两种不同沉箱出运工艺的特点分析
摘要 ： 气囊出运和胶囊台车出运为两种比较常见的沉箱出运方式，在工艺流程方面都有各自的特点，文章从沉 箱出运的安全性、施工效率、智能性和经济性等几个方面进行两种工艺的对比分析，总结两种不同出运工艺的特点，为 今后类似工程沉箱出运方面的工艺选择提供更为科学的理论依据。关键词 ：沉箱出运；气囊；胶囊台车
烟台港西港区地理位置优越，水深域阔，最大水深达到-28m, 是中国北方沿海为数不多的适宜建设大型深水码头的港址。港区经过十几年的发展建有多座大型化码头以满足各种船舶停泊需求。码头建设所需的沉箱预制场从建港以来，预制了大大小小上百个沉箱，沉箱形式各种各样， 沉箱重量也从几百吨到上万吨不等，沉箱出运主要采用了气囊出运和胶囊台车出运两种方式。气囊出运属于传统工艺， 工艺成熟、可控性好，大部分沉箱出运可采用此法，但随着国内大型泊位的建设，沉箱规格大、数量多的码头在施工能力允许时，多采用胶囊台车出运。如果再考虑其安全性、 经济性、施工工效等方面，在选择出运工艺时难以抉择，本文在综合大量沉箱出运工艺特点的基础上，总结出两种不同工艺的特点，为沉箱出运工艺选择提供了一定的理论依据。1 沉箱出运工艺流程简介1.1 气囊出运沉箱气囊出运沉箱的工作原理与滚轮搬运物体的原理基本相同，是在沉箱下面放置可充气的圆形胶囊作为滚轮，通过空压机充气加压顶升沉箱，再利用卷扬机提供的牵引力， 使气囊沿既定路线滚动，从而达到搬运沉箱的目的"。其主要工艺流程为：千斤顶顶升/掏出沉箱底部支垫间 填砂→穿插气囊→卷扬机就位→沉箱系牵引和后溜钢丝绳→启动卷扬机使前后钢丝绳处于受力状态→各气囊充气至 沉箱达到运行高度→横移沉箱至纵移轴线→横向气囊切换 纵向气囊→纵向移运至出运设备上。气囊出运沉箱如图1、2 所示。 图1 气囊出运沉箱 图2 气囊出运沉箱1.2 胶囊台车出运沉箱胶囊台车由多个台车单元组合而成，每个台车单元包 括安装在轨道上的基部车架，基部车架上安装的顶升承托箱 体，箱体内放置的顶升胶囊以及安装在顶升承托箱体上方并 可由顶升胶囊托举的沉箱托举板。顶升承托箱体上设置有管 道，管道与箱体内部的顶升胶囊的管道口相连通，通过向胶 囊注水把水压力转化为顶升力实现顶升沉箱的目的。其主要工艺流程为：胶囊台车组装、就位→胶囊注水 顶升沉箱→移动支撑滑块→胶囊放水沉箱回落支撑块上→ 移运沉箱至出运设备上。胶囊台车出运沉箱如图3、4所示。图3 胶囊台车出运沉箱 图4 胶囊台车出运沉箱2两种出运工艺的特点分析气囊出运和胶囊台车出运在国内大小型项目上均有所 使用，各自都有优缺点，下面将两种不同的出运工艺从安全 性、施工效率、智能性和经济性等方面进行对比分析，为类 似工程沉箱出运的工艺选择提供参照。2.1 安全性2.1.1 气囊出运(1)气囊出运缺点是需要反复给气囊充放气，气囊易磨损和老化，因此每次使用前需要找专门机构进行重新标定、 查看是否有损伤、漏气等现象，并作无载试验。(2)气囊工作压力一般为0.3~0.7MPa,压力较大易造 成气嘴脱丝弹出、爆囊、漏气现象，给出运工作带来较大的 安全隐患，因此在施工过程中要反复监测气囊孔口的压力表 数值。(3)使用的配套设备设施较多(空压机、地牛、卷扬机、 滑轮组、大顶升、钢丝绳、卡环等),任何设施设备的故障都易造成较大的安全隐患，因此监测工作量较大。(4)所有的计算数据需要重新核算安全系数。每次沉箱 出运前都需要根据沉箱重量、气囊工作压力等推算需要顶升 的气囊数量；核算卷扬机、地牛、钢丝绳牵引力，不满足受 力要求时，需要及时更换适合的配套设备；另外还需要核算 沉箱行走需要的气囊数量、行走轨迹等。(5)出运工序繁杂，涉及协同作业的工种较多，交叉作 业存在各类安全隐患。2.1.2 胶囊台车出运(1)胶囊台车在使用前需要试车，调试台车有无卡顿等 机械故障、台车的油路是否漏油、夹轨器是否正常工作， 如果在出运过程中出现故障，会给沉箱出运带来极高的安全隐患。(2)台车自身可提供牵引力、反向制动力从而不用专门 的卷扬机、地牛等设施，沉箱出运的工序少，存在的安全风 险因素少。(3)胶囊顶升系统仅在顶升沉箱时发挥作用，在沉箱移 运过程中由台车支撑垫块承重，因此出运过程更加安全，不 会发生因胶囊破损而造成的事故。而且采用垛口型滑动垫块 支撑结构，实现了上部荷载在胶囊与垫块之间的交替转移， 保证了沉箱运移过程的稳定性和安全性。虽然在出运工程中极少出现爆囊现象，但是一旦出现 就会产生很大的安全隐患，综合比较气囊出运涉及的工序较 多，工器具使用频繁，易造成的安全事故多，从安全性的角 度看，胶囊台车比气囊在沉箱出运方面的安全性高一些。通 过沉箱出运的实际情况，当单个沉箱重量超过5000时，气 囊出运的安全隐患比胶囊台车出运明显增多。2.2 施工效率2.2.1气囊出运(1)沉箱出运时气囊需要循环进行充、放气、前移等工作， 一旦工序衔接不顺利会中断前移。出运过程中沉箱运移 易偏位，为保证直线行进，还会通过调整牵引卷扬机拉力调 整行进方向，所以实际移动速度大约为1m/min 左右。(2)出运前期需要做大量准备工作，出运过程工序繁多， 工序越多出现故障的概率越大，影响因素过多大大降低了整 个出运流程的效率。2.2.2胶囊台车出运(1)沉箱一次顶升起来后即可沿着轨道移动到出运口， 干扰因素相对较少，沉箱移动速度大约为1.5~2 m/min。(2)沉箱出运前合理安排施工工序可提前在场地组装台 车，基本不影响沉箱的施工。(3)胶囊台车技术先进，自动化程度较高，必须由专业 人员进行技术指导，出运过程中一旦出现设备故障问题需要 维修的时间过长，严重时会对工期产生不利影响。总体来说胶囊台车的施工效率要高于气囊，气囊出运 前期准备的工作量大，工序衔接紧密，需要凭借高效组织力 和工人熟练度来弥补工艺上的施工效率缺陷，而胶囊台车的 整个施工过程都易操作，但受其专业性的限制一旦出现严重 故障，会对整个出运流程乃至工期造成影响，风险偏大。
2.3智能性2.3.1 气囊出运(1)沉箱的顶升、行进、路线调整都是由人工控制。顶升需要人工监测压力表进行数据采集，观测不连续且作业风 险高；沉箱的行进依靠前方卷扬机组牵引同时与溜尾卷扬机 拉拽相互配合完成，保持溜尾钢丝绳既不与牵引钢丝绳抗 衡，又能限制沉箱前倾，完全由人工进行操作；行进路线的 调整也由人工操作卷扬机进行。(2)近年在智能化发展方面，开发了气囊气压无线监测 报警系统，通过无线接收器采集数据并进行计算机分析，实 现气囊气压实时监控、超压报警等功能，提高气囊出运的智 能化水平的同时也增加了安全性，但其他流程方面的智能化 水平仍然较低，部分工艺暂无法采用智能化手段，二次开发 利用价值偏低。2.3.2胶囊台车出运(1)在移动控制车内集中控制沉箱的顶升、运移和上船 三项连续作业，实现了出运的机械化和自动化。(2)胶囊台车优化了沉箱的顶升及行进方式、数字化监 测等，后期可通过利用自动化仪表技术、通信技术和计算机 技术，通过无线压力传感器实时发射数据、无线网关接收数 据、计算机软件采集数据分析，实现实时监控记录数据、超 压报警、数据导出等功能。依靠自动定位系统控制行进速率， 通过无线传感器自动获取沉箱的离地高度，实时采集数据， 自动矫正不均匀升降等，大大提高其智能性。目前台车还处 于初期研发阶段，各种性能还有待进一步提高。(3)开发自动报警系统。将关键性的控制指标设置安全 偏离值， 一旦出现数据超过偏离值，系统自动报警并停止工 作，待消除隐患后再继续进行下道工序，可大大提高安全系
数，二次开发利用价值高。智能性方面，台车的部分设计理念其实就是根据气囊出运原理利用数控化手段进行整合研发而成的。台车的设计理念为二次开发提供了可用的平台，顶升方式、液压方式、 充气胶囊等都是可不断升级进行性能优化的。2.4 场地要求2.4.1 气囊出运(1)气囊出运对场地的地面要求比较严格，因地面高差、尖锐硬物都会对气囊造成严重影响，所以在沉箱预制 时就需要对场地进行平整，沉箱出运前需要再次清理通道上 的一切尖锐物、石头及障碍物，并对场地进行平整，平整度 达到±2cm。(2)涉及纵横向转向时，在平路转斜坡交接处设圆角位， 以便气囊运行中圆滑过渡，并对过渡段坡度与地牛牵引力有严格要求。(3)气囊对沉箱和地坪的作用力扩散比较均匀，有利于 保护沉箱，对地基承载力要求较低，场地适应性好。2.4.2 胶囊台车出运(1)胶囊台车通过两条轨道将沉箱荷载传递到地面，作 用力较集中，在实际移运过程中，易出现由于运行基础的沉 降等因素造成轨道高低不平，高差过大导致台车车轮受力过 大出现破坏，因此对钢轨下方的地基承载力有严格要求。(2)每条生产线必须有两条轨道，限制了沉箱的预制只 能在有轨道的生产线上进行。也就是只能横向移动，无法纵向移动，所以在场地建设时，应明确轨道与出运口的位置， 使沉箱通过轨道直接运到出运设备上。如果场地大，但出运口只有一个，可合理布局场地建设，通过切换有轨和无轨的出运方式完成出运工作。(3)采用专用的夹轨器顶推，且具有止退自锁功能，不 需要卷扬机等外部牵引装置，也就不需要在场地周围埋设专 用地牛。气囊出运工艺对场地要求主要是因为气囊易爆的特点 而对场地提出的各项要求，作用力扩散比较均匀，场地适 应性较好；胶囊台车因其专用性，需要对轨道地基进行专 门处理，铺设专用轨道等，在前期场地改造方面需要做大 量工作。但台车本身的智能型开发，基本不需要配套设施 进行辅助施工。2.5 经济性2.5.1气囊出运(1)气囊出运工艺流程烦琐，配合使用的吊车、装载机、 钢丝绳等工器具较多，需要投入大量的人力、物力进行操作，且其施工效率低，出运所占的工期长，施工成本增加。(2)气囊对场地适应性好，承载力要求低，场地建设费 用低，采用的设备设施都是常规的，使用费及后期的维护保 养费用较低。2.5.2胶囊台车出运(1)台车出运优化了工艺流程，节省大量人力、物力， 但因设备专用性以及沉箱荷载对地基的高要求，前期的场地建设费造价高。另外，台车设备属于专利产品，租赁使用费及维护保养费用高。(2)台车出运施工效率高，节约了分项工程的施工时 间，缩短了整体项目的工期，因此对整个项目的施工成本 控制起到了一定作用。3结语气囊出运为传统工艺，工艺发展较成熟、有完善的管 理制度、经验。沉箱出运虽然存在很多安全风险，但是场地 适应性好，对地基承载力要求低，施工成本相对较低，因此 应用广泛。但受气囊顶升力的限制，顶升的沉箱重量不宜过 大， 一般不超过6000t,超过后沉箱的稳定性降低，因此气 囊出运一般用于小型工程或者沉箱数量少、重量轻、场地条 件差的工程。胶囊台车出运为近几年随着国内大型沉箱的出现应运 而生，其安全性高，工艺流程简单、智能化水平高。因其设 备本身昂贵，且场地建设费用高， 一般多用于沉箱数量较 多、重量较大的大型工程的沉箱出运中。设备性能仍需不 断完善，减少故障率，提高出运效率，并进一步开发新工艺 降低成本。
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