2=0.4m，压力0.4MPa，沉箱前后高差控制在200mm以内，安全系数K2
=
1.4。
单条气囊承压宽度：B2
=
π（D2-h2）/2
=3.14×(1-0.4)/2
=
0.942m
单条气囊承压面积：S2
=
B2L2
=
0.942×25
=
23.55m2
总承压面积：S
=
n2S2
=
7×23.55
=
164.85
m2
气囊压力：P2
=
K2G/S
=
1.4×3608/164.85
=
0.306MPa＜0.4MPa
3）纵移气囊承载力复核：
沉箱纵移时采用n3=11根有效长度L3=15.5m，直径D3=1m的气囊，间距2000mm,气囊之间净距500mm，气囊承压后高度h3=0.4m，压力0.4MPa，沉箱前后高差控制在200mm以内，安全系数K3
=
1.4。
单条气囊承压宽度：B3=
π（D3-h3）/2
=3.14×(1-0.4)/2
=
0.942
m
单条气囊承压面积：S3
=
B3L3
=
0.942×15.5
=
14.601m2
总承压面积：S
=
n3S3
=
11×14.601
=
160.611
m2
气囊压力：P3
=
K3G/S
=
1.4×3608/160.611=
0.314MPa＜0.4MPa
4.沉箱气囊出运主要施工工序及操作要点
4.1沉箱气囊出运工艺流程
清理顶升槽内杂物、打磨沉箱边角
穿入顶升气囊
沉箱顶升滑移限位墩就位
顶升气囊充气
支垫木方
顶升气囊放气
顶升槽木盖板归位
抽出枕木
纵移气囊充气
上浮坞准备工作
沉箱出运上坞完成
纵移牵引移动、牵移到位
临时支垫纵移方向木方
纵移气囊放气
穿入纵移气囊
系纵移钢丝绳
纵移卷扬机就位
横移牵引移动、牵移到位
支垫纵移方向木方
横移气囊放气
抽出横移气囊
解除横移绳索
穿入横移气囊
系横移钢丝绳
横移气囊充气
抽出顶升支垫枕木
横移卷扬机就位
操作步骤同纵移
4.2沉箱出运各工序
4.2.1场地清理及出运准备工作
沉箱出运前，须对顶升槽及横、纵移范围内的一切尖利杂物及障碍物进行清理，检查沉箱底边有无突出的尖锐棱角，如有棱角突出应进行打磨清除。沉箱出运20米作业范围内设安全警戒线，非作业人员严禁靠近。
出运前须检查气囊是否有破皮、拉线、压扎等破损痕迹。气囊作业前要进行试压，以检查气囊、各连接管件、阀门、压力表是否漏气；气压表指针读数是否正常。出运前，在沉箱四周提前划好记号，标示出横、纵移支垫枕木摆放的位置，此也使气囊可按照设计要求的位置正确摆放。同时，在沉箱前进方向的墙体侧面划出长为0～2.5m的刻度尺，以此为参照，控制沉箱在气囊上滑动时每次行进的距离，确定沉箱牵引过程中何时准确放入气囊。在沉箱上划出中线位置，纵移道沿着出运码头中心标示出中轴线，沉箱横移牵引时，至其中线与纵移道中轴线重合为止。
利用5t单柄开口滑轮导向，2t小叉车或装载机牵引，在顶升槽内穿入5根长度17.23m，直径1m，压力为0.8MPa的顶升气囊，气囊摆放整齐、外露长度一致、相互平行。
4.2.2沉箱顶升
当沉箱顶层的砼强度等级达到设计强度100%时，可以进行沉箱顶升。
受每条顶升气囊与沉箱底部接触情况存在差异及各顶升气囊进气速度及气压不完全一致的影响，沉箱在顶升过程中，有朝顶升气囊轴线垂直方向滑移的倾向。因此，沉箱顶升前，需在沉箱两侧四角处设置沉箱顶升滑移限位墩。
现场指挥人员检查顶升气囊就位无误后，指令连接供气管道并启动空压机，由沉箱中间向两侧对气囊进行充气。在充气过程中，要保证各气囊进气均匀、缓慢，避免气囊压力突然升高。当沉箱离开底胎满足15cm高度后，按照沉箱四周预先划好的记号，先塞入15cm*20cm*100cm木方。继续充气，当充气压力达到额定压力的80%时停止供气，对所有气囊的压力进行检查，发现气囊压力不一致时可向单个气囊充气，使各气囊压力基本一致，然后继续充气直至沉箱离开底胎略超过25cm高度才将各气囊的气阀关闭，停止供气。然后按照沉箱四周预先划好的记号，在15cm木方上塞入10cm*20cm*100cm木方。气囊充气满足额定压力时气囊高度550mm，沉箱顶升高度为27cm，30cm厚的顶升槽盖板下口仍有3cm未脱出盖板槽。
现场指挥人员检查沉箱四周所有支点木方均支垫完毕后，打开各个气囊的排气阀，将顶升气囊缓慢放气，使沉箱平稳落于木方上。顶升气囊放气结束后，顶升槽盖板同时归位。顶升气囊最后0.5MPa气压放气务求缓慢，使盖板在自重作用下缓慢归位。放气过快，易造成盖板卡壳无法正位。
顶升支垫木方承载力校核（横、纵移支垫木方数量同此）：沉箱CX-1重量G=3608t，顶升支垫枕木布置如下图所示。顶升支垫木方与沉箱的接触面积为S
；木方之间的荷载不均匀系数β，取0.8。实验数据显示，赤几当地红铁木的抗压强度为5.33MPa，此时木方压缩值为5mm。
S=（0.4×1）×34+（0.6×1）×4=16m2
沉箱触底压强P=G/（βS）=3608/(0.8×16)
=282t/
m2=2.82MPa＜5.33MPa
4.2.3沉箱横移
顶升槽盖板归位后，对沉箱底部再次检查有无棱角突出部位，确认所有顶升槽盖板全部平稳进入顶升槽，无卡壳情况后进入沉箱横移的准备阶段。
沉箱拉环Q235φ90圆钢预埋在沉箱侧墙上（沉箱短边方向），沉箱纵移行走的距离相比横移要长，拉环设置在侧墙处对沉箱运移时的拉环受力较好，拉环不易变形，安全性更高。
沉箱的横移围缆方法：前牵钢丝绳系于沉箱横移方向靠后的预埋拉环上，后拉钢丝绳系于沉箱横移方向靠前的预埋拉环上。考虑到沉箱前牵地牛距沉箱过近，此种围缆可使沉箱横移距离牵引到最远。
在沉箱下穿入7根长度26.73m，直径1m，压力为0.4MPa的横移气囊。
沉箱横移采用4台15t卷扬机和4组100t滑车，分别布置在沉箱横移行进方向的前侧和后侧，前方卷扬机负责牵引，后方卷扬机负责防滑（平稳路段防滑卷扬机钢丝绳一般不带劲）。每台卷扬机后侧采用Φ90mm钢丝绳及100t卡环与地牛连接；卷扬机前侧设置两台滑车，其中一台滑车和沉箱之间采用Φ90mm钢丝绳及100t卡环与沉箱预埋拉环连接。
现场指挥检查各项准备工作无误后，指令连接供气管道并启动空压机，由沉箱中间向两侧对气囊进行充气。当气囊高度符合出运高度（充气后气囊高度400mm）时，关闭排气阀，拆除充气联接胶管，抽出支垫木方。气囊充气后保持前高后低，高差控制在200mm以内。气囊的充气高度之所以采取前高后低，是因为：适当增大沉箱的前行阻力，使沉箱平稳行进，且保证每次更换气囊，沉箱停止行进时不产生过大的惯性前移。
在沉箱运行的方向提前放置适当数量的气囊。一切处于正常状态后，指挥下令移运工作开始。前牵卷扬机拉动沉箱缓慢向前移动，后拉卷扬机跟随着缓慢放绳。当沉箱前面空出1个气囊的位置时，停止牵引塞入气囊，并充气到预定压力后再重新牵引。当后面的气囊快要移出沉箱时，打开气囊阀门排气，并利用叉车运到沉箱前面备用。沉箱横移牵引至其墙体上预先划好的中线与纵移道中轴线重合为止。
沉箱横移到预定位置后停止牵引，按照沉箱四周预先划好的记号，沿沉箱底部四周垫上两层15cm×20cm×100cm木方，间距均为2m，然后所有气囊同时缓慢排气，使沉箱平稳地落在方木上。
排气完毕利用5t单柄开口滑轮导向，2t小叉车或装载机牵引拖出横移气囊，进入气囊纵向移运准备工作。
沉箱牵移过程中的注意事项：
沉箱移运速度控制在2m/min以内。
沉箱行进过程中，给沉箱后部1～3条气囊间歇放气，始终保持沉箱前高后低，高差控制在200mm以内。沉箱后方即将滚动出来的气囊在出来前要把压力降为原先工作气压的60%左右，在其快滚出来时，一直放气直至无压力，使其与沉箱底安全分离，否则气囊挤压出来时会弹击伤人。
沉箱行进过程中，牵引钢丝绳及滑轮组的位置和高度要密切注意，防止其磕碰损坏气囊充气嘴。
指挥人员随时观察沉箱行进过程中的偏移程度，及时进行纠偏。若沉箱在行进过程中方位偏离，则停止牵引，将沉箱前方新放入的气囊斜摆一个小角度，再按操作步骤牵引，直至纠偏为止。调整气囊角度不能过大，以防损伤气囊，需通过多条气囊逐渐纠偏，以防沉箱行进走“之”字形；也可通过调节两台前牵卷扬机启动的时间差及两台卷扬机的牵引速度来进行纠偏。
按照沉箱前进方向墙体侧面划出长为0～2.5m的刻度尺，严格控制沉箱每次行进的距离。注意每条气囊的摆放位置，保证沉箱横移牵引到位时，各个气囊平行，且各气囊间至少有50cm的间距，便于均匀支垫木方。
在沉箱行进接近横移终点时，稍微拉大气囊间距，使沉箱前进方向的前后端有不小于800mm宽支垫纵移方向枕木的位置。
4.2.4沉箱纵移
沉箱的纵移围缆方法：前牵钢丝绳系于沉箱纵移方向靠前的预埋拉环上，后拉钢丝绳系于沉箱纵移方向靠后的预埋拉环上。
在沉箱下穿入11根长度17.23m，直径1m，压力为0.4MPa的纵移气囊。
沉箱纵移配置的卷扬机和滑车同横移。前牵卷扬机的一台滑车和沉箱之间采用Φ90mm钢丝绳及100t卡环与沉箱预埋拉环连接，另一台滑车通过100t卡环与沉箱行进方向侧边地牛连接。卷扬机利用此固定于地牛上的滑车导向，将沉箱反拉向前牵移。
利用此与地牛连接的滑车，可以将沉箱一次纵移距离牵引到最远。同时避免将牵引沉箱的拉力F=94.7t直接作用于卷扬机架体上，而使卷扬机架体仅仅承受滑车绕出绳头的拉力S=11.7t，(S=K0F，K0滑车荷载系数，5轮工作绳数为10传，导向轮为1个时，取K0=0.124)。此种连接为对卷扬机架体受力最合理的方式。因此，合理固定滑车连接的位置及利用滑车倒向，可以在提高效率的同时增大安全系数。
纵移气囊充气后仍保持前高后低，高差控制在200mm以内。沉箱纵移时气囊操作的具体方法同沉箱横移。
在纵移过程中沉箱中线需要始终对准纵移道轴线行进，防止沉箱行进过程中发生偏移。纵移道纵深长250m，卷扬机受卷筒钢丝绳长度的限制，难以一次将沉箱纵移到指定位置，因此需要纵移道上的卷扬机接力将沉箱纵移到位。
当沉箱纵移到设有0.7%坡度的纵移道过渡段时，沉箱有向前滑动的倾向。此时，后侧负责防滑的卷扬机必须拉紧绳索控制沉箱缓慢行进，确保沉箱平稳移动。沉箱行进时，后拉钢丝绳的紧张程度在斜坡道段要大于在水平路段上。
沉箱纵移到出运码头后方时停止牵引，沉箱临时支垫等待出运上浮坞。
4.2.5沉箱上浮坞
沉箱海上出运采用6000t浮船坞，尺寸为：58m×40m，最大下潜深度20m。
沉箱出运码头前沿水下基床安装有专供浮船坞下潜座底的钢筋砼座底梁。
浮坞依据岸上定位标志靠岸，利用锚机绞船，使浮坞上定位装置与码头上的定位装置逐渐靠拢、吻合。浮坞到达座底梁上方后开始注水，整体下沉，当浮坞船底距座底平台20cm左右时，准确调整船位，注意保持定位装置的吻合，然后继续压水使浮坞平稳坐于座底平台上。浮船坞甲板与出运码头前沿间宽30cm的空隙采用钢板搭接过渡，钢板厚20mm，宽70cm，长18m。
浮坞座底完成后，沉箱何时上坞基本不受潮位影响，沉箱上坞过程中也不需调整浮坞的各仓格压舱水。
浮坞端头甲板上设有地牛，地牛拉环与浮坞钢结构龙骨焊接固定。临时支垫停放在码头后方的沉箱，利用连接于浮坞地牛上的滑车将其倒拉上坞，前牵和后拉卷扬机均在岸上进行操作。
卷扬机及气囊配合操作牵引沉箱上坞移动程序等同于岸上沉箱纵移。沉箱沿浮坞中线移动，沉箱上坞后应保证其重心位置与浮坞轴线位置相一致，沉箱重心位置与浮坞轴线位置相对偏差应符合下述要求：横向50mm，纵向400mm。
沉箱移到浮坞装载区就位后，在沉箱底部四周垫上30cm高的支承枕木（支垫位置同纵移）。浮船坞上的沉箱支承枕木外侧端设有小拉环，用钢丝绳穿过小拉环对支承枕木进行连接固定，防止沉箱海上安装结束后，木方浮起后散落丢失。
抽出气囊，解除沉箱牵引索具，回收各类工具，至此沉箱出运上坞完成。
5.0．超高压气囊使用过程中的注意事项
气囊所经接触面不得有尖锐突出的硬物，防止刺破气囊。
空压机吹出的空气中含有水分，可在气囊中灌入适量滑石粉对气囊进行干燥保养，防止气囊内侧胶皮老化粘结。
利用导向滑轮穿抽气囊时，作业人员不得站在钢丝绳的转角内侧，防止钢丝绳溜出滑轮槽或断裂伤人。
充气人员应站在充气嘴的侧面进行操作。其他人员不得处于气嘴正方向位置，防止气嘴崩出伤人。
气囊端头的进、排气孔在工作和存放时应采取保护措施，不使用时用丝堵将其封上，防止异物进入气囊。
气囊使用完毕，应及时收回，清理表面污垢，检查损伤情况，若有损伤要及时修补。破损修补后的气囊，尽量避免使用，若需使用应降低使用压力。
气囊不得与酸、碱、油脂和有机溶剂接触，不得在气囊上堆压重物，气囊严禁在露天暴晒，应在阴凉通风处存放以防止脱胶老化或者粘结。
结束语
采用超高压气囊出运沉箱的施工工艺对预制场地基处理方式要求简单，出运无需使用大型起重机械设备且各工序施工操作简便。在工程实际施工运用中，取得了较好的效果，并形成了一整套完整的施工工艺，为预制场出运沉箱施工积累了宝贵的经验，对出运类似大型构件的施工具有较高的借鉴意义。
参考文献
[1]
江正荣，建筑施工计算手册，
北京：中国建筑工业出版社，
2001.7。
13