气囊出运沉箱构件安全性探讨
本文结合近年来完成的几个工程大型沉箱气囊出运施工的实践，对该工艺中可能且极易出现的一些安 全问题作了初步的探讨。关健词： 气囊出运工艺；安全性能探讨Safety of Caisson Transportation Using Air Cell
Abstract:This paper integrates the practice of caisson transported by air cell at a few projects in recent years,and makes an elementary discussion about the safety problem that is most commonly observed.Keywords: air cell transportation;safety
1前 言气囊出运沉箱等大型构件施工工艺，近年来在 我局已普遍使用。从出运500t 级构件迅速发展至3000t级，将来构件更会向超高超重方向发展。经过广大技术人员不懈努力，总结经验，不断改进施 工工艺，至今该工艺已有了较大改进。但在气囊出运安全性上，仍有一些相对较为薄弱的环节：如何尽量防止气囊爆、破；怎样合理纠偏、施工设备如何选型等等均是关系整个出运流程乃至人身安全、 工程进度、效益等方面的重要环节。2气囊出运基本原理气囊搬移重物的工作原理与滚筒搬运重物的工 作原理基本相同，但有所区别。在重物底部与地面 之间有规律地支垫若于个滚筒(气囊),通过外力 牵引，使滚筒(气囊)向前滚动，从而使重物与地
面产生定向相对移动，达到搬移重物的目的。其相应计算经验公式如下：气囊承载截面宽度计算公式： B=1/2π(D-H) (1)气囊承载面积计算公式： S=BL=1/2π(D-H)L (2)气囊气压计算公式： P=Q/S=2Q [π(D-H)L]-1 (3)式中： D 为气囊直径；Q 为构件重量；H 为气囊高度 ；L 为气囊总有效长度； P为气囊充气压力； B 为气囊承载面宽度； S 为承载面积。滚筒和气囊搬运所不同的是：滚筒与物体呈线 接触，即滚筒为钢性体，其与地面和物体间的接触 点为一条线；而气囊与物体则为面接触，气囊为弹 性体，其与地面和物体的接触为一个面，且可通过 调整气囊高度来调整接触面的大小，成反比。这种 面接触滚动的方法，减轻了对重物接触面局部的磨 损，且因受力面积大(压强相对固定),单位面积 受力小，使用中一般仅为0.2～0.3MPa 左右，避 免了因重物支垫面积小而对重物造成损坏；且对地要求相对较低，只需要对地基进行处理，面部铺设石粉或砂压实即可，不像滚筒出运需对基础进行硬化，较适合临时预制场的构件出运。如图1、图2 所 示 。
b,地坪规向断面结构示意图
图 1500 t以上沉箱基础处理示意图 4从原材料入手，防气囊止爆、破措施我们通常使用的气囊是制成品，由厂家提供。 但因气囊属受压的特种产品，故我们有必要先了解气囊的制作工艺，并监督厂家按我们的要求进行范生产。4.1气囊的制作气囊采用硫化工艺，其主要工法是在0 . 8MPa 的压力条件下，用干燥的压缩空气硫化。现气囊制作厂家通常采用的缠绕工艺有两种：①按0～15°斜角斜绕，称线圈缠绕法；②按纵横向一纵二横交叉缠绕，称子午线缠绕法。前者在近几年较常用，后者比前者制作难度稍大，但其爆破强度比前者大约2成，且将 一 部分横向压力转化为由纵向帘子布承担，增强了气囊的抵抗扭矩，减少了气囊纵向伸缩变形，是现今发展的趋势。
3沉箱出运工作流程
图 2 气囊平面摆放图 单位：m
出运前准备 → 高压水冲出支垫型钢间填砂 → 气
囊布置 → 充气顶升并调整气囊气压值 → 抽出支垫型
钢 → 沉箱横移 → 横移到位支垫枕木 → 气囊放气 → 抽
出横移气囊换成纵移气囊 → 充气顶升 → 沉箱纵移至
出运码头前 → 支垫枕木 → 赶潮上驳 → 气囊加气 → 抽
出支垫枕木 → 纵移上驳定位 → 支垫枕木 → 驳运至现
4.2气囊爆破压力与工作压力的关系
气囊的爆破压力与额定工作压力的比值不小于
4 . 5,如福州分公司漳州预制厂现用的额定气压为0.3MPa 的气囊，其爆破压力可达1 . 35MPa 。 文 中
0.3MPa 是额定工作气压，1 . 35MPa为在厂家试压间试压气囊的爆破极限均值。4.3气囊材质及选型气囊的爆破压力大小，取决于绵纶帘子布及橡 胶的材质及制作工艺，其相应的材质均应符合相关 标准。应从原材料入手，选择质量好的气囊，确保使用安全。4.4气囊的试压在气囊投人使用前，必须对气囊进行试压，其 试压压强按其额定工作压力的1 . 25倍控制；气囊 使用过程中，还须定期进行试压测试，并为每条气 囊建立试压档案，监控气囊变形、囊头钢板夹变 形、囊身破损情况及气密性。气密性指标按充气至 额定工作压力1 . 25倍后，其10min 后 气 囊 压 力 下降 不 超 过 2 % 控 制 。根据生产需要，对气囊进行合理选型是确保出 运安全的重要 一环。气囊直径、有效工作长度、额定气压值，均可按前述相关公式计算求得。
5工作状态时，防止气囊爆裂措施5.1气囊出运时对场地的要求气 囊 出 运 工 艺 对 场 地 的 要 求 不 高 ， 如 图 1 所 示，只需对基础进行相对简单的处理即可满足使用 要求，较适合临时性的预制厂使用，但也必须注意 以下几点：( 1 ) 尽 量 避 免 在 坚 硬 的 水 泥 地 面 强 行 摩 擦 滚 动。这是因为气囊在运行过程中，理论上是滚动摩 擦。但实际运行时往往存在少量的滑动，如果在坚 硬的地面上运行，则对气囊面的磨损非常大，地面 会留下 一道类似于刹车 一样的痕迹，且局部会出现断线、掉皮等现象。若 一定要在坚硬的水泥地面通过，须适当提高 构件运行高度，亦即提高气囊气压，同时在地面上 铺设 一 层厚约5cm 的 湿 砂 ， 可 适 当 减 少 此 滑 动 摩擦，起到保护气囊的作用。其机理为：气囊在湿砂面运行过程中产生的少量滑动，通过湿砂的相对移动，使气囊减少了与硬质地面的直接接触，从而减 少了气囊的摩擦；适当提高沉箱运行高度，旨在增 加气囊运行高度，从前述公式可知，气囊运行高度 与水平牵引力和气囊摩擦力均成反比，高度增加 了，气囊的摩擦力会减小，则其产生的滑动也会减小 。(2)杜绝在摩擦系数不同的地面上运行。在摩 擦系数不同的地面上运行会出现打扭的现象，导致 气囊受到扭矩过大的破坏，而发生爆裂，是出运安 全较关键的 一环。出现扭曲，主要由以下几方面引起 ：① 在地面不同的摩擦系数的条件下，气囊相对 于不同的地面其滑动距离是不同的，从而使气囊会 打扭。扭转部位出现斜截面抗剪破坏，气囊发生爆炸，或出现较多的断丝及掉线的现象。一 旦发现扭曲，必须立即停止运行，做好临时 支垫，将扭曲的气囊放气抽出，纠正后重新放入构件底部，充气恢复运行。②在同样的地面上，干湿程度不同，也会导致 气囊打扭，所以出运时必须注意场地的干湿均匀度 。③ 构件运行高度不 一致时也会发生气囊打扭。5.2气囊运行时加强对囊头及囊身检查气囊在运行过程中，会出现前述的各种问题， 尤其是囊身、囊头的性能情况，将直接影响出运的安全。(1)气囊头与囊身衔接处是 一 个较薄弱的点，主要是受气囊制作工艺的限制。囊头 一般按60°制 作，且比囊身多 一 到二层绵纶帘子布，帘子布衔接 处橡胶热硫的好坏将直接影响到气囊自身的安全性 能。且因与囊身直径不同，在滚动过程中，存在不 一 致的线速度，囊头部位是最快磨损出问题的地 方，且囊头的钢板夹直接将端部帘子布夹紧，在出 运时，如因受到构件意外挤压会产生变形，严重时 会导致端部帘子布脱出，在气囊承压过程中，会有 囊头飞出的危险，故加强平时的检查是至关重要的一环。另外囊头六角螺母 一般为 一颗，且因生锈或运行磨损等各方面影响，囊头部件会受损，故可要 求厂家采用防锈材料；为防止滑牙，可要求厂家增 设弹簧垫片，并将六角螺母打双，以增强囊头夹板 受力性能。(2)囊身、囊头面皮均有一层较厚的橡胶保护 层，在气囊周转使用 一 段时间后，会出现脱线、掉 皮等现象。较轻微的可直接将脱线用剪刀从其端部 割断，较严重的必须进行修补，按厂家提供的修补 方法即可，现较常用的是热硫化工艺，较适宜在现 场直接修补，且使用的设备简单，时间短、且便于 操作。(3)对于特别严重的掉皮或空鼓(空鼓是指气 囊试充气后发现气囊层与层之间起鼓起泡的现象), 则不得再投入使用，须请厂家进行专业性的修补作 业。特别严重的现象是指出现较大面积的整片脱落或 一 层以上的帘子布脱落的现象。这主要是因为厂家生产过程中，渗人了杂物，导致橡胶与帘子布之间粘接不够，这种现象也极易发生气囊突然爆炸。所以在进行气囊定期检查时必须特别关注。(4)囊头出现变形，则须请厂家更换钢板夹，或进行补强。5.3 气囊在运输、保养、存放、转堆等过程中须 注意的事项(1)气囊生产过程中，建议派专人监督厂家按 设计要求进行制作，防止偷工减料或以旧翻新的现 象。(2)在运输过程中，气囊占车面积不大，往往 车主为多拉快跑，会夹装 一 些其它货物，对气囊会造成 一 定程度的挤压和磨损，故应注意。(3)平时使用过程中，气囊最好采用吊带吊运 或抬运，不得采用钢丝绳吊运。(4)气囊应经常充填滑石粉，以确保囊内结构 不至粘结而发生破坏。较长时间不用时，应将囊面 洗净凉干，内充外涂滑石粉，放置在阴凉干燥的地 方。(5)存放气囊的地方不得靠近热源，且不得与 油类、碱类、酸类和有机溶剂接触。(6)气囊不用时应尽量伸开平放，不得堆叠，不得有气囊上堆压重物。 (7)在气囊出运前，必须预先检查构件底部，清除构件底部杂物特别是钢筋头，铁钉等。另对构 件边缘的倒角须进行打磨处理，防止对气囊造成不必要的破坏。
5.4其 它(1)因气囊造价不菲，每条造价约几万元，合 理的使用及保养关系到气囊的使用寿命，也直接反映到出运的各项成本指标上。(2)须从源头上规避风险：在与厂家签定购销 合同时，必须注明气囊出现非正常损坏时的相关事宜。特别是对气囊非正常爆炸时，须明确双方责 任；以及出现的 一 些附属效应的解决办法等。所谓附属效应是指气囊出现非正常的爆裂后对沉箱的处置、或在额定气压内运行时发生囊头飞出、气囊帘子布间出现空鼓、气囊在运输过程中发生的磨损、 气囊材质有问题、帘子线非正常断裂等可能造成的影响和损失等后续效应。(3)虽然气囊出运工艺目前在我局日趋成熟， 但其缺点是显而易见的，主要是采用人工较多，如果因施工管理不当，容易造成人身伤害事故，故此在选择出运方式时必须充分地考虑各方面因素，做好气囊出运施工的过程控制和预防预控措施尤为关键 。
6 气囊在运行过程中的破坏机理及应对措施根据近年来对高压气囊、超高压气囊的多次使用，我局积累了相当丰富的经验，也完善了相关的 理论，能较好地将这一工艺运用于工程实践中。其 间的 一 些破坏机理应是我们探讨的重点：气囊扭曲 后缘何会爆裂；偏心构件出运时为何极易伤及气囊 头；地基的不均衡摩擦系数对气囊破坏的效果如何等。本文就此例举二个较典型的例子供参考：6.1 气囊在运行过程中发生爆裂某预制厂在进行纵移2100t 沉箱过程中，突然发生沉箱中部 一 条气囊爆裂的事故，约5min 后 跟着朝后的相邻气囊也爆裂，声响很大，移动工作停 止，人员立即撤离。沉箱尾部在爆裂发生慢慢着 地，沉箱中部离地约14cm, 爆 裂 后 的 气 浪 将 石 粉地面冲出 一深约50cm深，80cm²的 坑 。该事故属突发性事故，主要为气囊非正常爆 裂，检查发现气囊出现扭曲现象，其补救方法如 下：(1)气囊头附近禁止无关人员靠近，后溜钢丝绳适当放松，牵引钢丝绳适当收紧。(2)抢险人员在沉箱中部先行支垫钢板，在钢板上垫宽约40cm的硬杂木，高度与沉箱离地高度相 同 。(3)对沉箱前部气囊放气，使支垫枕木受力。沉箱尾部人员及支垫板材、枕木就位；待沉箱尾部稍有翘起，人员即在尾部进行支垫，因此过程最关键的就是沉箱中部支垫枕木因受力过大，在短短几分钟内就会被压扁，故此尾部支垫必须快速有效， 待初次支垫完成后，即停止对前端气囊放气。(4)对前端气囊充气，将沉箱中部位置顶高， 再垫入硬杂木，按前述方法反复进行，慢慢将沉箱尾部垫高至约15cm 即 可 。(5)将已爆裂的气囊抽出，换进新的气囊，进 行充气顶升，使沉箱恢复正常运行高度。6.2 在出运过程中沉箱发生左右高低差太大而导 致无法正常运行的状况大部分沉箱均存在偏心，个别偏心矩达几百吨 ·米，气囊按计算分布于沉箱底部，但因纠偏或场 地影响，时常会导致气囊未按预定方位运行，出现 沉箱左右高低差较大，越走越偏直至无法正常运行 的情况。其主要原因为：气囊在沉箱底部扭曲， 一 端气囊承载面宽度已减少；沉箱受偏心矩影响，气 囊布设初虽然正常运行，但受牵引力不均、场地摩 擦系数差异及放坡坡向差异等导致气囊沿沉箱左右 方向偏移，出现沉箱左右高差太大的情况，其基本 现象是沉箱一端接近地面，另一端离地面高度扩 大，前端高度较大，尾部接近地面，其最直接的损害是伤及、压坏气囊头部。如在某预制厂进行的近 1000t 沉箱纵移过程中，就发生了这种情况。这在 出运过程中是不允许出现的异常情况，必须进行纠正，其纠正措施较多，现举 一 种如下：(1)立即停止运行，将牵引及溜尾钢丝绳适当受力，保证沉箱停止。(2)调整沉箱前后高差，临时支垫枕木，加密中部支垫。(3)将前面气囊慢慢放气，尾部气囊拖出来， 换上新的气囊并对其充气，保证尾部高度渐渐回升至20cm左右，再将相邻的气囊放气并拖出来，调整气囊位置，再按规定位置放入，充气顶升。(4)按上述方法逐条进行调整即可。(5)重新检查出运场地及坡向，必要时进行洒 水、填充。(6)气囊头如有损坏的，则须请专业修理人员进行修理，否则不能再用。
7 结语限于相关的安全试验不足，气囊至今尚无可供 操作的报废标准，对气囊的老化、断丝断线、脱 层、抗扭等均未作细致的研究。须在以后的研究或实践中进行完善。现部分生产厂家已就此展开了新 一 轮的研究， 在使用新的材料，在气囊制作工艺上均有所拓展， 气囊的刚性和耐磨性均有所增强。我们必须注意的是：在采购、选型等过程中应严格把关，特别是生产厂家的确定，必须做到知已知彼，严防以次充好。综上所述，在编制气囊出运施工方案时，须全 面、合理地安排出运场地及选择气囊型号，与构件进行计算匹配，进行受力分析，确定构件偏心矩大 小，设计好气囊布置图。只要通过细心分析，精确 计算，合理筹划，便可以让气囊出运工艺更为广 泛、安全有效地为施工生产提供良好的服务。
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