大型沉箱出坞浮游拖运安装工艺
本文介绍了“四航南沙”号浮船坞的下潜过程，南沙港区一期工程3号、4号泊位2212t 沉箱的出坞、 洋游拖运及沉箱安装等施工工艺，并对其工艺过程及技术问题进行了分析和比较。关键词：沉箱；出坞；浮游；拖运；安装Undocking,Floating Transportation and Installation of Large Caisson
Abstract:This paper introduces the submerging procedure of leetirg cock"Sthang Nancha",undocking,fkeating transportationandinstallationtechniquesof2212tcnissonforberth3andberth4oiNanshaportaonephaseIproject.It analyzesandcomparestheirtechnicalpeeduresandtechrucs!pr-Siems.Key worls:caisom;urdcking;flcauirg transportation;installation
南沙港区 一 期工程3号、4号泊位共有沉箱42件，为 顺岸式安装。沉箱外型尺寸长17 . 84m 、 宽 1 5m 、 高18.9m, 重2212t。沉箱在中港四航局一公司东江口预制厂预制，采用超 高压气囊出运技术将沉箱移运到“四航南沙”浮船坞上， 由拖轮拖航至施工水域现场，浮船坞在预定下潜坑下潜、 沉箱出坞，井存放于存放场，或用拖轮直接将沉箱拖运到安装位置进行安装。安装过程共分为下潜出鸠、浮游拖运、就位安装三个 主要工序。2浮游稳定验算为确保沉箱出坞、存放、浮游拖运和安装等顺利进行 和安全，沉箱出运前对沉箱进行浮游稳定性计算，作为施工的重要参考数据。沉箱浮游稳定计算如下：沉箱仓内压载采用水压载，以 “B” 型沉箱(中间有橡 胶护舷预留缺口)为例，经计算：ZVX=6843.30m⁴ZV₁Y₁=6997.35m⁴
单 件 沉 箱 体 积 ： 8 8 1 . 3 1m³; 单 个 沉 箱 重 量 ：22121.00kN。沉箱重心： X=7.762m;Ye=7.943m。采用力矩平衡原理计算如下(以沉箱迎水面中心线 计):偏心距离=(1+14/2) - 7 . 762=0 . 238m偏主矩=(22121+8)×0 . 238=5266 . 7kN.m(8kN 为封水板重量)需加平衡水量t(后四仓)计算如下：10.25××4.52=5266.7 得 t=1.813m上式(15 .85t-0.317)为后四仓单仓注水体积计算公 式 。“B”型沉箱浮游稳定计算汇总见表1。稳定干舷高度7.44m经过计算，本工程沉箱稳定吃水深度为11.45m, 沉箱 浮游拖运时，为了安全，综合现场水域水深情况，适当增 加沉箱吃水深度，以提高沉箱拖运时的浮游稳定性。3沉箱出坞3.1下潜坑根据浮船坞下潜、沉箱出坞要求，在施工水域附近选 定 一 区域：50m×60m, 抛砂至高程 - 13 . 5m 后作为下潜 坑 。3.2下潜出坞的潮位和时间确定
表1 “B”型沉箱浮游稳定计算表
格仓个数压仓水深/m
加水重力kN
沉箱重力/kN
重心高度Yc/m
总排水量/m³
沉箱吃水/m
浮心高度Yw/m
a=Yc-Yw/m定 倾 半 径定倾高度最 大 本 头 整
前仓中仓后 仓前仓中仓后仓
4442.33.114.116413.654590.19.372784.6511.455.780.891.290.408.74
本工程沉箱经计算稳定吃水深度为11 . 45m, 沉 箱 支 垫 高 度 0 . 3 0m;考虑出坞时的工作余量后，“四航南沙”号需 要下潜至最大下潜深度才能满足沉箱的出坞要求 ， 所以下潜区水深必须达到如下要求：下 潜 坑 水 深 ≥ 下 潜 深 度 + 型 深 = 1 2m+3.4m=15.4m“四航南沙”号浮船坞下潜至最大潜深整个过程需要时 间 为 4 . 5 ~ 5h, 沉 箱出坞 所需时间 为 0 . 5 ～ 1h。所以沉箱出坞时 ， 下潜区城当天潮位必须满足如下条件 ：高潮潮位水深≥15 . 4m,且 此 潮 位 必 须 维 持 1h以 上 。“四航南沙”号浮船坞下潜时间选择在下潜区水深达到 15.4m之 前 5 ~ 5 . 5h 开始注水下潜。3.3淳船坞下潜、沉箱准备工作3.3.1 浮船坞抛锚定位，操作平台及水泵安装“四航南沙”号浮船鸠在下潜坑处抛锚定位后，工作船 就位，在沉箱与“四航南沙”号操纵室顶之间安装人行栈桥 、 操 作 平台 ( 见图 1 )。 在沉 箱内外分 别各 安 装 6 ～ 1 2台 大流量港水退，用于沉箱隔仓油滤水和调整沉箱平衡稳定。 沉箱法水采用阀门注水方式时，沉箱外不需安装水泵。
图 1沉箱顶操作平台示意图
考虑到灌水的需要 ， 沉箱的前 、 中 、 后三排隔仓的上 游两个隔仓 、 下游两个隔仓预制时 ， 分别在其隔墙最下方 预留连通孔 ， 形成两两相通 ， 这样沉箱可按六个内仓孔考 虑 。 在倒滤井侧壁上预留安装闸阀用的通水孔 ， 并在沉箱 移 运 上 浮 船 坞 前 安 装 好 注 水 闸 阀 ( 见 图 2 ) 。3.3.2 固 定 及 溜 尾 缆 绳 安 装在沉箱顶四角预埋有拉环，分别用缆绳与“四航南沙” 号 坞 墙 上 的 4 个 角 的 缆 桩 连 接 ， 做 为 沉 箱 出 坞 时 沉 箱 稳 定 和 溜 尾 用 ( 见 图 3 ) 。在 沉 箱 前 后 仓 出 坞 方 向 ， 离 沉 箱 底 面 1 3 . 6m 处 安 装 2根 带 孔 缘 拉 杆 ， 并 分 别 用 卡 环 接 上 短 钢 丝 绳 (O15.5mm,8m),做 为 出 坞 及 拖 运 用 。 在 沉 箱 四 角 上 方 安 装 带 孔 缘 拉杆 ， 并 分 别 用 卡 环 接 上 短 钢 丝 绳 (O15.5mm,8m), 作 为安装时使用。3.3.3驳 船 就 位驳船定位于沉箱出坞方向，跨过沉箱存放场，离“四 航南沙”号浮船坞80～100m 处 。 驳 船 上 固 定 有 牵 引 沉 箱用的2台卷扬机，并配备供电发电机、照明灯具及起重机。
隔仓连通孔 图 2连通孔及注水阀门孔示意图
图 3栈桥、缆绳安装示意图3.4浮船坞下潜、沉箱注水当准备工作完毕，下潜区潮位符合下潜要求条件时， 所有参与人员就位，经最后检查确定准备工作完备后，即可进入下潜程序。“四航南沙”号浮船坞开始注水下潜 → 沉箱吃水深度为 5m 时，开启注水闹阀(潜水泵)开始向沉箱注水 → 沉箱吃 水 达 到 9m 时，浮船坞暂停下潜 → 连接率引卷扬机钢丝绳， 根据浮游稳定性计算的要求，将沉箱各仓压仓水加至规定 位置 → 压仓水加完后吊开人行栈桥，浮船捣继续下潜至沉 箱起浮 → 启动卷扬机，使钢丝绳处于轻微受力状态 → 根据 沉箱浮起后的情况调整沉箱平衡，并将沉箱吃水调整到浮 游稳定状态。“四航南沙”号浮船坞继续注水下潜至12m(甲板面)。3.5沉箱出坞、存放3.5.1沉箱出坞沉箱出鸟示意图见盟4。当沉精源起济处于平衡稳定状态后，启动卷扬机，缓 慢拉动沉箱出坞 → 沉箱刚刚完全出坞口时暂停，沉箱加注压仓水至沉箱吃水12m,增加稳定性 → 再次启动卷扬机， 将沉箱拖到存放场注水下沉存放。或将沉箱拉至定位方驳旁后，改挂拖轮拖缆，将沉箱拖运到安装现场进行安装。3.5.2存放场存放沉箱出坞后，在未具备安装条件时无法直接拖运安装， 为避免影响沉箱预制和出运，在下潜区与定位驳之间设置存放场，用于暂时存放沉箱，存放场底抛砂以隔开淤泥。当沉箱被拉至存放场预定位置时，沉箱平衡注水下沉 使其着底，并继续注水至仓内水位高达到前仓：10m,中 仓：12m, 后仓：13m, 确保沉箱在潮沙处于高位时不至于 上浮漂走。
图 4沉箱出坞示意图
4沉 箱 的 浮 游 拖 运4.1潮 位 、 时 间 选 择( 1 ) 根 据 沉 箱 浮 游 稳 定 计 算 、 南 沙 水 城 现 场 情 况 ， 确 定 沉 箱 浮 游 施 运 时 的 吃 水 深 度 为 1 2m, 所 以 沉 箱 拖 运 时 ， 其 拖 运 路 线 的 水 深 必 须 满 足 ： ≥ 1 2m 。施 工 水 城 范 圈 满 足 此 条 件 时 的 潮 沙 水 位 的 为 + 1 . 8m:(2)沉箱浮游拖运时间选择在涨潮、接近平潮时进行， 这时潮水流速较慢，拖轮拖带沉箱到达预定位置时处于进水流方向，利于控制。( 3 ) 结 合 施 工 实 际 情 况 ， 拖 运 时 间 选 择 在 潮 沙 水 位 1.8~1.9m 之 间 ， 海 面 浪 高 低 于 0 . 5m,风 力 小 于 4 级 的 海 况下进行。4.2沉 箱 抽 水 起 浮存放于存放场的沉输，拖运前必须抽水起浮，沉箱抽 水前事先用钢丝绳或缆绳与附近沉箱或定位驳船相连，防 止起浮后漂走。沉辅抽水起浮要按浮游稳定性计算书上的要求，结合出坞时的情况，控制好沉箱各仓水位高差，使起浮时接近平衡稳定状态 。 抽水过程不断检查并及时调整水位高差 ， 尽量避免大的弹起现象发生。4.3 沉箱淳游拖运沉辅起浮后，拖轮拖缆与沉辅挂接，解开沉箱与附近 连接的钢丝绳或缆绳，即可开始拖运。拖运时测量船在拖 轮前方测量水深并导航，发现浅点及时通知拖轮绕开，避 免 沉 箱 搁 浅 。 同 时 拖 轮 上 用 GPS导 航 仪 记 录 下 其 经 过 路线，作为下次拖运时参考。4.4沉 箱 停 靠当特安装沉箱未具备安装条件，浮游拖运的沉箱必须 暂时停靠于码头前沿，等候安装。沉箱拖至安装区域附近 后，拖轮慢车前进，将系在已安沉箱的缆绳，与挂在待安 沉箱上钢丝绳连接；再将卷扬机钢丝绳绕过最下游 一 个已 安装沉箱角上的滑轮，先后分别与挂在待安装沉箱上两角 上的钢丝绳连接，拖轮解缆并腐开，启动卷扬机缓慢将沉 箱拉至码关前沿后停靠(见四5)。
5沉 箱 安 装图 5沉 箱 停 靠 示 意 图第 一 件沉箱属于粗安装，误差较大，待第二个沉箱安
5.1沉 箱 粗 安 装第一件沉箱的安装 ， 因周围并没有任何辅助物 ， 故只 能进行粗安装，目的是为以后的精确安装创造条件，是整 个工程沉箱安装的关键。粗安装利用“四航南沙”号浮船鸠进行安装，首先在安 装 区 域 附 近 约 5 0m处 开 挖 一 个 下 潜 坑 ， 供 “ 四 航 南 沙 ”号浮船坞下潜，以便第 一 个沉箱出坞和移动安装。浮船坞下潜后沉箱出坞，并在坞口处按稳定性要求向 沉箱各隔仓注水，使沉箱平衡并具有稳定吃水深度；“四航 南沙”号浮船坞起浮后，从坞口两边缆桩处各引 一 缆绳将 沉箱固定于坞口，移动“四航南沙”号浮船坞并带动沉箱 至安装位置就位，继续向沉箱各隔仓注水使其平衡下沉并 安放于基床上。装后，再抽水、起浮重新进行安装。5.2第二个沉箱以后的安装该工程沉箱安装方向为从上游往下游进行。潮位选择 在退潮、已安装沉箱露出水面时开始。安装时，将停挂于码头前沿的沉箱上游系缆解开，使沉箱随水流方向缓慢往下深游，并用小船协助顶推沉箱，使沉箱到达已安装沉箱的下游侧，此过程中让沉箱握转180”掉头，同时启动卷扬机逐步将待安装沉箱拉到安装位置，启动水泵或开启注水阀，向沉箱灌水，平衡下沉，沉箱下降到适当高度后，挂上四个手动葫芦(其中两个平行安装方向 ， 另两个交叉 ，见 图 6 ) , 根 据 接 缝 缝 宽 要 求 ， 在 沉 箱 接 缝 处 安 放 调 节 缝 宽 用 的 木 板 ( 枋),控制卷扬机、拉动手动葫芦，对沉箱进行 粗定位，沉箱继续注水下沉。当沉箱下沉至底面与基床面距离0 . 3～0 . 5m时 ， 沉 箱
已安装沉籍卷扬机及其平台正在安装沉箱
图 6第二种安装工艺安装示意图
测量沉箱四个角的偏位、标高，根据测量结果.调益沉箱 使其上下游标高接近或 一 致，前后坡度与签床倒坡读度链近 或 一 致；安装过程必须注意沉箱偏位、与已姿袅沉箱的错牙， 沉箱接逢的变化情况，并操作手泣前芦不断进行调整，使其在规范范围之内，最后使沉箱按要求坐落于基床上。沉箱坐落于基床面上后，继续注水并不断测量观察沉箱 动态，调整各仓注水速度，使沉箱不至于在注水过程中偏位。 当沉箱注水至通过沉箱隔墙预留连通孔连通后，再次测量沉箱偏位情况，当符合规范要求时，向沉箱注水到和潮水潮位一 致，沉箱安装结束。若测量结果不符合规范要求时，则沉箱必须抽水上浮，重新进行安装。6安装体会6.1沉箱注水及其平衡(1)由于沉箱预制存在误差，沉箱按稳定性计算要求进行加水后，必须根据实际情况进行调整。当需要减少压仓水时，不宜抽中仓水，应该根据实际情 况抽前仓或后仓的压仓水；当需要增加压仓水时，应以增加 中仓压仓水为原则，调整过程抽灌水应以少量、缓慢为原则， 避免过快造成沉箱突然向某一方向倾斜，发生危险。(2)沉箱出坞时由于受牵引钢丝绳的拉力及海潮影响， 沉箱向受力方向倾斜，所以沉箱出坞时的牵引控制必须缓慢进行。6.2牵引缆蝇在沉箱上因定方式沉箱出坞或拖运时，沉箱上用于与牵引缆绳的连接采用 两种形式，围缆形式和拉杆形式。围缆形式是用缆绳围绕沉箱后引出绳头，与卷扬机牵引 钢丝绳(或拖轮拖缆)连接，在沉箱随浮船坞下潜过程中，需 用人工不断提高缆绳位置，最后达到牵引高度位置，其过程烦唢，劳动强没高；由于缆绳与沉箱直接接触发生磨损，在出 坞和浮游拖运过程中容易断缆，有在安全问题。拉杆形式是在预留于沉箱牵引方向合适高度的孔上分 别安装上2根拉杆，并用卡环接上钢丝绳。卷扬机钢丝绳或 拖轮拖缆与其连接 ， 避免了缆绳与沉箱直接接触产生的磨 损，也减轻了劳动强度。实际应用中证明了拉杆形式比围缆形式更优越、有效。6.3 沉箱出坞牵引方式的比较沉箱出坞牵引方式采用过两种牵引方式：拖轮拖带牵引方式和卷扬机牵引方式。拖轮拖带时，沉箱受力、沉箱将向受力方向倾斜，由于拖 轮推进器将水推向沉箱吃水部分，将造成沉箱倾斜加大和卡 潜现象，影响沉箱出坞；而由于沉箱连接于浮船坞上的缆绳 只能慢慢溜放，与拖轮速度难以协调，造成抱轮左右摆动，控 制相对困难，并使沉箱随拖轮偏摆，影响沉箱顺利出坞。实 践证明拖轮拖带方式难以满足沉箱出坞要求。经过改进，利用安装于定位方驳上的2台卷扬机取代拖 轮拖带牵引方案，牵引缆绳采用交叉缆方式，其优点是可通 过卷扬机的有效控制，减少沉箱倾料和偏摆现象，使沉箱出 坞得以顺利进行 。6.4 沉箱注水方式比较沉箱注水方式先后采用了潜水泵注水和注水阀门注水方式。潜水泵注水缺点是安装潜水泵数量多，准备工作时间长，注水速度慢，同时需要消耗电力，增加操作人员劳动强度，潜水泵发生故障时必须更换等。优点是可以集中控制， 对沉箱调整平衡有利。注水阀门注水方式优点是减少了潜水系安装数量和准备工作时间、注水速度快、不需要消耗电力等优点。但需要人力根据需要操纵注水闽、对沉箱平衡调节不利。两种方式比较，注水阀门注水方式比潜水泵注水方式较 有利 。
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