高压气囊工艺在沉箱码头施工中的应用
高压气囊顶升、拖运巨型沉箱工艺与传统的千斤顶、台车工艺相比，在工艺设备、经济成本、施工技术等方 面具有较大的优越性；在自身浮游不稳定、吃水深度较大的巨型沉箱中的应用，更是扩大了气囊的应用范围，解决了浮船 坞下潜深度不足的难题。关键词：高压气囊；顶升；拖运；助浮
Abstract: Comparing with traditional lifting jack and trolley technology,the technology for caisson lifting up and transportation by high-pressure gasbag has great advantages in equipment,cost and construction technique.The application of high-pressure gasbag for caisson construction, which is characterized by unstable floatation andgreater draft has extended the application scope of gasbags,and solved the dificulty of insufficient submerging depth of floating buoy.Key words: high-pressure gasbag;lifting-up;transport;floatation-promotion
随着我国港口建设事业的发展，深水泊位的建设越来越多。在深水泊位码头的建设中，巨型沉箱工艺，因其水下工作量少， 一次性出水，施工速度快，码头的整体稳定性好等优点，在重力式码头中，往往被优先考虑采用"。目前国内预制沉箱的重量从几百吨逐渐向大型化发展至数千吨。 但沉箱重量的提高对其顶升、出运及安装造成了 一定的困难，原来的千斤顶顶升和滑车拖运工艺已不是最经济适用的方法。采用气囊顶升、拖运、助浮巨型沉箱的施工工艺，值得推广和应用。
1工程概况龙口港东港区通用泊位工程，共有沉箱23个，分为23段(19个沉箱标准段，2个沉箱过渡段，2个沉箱翼墙段)。每个标准段长为14.5m, 需要安装1°沉箱21 个，2°、3"沉箱各1个，尺寸为14.44m×15.7m×16.4m,单个沉箱质量为1777t。
2 工艺结构要求2.1高压气囊自身的结构特点气囊柔软、韧性高、抗压、抗磨、耐腐蚀。多功能高强度橡胶气囊因其良好的承重、承压性能，且价格低，已越来越广泛地应用于工程建设和船舶制造、打捞等领域。起重气囊具有巨大的举升能力，目前国内某公司生产的单条气囊的举升力可达30000kN, 其工作压力达到1.2 MPa。
搬运气囊具有相当的承载力和较小的滚动阻力， 多条气囊组合可以搬运数万吨的重物，在工程建设中可广泛应用于大型混凝土预制件(如沉箱、 箱涵、桥梁等)。助浮气囊在不充气时体积小、重量轻，比浮力(浮力/自重)大，便于水上、水下操作，尤其在深水作业时不必像浮筒一样考虑水下抗压强度叫表1 3种气囊类型比较
类别直径/m长度/m工作压力/MPa应用实例
顶升气囊0.6~31~400.2-1.2沉箱顶升，船能 落墩
滚动、搬
沉箱出运、轮船
运气囊0.6~1.81~400.05~0.5上排下水
助浮气囊0.6~4任意0.05-0.3沉箱助浮、沉船 打捞
2.2 对沉箱和地坪的要求采用高压气囊顶升和拖运沉箱时，应首先根据 沉箱的重量(顶升时应考虑地坪对沉箱的粘结 力)、囊径和气囊的工作压力，计算出所需的气囊 数量。本工程所采用的顶升、拖运气囊的囊径为 1000mm, 顶升气囊的总长度为15.5m;拖运气囊 的囊径为1000mm, 顶升气囊的总长度为15.5m;拖运气囊的总长度为16.7m, 气囊的正常工作压力 为0.2~0.4MPa(顶升气囊的正常工作压力为0.3~0.7MPa), 沉箱的重量为17770kN。顶升时，根据 施工经验，沉箱对预制场地地坪的粘结力约为沉箱 自重的17%,则顶起沉箱的顶升力G为20790kN。气囊的计算公式为：承载面宽： B=3.14(D-H)/2:承载面积： S=BL=3.14(D-H)L₀/2;单根气囊的承载力：F=SP=3.14(D-H)L₀P2;所需气囊的总长度： Lg=GLJF=2G/3.14(D-H)P]; 所需气囊的根数； N=Lg/Lm;式中：L为气囊的承载面长度； P 为气囊内工作 压 力 ；G 为沉箱重量； H 为气囊的工作高度；D 为气囊直径。根据公式并结合实际场地情况和 可操作性，可推算出需顶升气囊3根、拖运气 囊6根。因气囊与沉箱和地面的接触面积大，最 大作工压力仅为0.7MPa, 且为柔性接触，因此对 地坪的平整度和强度要求不高，地坪结构设计为300mm 厚的二片石垫层和150mm 厚的 C20 砼 ， 要求地坪的承载能力不小于200kN/m²。但考虑到对气囊的保护作用，在沉箱预制时最好将沉箱底面4周设倒角，以延长气囊的使用寿命。与台车拖运沉箱工艺所不同，气囊顶升工艺需要在预制场地坪上预先布设3条纵向的管沟， 管沟深度主要由盖板厚度和垫木厚度决定。管沟宽度主要由气囊囊径决定。本工程盖板厚度250mm、 垫木厚度200mm;考虑气囊穿越及顶起后放置垫木，管沟深度必须留出一定的富裕量，故管沟深度设计为450mm。 因气囊囊径 d=1000mm;气囊宽度为b=1.57m,考虑气囊穿越宽度富裕量， 管沟宽度设计为1.6m。管沟基础稍做加固处理， 要求承载力不小于300kN/m²。管沟盖板尺寸为1.8m×1.5m×0.25m,采用C25 的钢筋混凝土结构。 顶升前要对气囊管沟进行彻底的清理，以防废钢筋头等尖锐物对气囊造成损害，在顶升后、拖运前亦要检查沉箱底面是否平整；是否存在因漏浆造成的尖锐突起；以及管沟盖板顶面的平整情况， 若存在对气囊有损害的物体，必须进行彻底清除， 以免损害气囊，造成安全事故。
3工艺设备要求1)采用高压气囊施工工艺在短距离运输操作 时，因其重量轻，不需要配备专门的吊运和搬运 设备，仅靠现场的塔吊和小型机械及操作人员就 可完成：2)与台车拖运沉箱工艺不同的是需在施工现 场配备充气设备和气囊设备。充气设备包括6m³空压机1台、1m³储气罐1个、φ90mm 充气管200m、φ90mm 的三通5个、截止阀5个、快速接头及压力表等；气囊设备包括顶升气囊3条、 滚动气囊13条。3)其它与台车拖运沉箱工艺相同的设备有： 8t卷扬机6台、200kW发电机1组、五五滑轮组6组、对讲机和测量仪器等。4 劳动力组织因气囊体积相对较大，在搬运时需多人配合 操作才能完成，特别是沉箱拖运时，需要频繁地移动气囊，另外加上充气人员、卷扬机操作人员、 指挥人员等共需约30人才能完成。因此与台车工 艺相比操作人员相对较多，施工组织管理强度较 大。在沉箱出运、安装前需要有明确的分工。
5工艺技术和经济分析5.1技术指标根据本工程沉箱的重量及尺寸，采用气囊直 径1000mm,顶升气囊长度15.5 m (有效长度 14.44m),拖运气囊长度16.7m(有效长度15.7m)。采用气囊顶升时，需预先在地坪内做好穿顶 升气囊的砼管沟，此管沟必须满足抗压要求。根 据本工程的沉箱重量(17770kN),采用3条顶升 气囊，气囊的设计工作压力为0.7MPa,当顶升沉 箱450 mm 高时(包括气囊管沟高度200mm),气 囊受压面宽度0.86m,理论计算压力为0.55MPa,实际顶升时气压在0.56~0.57 MPa之间，与理论值 基本吻合。拖运时采用6条气囊，沉箱离地坪高度0.4m,气囊受压面宽0.942m,理论计算拖运沉箱时气囊 压力为0.2 MPa。5.2 费用分析根据理论计算得知，地坪地基只需稍加处理即可，铺筑碾压块石垫层(30cm)的费用6.3万元， C20砼地坪(15cm 厚)的费用19.44万元； C25钢筋砼气囊管沟盖板预制安装的费用4.03万元； 3条顶升气囊加10条拖运气囊的费用30.0万元； 充气设备及管路的费用2.0万元；以上5项费用合计为61.77万元，比采用台车工艺成本降低约44.1万元。
6 采用气囊顶升、拖运工艺的优缺点6.1优点沉箱的重力通过气囊这一柔性接触物传递给 地坪，气囊对沉箱、地坪的作用力扩散比较均匀， 对沉箱的保护比较有利，同时对地坪、地基的强 度要求也不高，操作灵活，便于施工，投入的施 工成本和维护保养费用比使用拖车低得多。6.2 缺点需反复给气囊充放气，拖运速度比拖车工艺慢。7 气囊顶升、拖运沉箱操作要点7.1 顶升气囊在使用前要进行充气压力试验，试验合 格后将顶升气囊穿入气囊管沟，将其摆放平整， 气囊两侧间隙均匀，同时在气囊端头与管沟盖板 接触处摆放橡胶防护垫。用橡胶软管将送气主管 道与顶升气囊通过阀门连接，同时确保送气管路畅通且充气气压在0.3~0.7 MPa之间。气囊充气时要循序渐进，注意3条气囊的气压均衡，气囊气压 达到0.42MPa(此时气囊高度为250mm) 时，要 缓慢充气并注意观察沉箱是否脱离地面，当沉箱 离开地坪面约225mm 时在预定位置摆放好垫木， 将3条气囊同时缓慢放气，直至沟盖板落入原来的 管沟平台上后抽出顶升气囊，气囊顶升工序完成。7.2拖运7.2.1 拖运前的准备工作在顶升气囊抽出后应检查沉箱底部是否存 在影响气囊拖运的障碍物。在沉箱距离底部约 1m 处，捆绑与牵引力相匹配的钢丝绳，并保证 每条钢丝绳绕沉箱1.75圈，以保证沉箱在拖运过 程中能平稳前进，沉箱上钢丝绳的4个头分别与4个滑轮组的动滑轮相连接，滑轮组的定滑轮与地 锚相连接，开启牵引和制动卷扬机使钢丝绳稍稍 拉紧。按预定位置将6条拖运气囊穿入沉箱底部， 同时在沉箱运移的前方分别按照一定的间距(约2m) 各摆放4~8条相同规格的接应气囊。给沉箱 下面的6条气囊同时充气，充气时要注意各条气囊的气压均衡，当气囊内压力达到0.20 MPa时(此时沉箱底离地坪面400 mm), 撤除原支垫沉箱 的垫木。7.2.2沉箱的拖运先开动制动卷扬机放松牵制钢丝绳，再开动牵引卷扬机，要注意各卷扬机同步、协调一致，并 控制沉箱的拖运速度。沉箱最后端的滚动气囊在 临近沉箱边缘1m 左右时要迅速放气，严禁气囊 带气压蹦出。沉箱前面临近沉箱底部的气囊要迅 速充气，当气囊完全滚动到沉箱底部时，该气囊 应达到与其它气囊相同的气压(0.20 MPa)。将沉 箱后面的气囊搬到前面并按规定位置摆放。拖运随着深水泊位的发展，预制沉箱的高度越来 越高，这样就势必增大了沉箱出运的难度，有时 是坞口或航道水深不能满足沉箱吃水要求，有时 是浮船坞或半潜驳的下潜深度不能满足要求。此 时，必须考虑沉箱的助浮，以减小沉箱的吃水深 度，满足出运要求。8.1 工艺技术分析因现有浮船坞最大下潜深度为13.8m, 而无助浮气囊沉箱达到浮游稳定时的吃水为10.243m, 另加上浮船坞型深(3.8m)及沉箱垫木(20cm), 需浮船坞下潜14.243m,故需采用助浮，使浮船 坞下潜深度控制在13.8m 内。具体做法是在沉箱 第2层墙顶位置(距离沉箱底5.4m处),利用原有砼分层浇注支模时的预埋圆台螺母，重新加工 带有螺栓的拉环(单个拉环的容许拉应力为40kN), 将拉环分别固定在沉箱四周的圆台螺母里，助浮气囊的半径R=1.25m 、有效长度L=10m, 气囊允许最大压力为0.2MPa,工作压力为0.11 MPa,每条气囊在海水中所受到的浮力为560.25 kN,4 条气囊共受浮力为2241kN。 增加4条助浮气囊后， 沉箱达到浮游稳定时的吃水为9.375 m,需浮船坞下潜13.375m, 满足要求。每条气囊采用8条绑带固定在沉箱壁的16个拉环上，每条绑带可承受 80kN 的拉力，具体施工时，用3条绑带将自质量 约2000kg 的气囊通过塔吊安装在预定位置，将 气囊摆放平整，用充气装置给气囊充气，待气囊 内压力达到0.11 MPa时停止充气，检查气囊的固 定和连接装置牢固可靠后，准备出运沉箱工作。8.2采用气囊助浮与钢浮筒助浮沉箱出运的优缺点比较气囊质量小，单条气囊质量只有2t, 便于安 装和拆卸，利用现有的行走塔吊或浮船坞上的吊 机就能完成，而钢浮筒质量大，要达到与气囊相 同的助浮效果，单个质量在10t 以上， 一般吊机 难以完成，特别是水下的拆除难度更加大。气囊无须单独预埋固定铁件，直接利用支设 模板用的预埋圆台螺母即可，方便、快捷，而钢 浮筒需单独预埋铁件，施工难度大大增加。气囊助浮只需利用阀门进行充放气操作，操 作方便，安全性高，而钢浮筒需增加进、排水系 统和外部电源，操作复杂，施工难度大。
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