高压气囊搬运大型沉箱技术
摘要：高压气囊及半潜驳搬运大型沉箱突破了大型重力式沉箱码头工程施工的技术瓶颈，为远离港工专业预制厂的地区建 造大型沉箱码头创造了必要的技术条件，是港口工程建设的一大技术进步。就多个重力式沉箱码头工程采用高压气囊搬运大 型沉箱技术进行了简要的总结。关键词：高压气囊：沉箱搬运：技术研究目前我国港口重力式码头的单个沉箱重量已超过1000t 甚至在2000t以上。采用传统的预制、出运、 安装工艺受到投资成本、工期、场地条件等多方面的制约。为突破大型沉箱陆上运输的技术瓶颈，寻求科学、经济的技术工艺，中港第三航务工程局近年来对高压气囊(下简称气囊)搬运大型沉箱技术进行了重点的应用研究。至今已通过在多个工程项目应用实践，技术上日趋成熟与完善，搬运的沉箱最重达2000t 以上，搬运沉箱个数已达1206个(次),移动行程约44360 m, 形成了一套比较完整的、适应于多种规格沉箱和重型构件出运的气囊搬运技术。1 气囊搬运技术的内容气囊搬运技术的主要内容包括：气囊的性能、气囊的承载力、沉箱预制场的平面布置、沉箱搬运牵引 和充气系统、搬运的技术工艺、沉箱预制底模、堆场和运输通道、上驳工艺、经济效益分析及推广应用价 值评估等。到目前国内气囊搬运大型沉箱技术并无相关的技术规程和质量标准，国外也未见有此技术应用的公开报道。为此，我们应用研究的技术线路和目标为：气囊搬运技术的适用性，即该技术要适用于200～3000t 的沉箱或其他重型构件的施工，必须满足现场预制场的场地条件；确定气囊搬运技术的工艺设计和主要参数：制定技术规程和安全事项；研究并设计与气囊搬运技术相关的沉箱预制场平面布置、预制沉箱的底模、 通道、堆场、供气系统、牵引系统、移动速度、沉箱上驳的码头设施、半潜驳的改造等。2 技术工艺简介气囊搬运沉箱的工作原理是在需要移动的大型沉箱或重件下面，放置经计算后确定的若干个圆柱型的 气囊，气囊通过供气系统充气后将沉箱顶升，开启牵引系统，气囊滚动使沉箱实现水平移动。2.1 气囊的结构型式气囊囊体骨架材料为锦纶帘子布，囊嘴为铝合金铸体。其结构如图1。 图1 气囊结构型式2.2 气囊的规格及其性能气囊的类别有中压气囊、高压气囊、超高压气囊三种。目前常见的气囊规格、性能见表1。2.3 气囊搬运大型沉箱工艺2.3.1 预制场平面布置采用气囊及半潜驳搬运大型沉箱工艺的预制场布置应根据提供的预制场地大小及施工进度要求，合理
布置沉箱预制底模、沉箱堆放场地、钢筋绑扎场地等，并配置相应的起重设备(用于钢筋模板及砼吊运), 以满足沉箱预制要求。同时，又须考虑如何将预制好的沉箱通过气囊搬运到堆放场和通过码头平移至半潜 驳上。为此，预制场的布置要根据气囊搬运的特点设置沉箱出运通道，以及相应的供气系统、牵引系统的 位置，以实现沉箱在规划的范围内水平移动。下图为汕头广澳港区一期码头水工工程的码头构件预制场的 平面布置图(见图2)。表1常见的气囊类别、规格及性能
类别
气囊直径Vm
气囊工作(允许) 压力/MPa
气囊实验压力 R/MPa每米气囊体承载力q/(RN·m¹)
工作高度(P为直径50%工作高度(H)为直径40%工作高度(H)为 直径30%
气囊超高压 囊高压0.8≤0.400.52251302352
1.0≤0.300.39236283330
1.2≤0.250.325236283330
1.5≤0.210.273247297346
0.8≤0.250.30157188218
1.0≤0.200.24157188220
1.2≤0.1660.20156188220
1.5≤0.1340.16158189220
巨电房
图2 汕头广澳港区一期码头水工工程预制场平面布置2.3.2 预制场地的地基处理要对预制场地的地基进行相应的处理，以满足承载力要求。沉箱的出运通道要求平整，承载能力要相 对均匀，且大于使用气囊工作压力的两倍以上，同时左右水平度、坡度均应满足要求。
2.3.3 沉箱预制底胎模沉箱预制底胎模应考虑到气囊能够放置到沉箱的底部，沉箱搬运时底胎模可拆除，实现沉箱的水平移 动。为此，沉箱的预制底胎模应设计为活动式结构。2.3.4气囊的选择及校核先根据沉箱的出运边宽选择单根气囊的长度，再确定出运(顶升)高度，由此计算出承载面积，并按 气囊的许用压力计算出气囊所需最短总长度，最后确定气囊根数及摆放位置。气囊承载面宽度B与气囊直径D和气囊工作高度H有关。气囊受压变形后，其截面可看作由直径为H的 2个半圆和长、宽分别为BH的方形组成，如图3示。
图3 受压气囊横截面1)气囊直径：选择气囊不仅要考虑安全可靠，同时也要考虑其经济性，气囊的直径愈大，价格愈高， 搬运沉箱的成本也高；反之，气囊的直径愈小，允许的气囊工作压力愈大，但对配套设施(如空压机、压 力表、充气管、连接件等)要求高，操作安全性低。 一般的重型构件可选用直径为800至1000 mm 的高压气囊。2)气囊工作高度：气囊的工作高度过高或过低均不利于沉箱的搬运。工作高度过高，搬运时沉箱稳 性差；工作高度过低时囊体容易损坏，影响了气囊的使用寿命，沉箱移动时所需的牵引力也较大。另外， 施工工艺要求气囊工作高度必须高于活动底模框架高度和垫木高度。综合考虑安全性和经济性， 一般选用 气囊工作高度 H=400mm 为宜。3)气囊长度：气囊长度的选择是根据气囊的承载面长度和气囊公称直径而定，气囊的承载面长度与 沉箱的底板尺寸有关。同时，应考虑气囊囊头伸出沉箱部分不宜过长， 一般伸出的长度略大于气囊直径即 可。气囊长度的计算公式为：L=L₀+2×0.866D (1)式中：L为气囊总长(m);L₀为气囊承载面长度(m);D为气囊公称直径(m)。
4)工作气囊中心距、净距：为操作方便和沉箱垫木施工的需要，各气囊间要有一定的距离。以直径D=1000mm气囊为例，其中心距、净距应满足：中心距：1.842m≤A≤3m,净距： S≥0.5。5)搬运沉箱所需滚动气囊数量：根据搬运的沉箱重量并考虑安全系数及气囊性能，即可计算出搬运
单个沉箱时所需气囊数量。计算公式如下： 式中：N为滚动气囊数量(条);K 为安全系数，K=1.2～1.3;G (kN/m):L₀ 为气囊承载面长度(m)。6)气囊工作压力的校核气囊工作时承受的最大工作控制压力可按下式计算：
(2)为沉箱重量(kN);q为每米气囊体承载力
(3)
式中： K 为安全系数， K=1.2～1.3;G 为沉箱重量(kN);N 为滚动的气囊数量(条);B 为承载面宽度(m),B=π(D-D/2;L₀ 为气囊承载面长度(m);D 为气囊公称直径(m);H 为气囊工作高度(m);P 为工作控制压 力(MPa)。计算得出的最大工作压力要小于气囊的容许压力。2.3.5 供气系统供气系统由空压机、供气管道、接头、阀门、压力表等组成。空压机的选用主要考虑气囊的总容量和 充气的时间以及压力要求等。此外，空气压缩机储气罐应安装可调节的限压阀：若需多个气囊同时充气时，应设置具有多管路接头的空气分配器。2.3.6 牵引系统牵引系统由地锚、卷扬机、滑轮组、固定架及钢丝绳等组成。牵引时由两台卷扬机通过滑轮组在沉箱 两侧同步进行，为确保沉箱移动过程的平稳、安全，在沉箱移动的反方向上用同样的牵引系统进行沉箱移 动保护(见图4)。
图4 转扬机牵引沉箱示意牵引系统中卷扬机的选用主要考虑沉箱的重量和移动的速度，同时，移动时应避免气囊冲击荷载。以 1000吨级的沉箱为例，牵引卷扬机可选用额定牵引力P=8t 、 平均绳速 V=9m/min的慢速卷扬机，通过 滑轮组实现沉箱搬运所需的牵引力。1)牵引力①横移时牵引力沉箱横移时无坡度、夹角，故牵引力为：F=KQgf+K₂QWT (4)式中：F 为搬运沉箱的牵引力(kN); Q 为沉箱自重(t);g 为重力加速度(m/s²),g=10m/s²;f 为气囊与地面的滚动摩擦系数，与地面情况和气囊的工作高度有关， 一般取 f=0.05;V 为沉箱移动速度(m/s);T 为起 动时间(从0至设计移动速度); B 为安全系数， =1 . 2～1 . 5,取k=1.2。②纵移时牵引力沉箱纵移时，由于坡度影响，故纵移牵引力为
F=±KQgsina+KQgfcosa+KOV /T当出运通道与钢丝绳夹角为β时，则纵向牵引力为：式中： a 为纵移出运通道倾角(°);β为出运通道与钢绳夹角(°)沉箱上坡时KQgsina 值为正，相反则为负。2)钢丝绳根据计算的牵引力、滑轮组倍率，计算卷扬机钢丝绳受力并选择所需的钢丝绳。 3)地锚地锚必须满足在最大牵引力的作用、并要有一定的安全储备要求(安全系数可取1.5~2.0)。2.3.7 沉箱出运码头沉箱出运码头的设计应考虑当地潮水的水位变化情况，出运码头的荷载受力分布大小、地基承载能力、 码头与半潜驳的对接方式等因素，并通过设计计算确定码头的型式、结构尺寸和标高。2.3.8沉箱上驳工艺当潮水上涨至能使半潜驳的异型船艉搭上出运码头的水位时(该水位称为上驳工作水位),将半潜驳 的异型船艉搭置在出运码头前沿的台口上，这时利用半潜驳上的牵引系统将已经用气囊滚至码头前沿的沉 箱牵引滚动上驳，通过调节半潜驳的压舱水，保持半潜驳的平衡度，并利用潮水上涨的浮托力使半潜驳离开出运码头。图5为福建厦门嵩屿电厂码头3号泊位2015t 沉箱上驳示意图。 图5厦门港嵩屿电厂码头3号泊位沉箱上驳工艺图3 气囊搬运技术的特点利用气囊搬运大型沉箱避免了传统施工工艺的不足，解决了在无大型专业沉箱预制厂条件下的重力式 码头工程施工的关键技术问题。该技术的创新点为：1)无需大型专业预制厂和大型起重设备，也无需占用较长的码头岸线。利用现场的预制场及简易的起 重设备和配套设施即可进行大型沉箱的预制，对堆放场地及运输通道的适应性强，工程成本低，工期也容 易得到保证。2)气囊的承载力大，耗能小。从表1可得：气囊承载力最大可达352kN/m, 且气囊是利用压缩空气作 为工作介质，消耗的能量低。3)易于操作，安全可靠。只需对气囊充气，顶升沉箱，开启牵引系统，即可实现沉箱的水平移动。4 结语1)综合多个工程项目的实践情况，高压气囊搬运沉箱技术的应用是非常成功的。该技术是一项技术 先进、经济实用的工程技术。解决了大型沉箱的陆上运输和上驳的技术难题。也为在现场建造大型沉箱预 制场扫除了关键的技术障碍，使远离大型港工预制厂的地区建造深水重力式码头的设想成为现实。2)从经济角度来看，采用高压气囊搬运大型沉箱技术可使重力式沉箱结构的码头建设成本大幅度降 低。从沉箱预制直到安装，其费用仅为其他方案的60%～85%。它的应用也大大降低了利用轨道平车运输沉 箱上船的技术难度和工程费用。3)根据该技术特点和经济成本方面的优势，可推广应用至码头工程的其他大型预制构件的搬运，以 及其他行业的重型构件、设备的陆上搬运或装驳。因此，高压气囊搬运大型沉箱技术具有很好的应用和发 展前景。
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