起重船助浮大型圆沉箱半潜驳出运工艺
以大连港蛤鱼湾港区30万吨级码头工程为实例，详细分析了半潜驳下潜区水深不满足沉箱浮游稳定要求的问 题解决方法，并与营口港30万吨级原油码头工程中的解决方法进行对比。实际施工结果表明，起重船助浮大型沉箱半潜驳出运工艺是切实可行的。该方法进一步完善了原有半潜驳出运沉箱工艺的不足，扩展了半潜驳出运沉箱工艺应用范围。关键词：大型圆沉箱；起重船助浮；半潜驳出运；浮游稳定Shippingoflarge-scale circularcassionby semi-submersiblebarge assistedby craneshipAbstract:Takingthe300000ton-classoilterminalengineeringofcatfishbayinDalianPortasanexample,this paper analyzes the solution for the problem that the largest depth of semi-submersible barge could not meet the requestoffloatingstabilityoflarge-scalecaisson.Acomparisonwiththemethodof300000ton-classoilterminal engineeringinYingkouportismade.Theresultshowsthatthetechnologyofsemi-submersiblebarge shipping large-scalecaissonassistedbycraneshipisfeasible.Thismethodisanimprovementofthe original shipping technology for the large-scale caisson and had broadened the appliance field of the semi-submersible barge
近10年我国北方港口采用半潜驳出运沉箱的 工程逐渐增多1-3。半潜驳在沉箱下水和浮运施工 中均具有明显优势。半潜驳沉箱下水工艺既适用 于临时沉箱预制厂，又可用于固定预制厂，是滑 道、干坞、浮船坞等沉箱工艺的必要补充。海 上运输沉箱时，采用半潜驳可以较好应对状态复 杂的海洋环境，特别适合运输大型的或因重心高导致浮游稳定性不足的沉箱!-9。然而，2008年大连港鲶鱼湾港区30万吨级原 油码头工程遇到半潜驳下潜到极限深度后沉箱仍 不能正常起浮的问题，同期营口港30万吨级原油 码头工程也遇到类似难题。2009年9月1日实施的 JTS167-2—2009《重力式码头设计与施工规范》 (简称规范)增加了应对这种工况的条文：半潜 驳最大潜深不满足下潜区水深要求时，沉箱应减 少压载，可采用起重船或浮筒助浮H。但目前起重 船或浮筒助浮半潜驳出运沉箱的工程实例很少。 半潜驳出运沉箱工艺亟需完善。本研究以大连港鲶鱼湾港区30万吨级码头工 程为实例，详细介绍了半潜驳下潜区水深不满足 沉箱浮游稳定要求时的问题解决方法，并与营口港 30万吨级原油码头工程中的解决方法进行对比。1 工程概况大连港鲇鱼湾港区22°码头为30万吨级进口原 油接卸码头，泊位设计年通过能力为1900万t,是 目前国内最大的原油接卸码头，由1个工作平台、 4个靠船墩、6个系缆墩、1座引桥组成。这种海中孤 立墩式码头常优先采用钢筋混凝土圆沉箱作为重力 墩。码头部分共安装大型沉箱14个，各沉箱的位置、 直径、高度和质量列于表1,立面和剖面见图1。表1压载前沉箱主要技术参数
位置重力墩编号沉箱直径/m沉箱高度/m沉箱质量/t重心高度/m
平台墩6°(4个)1°11*16.7516.7529.2029.2034203.3810.3210.14
系缆墩2*,3*9°,10*16.7516.7525.0022.003.06028308.347.08
靠船墩4*.5°,7*,8*18.0029.00373510.29
注：加载前将沉箱视为均质物体，形心与重心重合。计算质量时，例筋混 凝土密度取2500kg/m²。 a)立面图 b)剖面图图1鲇鱼湾港区22°原油泊位沉箱受周围沉箱预制场设备、海流及风速环境状 态影响，鲇鱼湾港区自质量3000t 以上的沉箱一 直采用8*半潜驳下水和浮运，该船工作参数为： 长度58m,宽度36 m,型深5.5 m,甲板支撑梁高 1.1m,工作吃水3.8m,最大举力50 MN,最大潜深23.5m,主甲板最大沉深18m,甲板荷载80 kPa,满载 水线至最大潜深时间2.25h。2 沉箱浮游稳定分析根据8*半潜驳性能，沉箱质量为3800t时，重 心距甲板允许高度为12m,由表1沉箱重心高度和 表2甲板支撑梁高度数据，浮运过程中14个沉箱的 重心高度最大值为11.42 m, 满足半潜驳浮运对沉 箱重心高度的要求。依据规范，沉箱靠自身浮游 稳定时，必须按方程(1)验算沉箱浮游稳定性， 同时下潜区水深需满足方程(3)要求。沉箱浮游 稳定计算结果列于表2,计算示意见图2,下潜区 水深计算结果见表3,计算示意见图3。m=p-a (1) (2)H≥T+h₁cos+h₂cosa+h₃+h₄+1;sina (3)式中：为沉箱定倾半径，为图2中定倾中心M至浮 心C的距离； m为定倾高度，为图2中M至中心G的距离；a 为图2中G至C的距离；1为沉箱在水面 处的断面对纵向中心轴的惯性矩；i为第i箱格内 压载水的水面对该水面纵向中心轴的惯性矩； V 为沉箱的排水量；H 为下潜区水深； T为沉箱的 浮游稳定吃水深度； h₁为半潜驳的型深； h₂为甲 板支撑梁高度； h₂为垫块与沉箱底面间的富裕水 深，取0.3 m;h₄为半潜驳与下潜区基面的最小富 裕水深，取0.5m;a为沉箱起浮时半潜驳甲板面与 水面的夹角，本次计算取α=10°; l,为沉箱底面对 应的半潜驳长度，如图3所示。 图2 沉箱浮游稳定计算示意图
图3下潜区水深计算示意图表2和表3计算结果表明：14个沉箱的定倾高度均 不小于0.2 m, 满足规范中关于沉箱近程浮运的浮游稳定性要求；但此时1*,4*,5*,6*,7*,8*, 11"墩沉箱要求的下潜区水深大于码头前沿水深，施工中即使半潜驳下潜至极限深度，这10个沉 箱也无法正常起浮。采用常规半潜驳沉箱出运 工艺已经不能满足工程要求，如果采取港池挖 泥措施或换用其它沉箱出运方法，则需另行租 用船只或改造码头，这都将大幅增加沉箱出运成 本。从经济和安全两方面考虑，采用起重船助浮 大型沉箱半潜驳出运工艺值得研究和试验。
表2 压载后沉箱浮游稳定计算结果
位置重力墩编号压载类型压载高度/m7/mV/kg重心高度/m浮心高度/m/mm/m
平台墩6°(4个) 1°,11'压载水压载水4.44.317.8417.56413940779.018.888.518.370.720.730.220.22
系缆墩2°,3°9*,10*压载水压载水2.61.414.6712.6334429907.596.726.945.930.860.990.210.20
靠船墩4',5°,7°,8°压载水4.217.1945988.87 8.210.860.20
注：注人压载水后沉箱形心与重心不再重合。计算时，海水密度取1.025kg/m³。
表3半潜驳下潜区水深要求
位置重力墩编号H/m
平 台 墩6°(4个),1128.8528.57
系缆墩2*,3°9°,10°25.6823.64
靠船墩4°,5,7”,8°28.52
注：泊位前沿水深为27.0m。3起重船助浮大型沉箱半潜驳出运工艺研究3.1 吊浮计算首先进行沉箱吊浮计算，确定吊点数量和吊环 直径、钢丝绳直径和角度等，计算结果列于表4。 根据计算，偏于安全的采用700 t起重船助浮大型 圆沉箱、φ94的压制钢芯钢丝绳、φ75的圆钢吊 环，配套使用φ80的卡环。
表 4 沉 箱 吊 浮 计 算 结 果
工程部位沉箱直径/m压水/m吃水/m吊浮高度/m吊浮质量/t吊点数角度Q)破断力/ kN安全系数钢丝绳 直径/mm吊环直径/mm
平台墩
16.75
4.4
17.841.31.401.501.601,65293.47 316.05338.62361.20372.48°666665555555555597.1643.0689,0734.9757.95555576.6279.5182.3085.0086.3266.7069.2171.6473.9975.14
系缆墩(1*,11)
16.75
4.3
17.561.101.201.31.401.650.70.8248.32270.90293.47316.05372.48°182.49208.56666666655555555555555505.2551.2597.1643.0757.9371.3424.3555555570.4873.676.6279.5186.3260.4264.5961.3564.0866.7069.2175.1452.5956.23
靠船墩18.04.217.190.91.01.11.24234.63260.70286.77323.27°666655555555477,4530.4583.5657.7555568.5172.2175.7480.4159.6462.8665.9370.00
注：1.平台墩和系缆墩吊高每增加10cm, 吊质量增加22.6t;靠船墩吊高每增加10cm, 吊质量增加23.2t。2.“”为本工程中700起重 船的吊质量限制值。3.2 主要工序施工方法根据气象资料，确定出运时满足：风速≤ 6级，流速≤1.0m/s, 波高≤1.5m, 视程>1000m。1)沉箱平移、拖运。沉箱在预制场经平移上半潜驳后，半潜驳8” 上浮，拖轮系缆拖航。在拖运过程中要注意观察 半潜驳的纵横倾变化情况，及时调整压载水，确 保半潜驳及沉箱平稳，并注意通过调整航向来降 低半潜驳的摇摆度。2)半潜驳驻位、下潜。沉箱随半潜驳拖运至现场半潜驳下潜区，下 锚驻位后即可开始下潜。要求半潜驳“跨流驻位、 顺流出箱”,半潜驳抛锚时用民船配合作业。3)沉箱压水。半潜驳下潜淹没沉箱进水孔时，沉箱开始自 然压水。沉箱压水过程中重心位置可能发生较大 变化，要注意调整半潜驳各舱室进水速度克服由 于沉箱重心位置变化及不平衡压载所造成的倾翻 力矩。4)起重船驻位。起重船顺流方向开始驻位，船尾下八字锚， 船首通八字缆到浮鼓。5)沉箱停止压水。沉箱舱内水深达到计算压水高度，沉箱满 足浮游稳定压水后，半潜驳停止下潜，起重人员 关闭进水孔，沉箱停止压水，检查进水孔是否漏 水。若漏水，潜水人员水下封堵。6)起重船助浮沉箱。起重船拖两根缆上沉箱拖环，钩头正对沉箱 中心，起重人员将起重船钩头的钢丝扣和沉箱吊 环用80t 卡环连接，起重船做吊浮准备。7)半潜驳继续下潜。半潜驳开始继续下潜，起重船按表4吊浮计算 数据施加荷载。半潜驳下潜达到沉箱稳定吃水2/3 高度时拖轮靠前，系好拖带缆绳，注意拖轮不允 许碰靠沉箱。当沉箱实际吃水接近稳定吃水高度 即沉箱快要浮起时，半潜驳调平(纵倾和横倾均 为零)。半潜驳继续下潜0.5～1.0 m时沉箱离开半 潜驳，半潜驳可加速下潜，至最大下潜深度23.5m时停止，起重船逐渐给力到设计值，使沉箱与半潜驳脱离30~50 cm,吊浮过程中严格控制吊船吊 重，禁止超过限制吊重。8)沉箱浮游稳定。沉箱顺流出箱、被带出半潜驳后，起重船下 落钩头，逐步解除吊重，让沉箱自然漂浮。9)解开沉箱与起重船、半潜驳的联系。起重船解开船头八字缆，第1个拖轮进入沉箱 和半潜驳之间，引3根缆和沉箱绑在一起。起重人 员解开钩头的钢丝扣，起重船摘掉沉箱拖环上的 两根缆，起重船绞后锚撤走。在塔楼上的起重人 员解除沉箱挂在半潜驳上的另两根缆绳，第2个拖 轮靠近，捆好拖缆后，两个拖轮傍拖沉箱到储存 场储存或现场安装。3.3 类似工程对比与大连港鲇鱼湾港区30万吨级原油码头工程 同期施工的营口港30万吨级原油码头工程也采用 了钢筋混凝土圆沉箱，并用半潜驳出运沉箱，同 时也遇到了类似的难题：1)沉箱重心高度超出半 潜驳许用极限重心高度，导致平潜作业时稳定性 不能满足规范要求；2)沉箱浮游稳定吃水17.53m,但半潜驳下潜至最大潜深后沉箱最大吃水也只有 13.2 m。最终营口港工程中采用半潜驳艏倾下潜加 起重船吊扶出运的方法解决了问题。大连港鲇鱼湾港区30万吨级原油码头工 程与营口港30万吨级原油码头工程的主要不同之 处在于：1)鲇鱼湾港区工程钢筋混凝土圆沉箱的 质量更大、高度更高，其中，4”,5°,7°,8*墩沉 箱质量为营口港圆沉箱质量的1.35倍，高度高了 近2 m;最轻的9°和10°沉箱质量也超过了2800 t, 比营口港圆沉箱重70t, 因此该工程起重船助浮施工难度更高；2)鲇鱼湾港区工程不存在沉箱重心 高度超出半潜驳许用极限重心高度的问题，因此 施工安全性更高。大连港鲇鱼湾港区30万吨级原油码头工程和 营口港30万吨级原油码头工程是两个解决大型沉 箱半潜驳出运问题的成功实例，两者既可相互印 证，又可以相互补充。两个工程均完善了特殊工 况下现有的半潜驳出运沉箱工艺的不足，扩展了 其应用范围，同时为JTS 167-2—2009《重力式码 头设计与施工规范》中指出的“采用起重船或浮筒助浮”沉箱工艺积累了翔实的数据。
4结论在大连港鲇鱼湾港区使用起重船助浮大型沉 箱半潜驳出运工艺可以解决半潜驳下潜区水浅导 致的沉箱浮游稳定性不足问题。起重船助浮大型沉箱半潜驳出运工艺进一步 完善了现有的半潜驳出运沉箱工艺的不足，并扩 展了半潜驳出运沉箱工艺应用范围。同时，鲇 鱼湾港区30万吨级原油码头工程也说明，充分 利用现有船机设备，大胆进行技术实践，可显著 提高沉箱施工能力，获得明显的经济效益和社会 效益。大连港鲇鱼湾港区30万吨级原油码头工程和 营口港30万吨级原油码头工程中遇到的沉箱浮运 问题有相似之处，既可相互印证，又可以相互补充。这两个实例证实了JTS 167-2—2009《重力式 码头设计与施工规范》中“采用起重船或浮筒助 浮”方法的可行性。
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