气囊搬运大型沉箱技术及其应用
大型沉箱在陆上预制完成后，沉箱的出坑搬运和安装一直是重力式码头工程施工过程中至关重要的环节。本文以汕头广澳港区一期码头工程为实例，简要介绍气囊技术在陆上搬运大型沉箱施工中的应用。[关键词] 沉箱搬运高压气囊应用1 工程概况汕头港广澳港区一期码头水工结构及护 岸工程为新建两个2万吨级泊位(2号、3号 泊位)和一个滚装泊位及相应的护岸工程。其 中，2号、3号泊位总长435m;滚装泊位长 147m。 码头为重力式沉箱结构。由于潮差小 和胸墙断面结构的需要，沉箱的顶标高在设 计低水位以下约1m 。3个泊位共有单件质量 约900t的沉箱49件。该工程中标后，49件沉箱在哪预制、沉箱如何出运、如何进行没水安装成为该工程施工首先要解决的关键性技术问题。厦门分公司及时组织相关部门和专业技术人员，进行大量的船机设备、技术工艺、成本等论证比选工作。最终确定在工程现场建临时预制场， 现场预制沉箱；在场内采用高压气囊搬运沉箱出坑并堆存；气囊搬运沉箱上半潜驳；沉箱封仓后由2000kN 起重船配合进行没水安装 的施工方案，
2气囊搬运沉箱技术简介2.1 气囊搬运沉箱的工作原理气囊搬运沉箱的工作原理是向安装在沉箱底部的气囊内灌充高压空气，利用高压空气顶升沉箱，并在牵引力的作用下移动沉箱。2.2气囊结构形式、性能与特点我国船舶业已成功运用气囊进行船舶的上排、下水，国家也颁发了《船舶上排、下水用气囊》标准(CB/T3795-1996)和《船舶用气囊上排、下水工艺要求》标准(CB/T3837-1998)。气囊分为低压、中压、高压3种。本工程应用的气囊属高压气囊类型。2.2.1 结构形式气囊为长圆柱形，由橡胶和锦纶帘子布3层构成。内外层均为橡胶层，中间是锦纶帘子布层，其用于中压气囊时帘子布为3层，用于高压气囊时帘子布为6层；锦纶帘子布的密度为95根/10cm 宽，锦纶绳的拉断力为280N/根；其中高压气囊的断面厚度约10mm左右。气囊的纵断面形式见图1。2.2.2 性能气囊力学性能见表1。2.2.3特点(1)气囊是以独特的整体缠绕工艺成型，其囊壁无接缝，各向强度均衡，因此增加了抗爆裂强度和抗冲击疲劳次数；
图1 气囊纵断面形式示意
表1 气囊内外层胶力学性能表
项目名称指 标检测标准号
外层胶内层胶
扯断强度(MPa)≥18≥10GB/T528
扯断伸长率(%)≥400
硬度(邵氏A)50,7040.5GB/T531
扯断强度老化系数(%)≥80GB/T3512
扯断伸长率老化系数(%)
硬度变化(邵氏A)≤80GB/T531
其他要求1.在温度-40℃时无裂纹；温度在70℃时无发粘现象。2.接触原油、机油、柴油等石油产品油液时，不得有严重膨胀发粘现象。
(2)因其利用压缩空气作为缓冲介质， 具有柔软的避压效果，吸收冲击能量大，作用于搬运物应力低，且耐冲击性能优异。2.2.4 气囊技术参数与标准高压气囊技术参数见表2。表中“工作高度”栏目所列数值仅供参考。
表2 气囊技术参数表
气囊直径D(m)囊内压强P(MPa)工作高度H(m)承载质量W(t/m)主要用途
0.80.260.224
用于大型船舶上排、 下水、移位及大型物件搬运。
1.00.200.225
1.20.180.228
1.50.160.233
1.80.140.236
2.00.140.240
《船舶上排、下水用气囊》标准(CB/ T3795—1996)对“气囊性能要求”中规定：(1)弹性变形量用1.2倍工作压力作试验压力时，直径变 形量不大于5%。(2)安全系数不小于工作压力的4.5倍。(3)气密性充气1h, 降压不大于5%。(4)安全充气装置囊嘴上应安装安全阀，安全阀的启跳压 力应为工作压力的1.25倍。综合上述4点要求对气囊搬运沉箱安全 技术指标作出如下规定：进行气囊承载力计 算时，安全系数取1.25。2.3 气囊的选择通过计算，本工程项目1000t 沉箱使用7条直径为01m, 长度为12.5m的高压气囊就可满足沉箱的承载要求。2.3.1 气囊的摆放1000t 沉箱底部的气囊摆放形式及其位置见图2所示：2.3.2 有关数据的计算(1)气囊承载面宽度B(见图1)B=π(D-H)/2式中：D 一 气囊直径；H 一气囊工作高度；(2)单条气囊的承载面积SS=BL₀=πL₀(D-H)/2式中：L₀— 气囊的承载面长度；
图 2 气囊摆放位置示意(3)单条气囊的承载力 W 高度H愈高，其承载面宽度B愈窄，W=SP=πL₀P(D-H)/2 (3) 通过应用以上公式的对比计算找出合理式中： 的气囊直径和气囊工作净距，为沉箱的支垫P 一 气囊工作压力； 木留出空间。(4)气囊数量N 2.3.3气囊的滚动速度(N-1)BL₀P=KG (4) 在本工程气囊搬运沉箱的工艺状况下，式中： 搬运前的准备工作就绪，沉箱在卷扬机的牵G—沉箱综合质量(包括沉箱封仓盖、 引下，气囊沿直线滚动的综合速度为35m/h仓内积水等质量); 左右。K 一安全系数(K=1.25);气囊搬运沉箱过程中实际承载沉箱的 3 气囊搬运沉箱的工艺设计气囊数为(N-1) 条，图2所示工况为前端气 3.1总体方案囊开始充气，尾端气囊同时放气。 根据本工程的特点、沉箱的结构和质量、(5)气囊工作净距L 船机设备等实际情况，确定本工程采用现场“气囊工作净距”是指沉箱就位后为满 预制沉箱；用高压气囊陆上进行沉箱的平移足垫木摆放位置需要，沉箱底部相邻两气囊 搬运，包括出坑、堆放、装驳(半潜驳);半潜驳间的净距离(见图1)。按公式(5)计算。 水上运输、2000kN 起重船协助安装的施工方L₁=/N (5) 案。
式中：L₄—沉箱宽度；B 一气囊承载面宽度；H 一 气囊工作高度；N — 滚动气囊条数；(本工程 N=7)。L; 一气囊工作净距；(本工程 L;=40cm, 垫木断面尺寸为15cm×20cm, 一个支 垫点垫木采用双拼两层形式支垫沉箱)。(6)公式中H 、B 与 P的相互关系需要指出的是压力P 值愈大、气囊工作3.2预制场的选址与布置为完成本工程49件沉箱和148块单件质量160t 卸荷板的预制任务，在本工程码头施工位置南侧约400m 处，业主提供了面积为12800m²的预制场地。场地东侧靠山、西侧临海，南北长160m,东西宽80m。临时预制场平面布置见图3。如图3所示，预制沉箱的7个拼装式活动底模布置在场地的第一排(图中实线所示位置);沉箱堆放场地布置在第二、第三排(图
图 3临时预制场平面布置
中虚线所示位置);为确保每件沉箱都能纵、 横两方向搬运，在底模及堆放场地四周设置牵引地锚。地锚位置见图3所示。根据场地地质钻探资料和使用要求，进行了强夯加固处理，以提高地基的承载能力。 场地经加固后，其表面采用泥结碎石整平并经碾压处理，保证气囊搬运沉箱经过的地面平整密实。3.3 拼装式活动底模与穿气囊为满足数条气囊从沉箱底板下穿入的技术要求，沉箱底模设计成可拼装式活动结构，底模分别由钢筋砼底模基础，25号工字钢，光面胶合板以及填充用的砂等组成。如图4所示。如图4所示，底模拼装好后，在底模的6个隔仓内填充砂并灌水，用插入式振捣器把
砂充分振捣密实，顶面分别以工字钢投影面 和6个隔仓投影面的范围满铺光面胶合板， 并使胶合板表面平整度满足规范要求。沉箱砼强度达到设计要求时，拆去底模 两端工字钢，用高压水枪结合人工掏空里面 的填砂及其顶面胶合板，清理完底模四周的 砂、胶合板及杂物后，逐条穿入6条气囊。气囊逐条来回充气顶升沉箱使沉箱离 开底模一定空间，此时逐条抽出工字钢并检 查沉箱底部确实无胶合板及杂物后，该道工 序完成，接着进入沉箱牵引工序。3.4 牵 引 系 统牵引系统由地锚、卷扬机、滑车组、捆绑钢丝绳等组成。本工程沉箱约综合质量 G=1000t; 气囊移动近似按滚动摩擦考虑，摩擦系数Km取0.05;沉箱总牵引力 F=KmG=0.05×1000=500kN。牵引系统的设备及附属设施技术参数见表3。在沉箱牵引方向两侧，前后各布置2台80kN 卷扬机，前面2台牵引、后面2台保
表3 设备及附属设施技术参数表
设备及设施名称技术参数所需数量
卷扬机牵引力80kN系统共需2组，每组4台；总计8台
滑车组额定承力320kN系统共需2组，每组8个；总计16个
捆绑钢丝绳239mm系统共需4套，每套4条，每条55m,总长1000m
砼地锚每个承受拉力400kN系统共需24个
护；单台卷扬机其80kN牵引力经滑车组转 化成320kN,2台总牵引力合计640kN,满足 沉箱牵引作业要求。牵引钢丝绳的捆绑点距离地面1.5m 左 右，以方便施工，3.5 气囊平面位置布置沉箱需要纵、横向的移动才能被搬运到指定位置。为此，在沉箱搬运前须按图5所示，先用红油漆在沉箱底部四周标示好垫木及气囊摆放位置。沉箱被牵引就位后再按图5所示的垫木位置摆放好垫木，同时确保沉箱底部纵、横两方向均能顺利穿入气囊。3.6.2半 潜 驳 与 出 运 码 头 对 接3.6.2.1半 潜 驳本工程采用“三航工2”进行沉箱的水上 运输和安装。半潜驳“三航工2”型长90 . 6m,型 宽 3 5 . 3m, 型 深 3 . 3m满 载 吃 水 2 . 3 5m, 最 大 载 重 质 量 4 0 0 0t,最 大 潜 深 1 3 . 5m 。 为 确 保 沉箱顺利平稳地搬运上半潜驳 ， 半潜驳艉经 改 造 ， 焊 接 1 个 顶 面 与 甲 板 面 一 致 的 悬 臂 钢 构 件 ( 亦 称 悬 臂 艉 ) , 其 顶 标 高 应 与 出 运 码 头顶标高一致 。 悬臂艉可搭在出运码头上 。 悬臂艉沿船宽方向悬臂长15m、宽1.5m,端部厚度1 . 1m。3.6.2.2对 接 形 式半潜驳与出运码头对接的结构形式见图7所示。3.6.2.3对接及离岸如图6所示，出运码头的主要设计指标如下 ：( 1 ) 码 头 前 端 顶 面 设 计 标 高 为 3 . 2 0m;( 2 ) 码 头 前 沿 承 台 面 顶 标 高 为 2 . 1 0m;( 3 ) 码 头 前 沿 半 潜 驳 停 靠 水 域 泥 面 高 程为-5.0m。 对接与离岸步骤为： (1)半潜驳处于空载状态时，排空艉仓 内的压载水，同时艏压载仓灌满水，使半潜 驳悬臂艉处干弦高度达到1.9m; (2)当涨潮水位达到1.30m时，半潜驳 即可绞缆与出运码头进行对接，艉甲板中线 对准码头面中线并靠紧码头； (3)艉压载仓灌水压载至悬臂艉紧贴 码头承台止； (4)悬臂艉与码头接缝处，通长铺设宽 度为80cm、厚度为10cm 的钢板，要求钢板 著。中线对准接缝； (5)气囊搬运沉箱上驳。在沉箱上驳过 程中半潜驳艉压载仓排水；沉箱就位后，悬 后， 臂艉通过潮位上涨和艉排水减载的共同作 用使其底部离开码头承台。此时半潜驳可绞 锚离开码头。 极大地提高了企业的市场竞争能力， 4结语
4．1 气囊搬运沉箱技术在汕头广澳一
期工程应用成功。该技术使沉箱预制无需大
型专业预制厂和大型起重设备；对预制场地
适应性强 ，地基处理及配套设施费用低 ；气囊
承载力大；易于操作、安全可靠。
4．2 气囊搬运沉箱技术与半潜驳水上
运输、安装工艺相结合，是重力式码头施工技
术的一项革新。根据本工程的实践 ，沉箱的陆
上平移 、装驳、现场安装(没水安装)全过程的
施工速度可达每天 2个，其工程成本仅为其
他传统方案 的 6O％～70％，经 济效益十分显
著。
4．3 该技术具有极好的推广应用前景。
气囊搬运沉箱技术在本工程取得初步成功
后，我局已有 7个项 目(总计 374个沉箱，已
累计移动 2万多米)先后应用，并取得了很好
的效果 。其中厦门嵩屿港区 3号泊位工程的
沉箱单个质量达 2015t。该技术的成功应用 ，
极大地提高了企业的市场竞争能力，并促进了重力式沉箱码头施工技术的进步 。
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