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半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第1页半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法一．概况在大型深水重力式码头的建设中，大型沉箱的重量往往达到1000多吨乃至数千吨，如此大的重量，采用传统的起重船起吊加驳船运输方式进行施工存在许多困难与弊端，已逐渐不能满足施工要求。目前，进行大型沉箱出运施工主要由半潜驳（含工程浮坞，以下同）来完成，基本过程为：沉箱在预制场地预制好后，利用高压气囊将沉箱顶升后牵引，整体搬移到半潜驳上并支垫好，将半潜驳拖至安装水域合适水深位置下潜，在下潜过程中往沉箱隔舱中加压载水，保持沉箱本身浮游稳定，半潜驳下潜到一定深度后，沉箱利用本身浮力起浮，起浮后将其拖至安装点，往沉箱隔舱中注水下沉安装。沉箱出运施工主要包括沉箱上半潜驳、半潜运载沉箱拖航、半潜驳下潜沉箱出坞三个主要施工过程。在大型沉箱出运施工中，投入的主要船机设备是半潜驳，这种工程施工用半潜驳是一种专为大型沉箱出运而设计建造的可下潜的工程驳船，甲板单位面积承载力比一般驳船大得多，可运载数千吨的砼沉箱航行于近海航区，其基本工作原理是：在涨潮时段合适潮位，半潜驳利用船艏的搭接结构与出运码头搭接，保持半潜驳甲板面与码头面处于同一水平面，船上配有牵引设备，沉箱利用高压气囊顶升脱离地面，气囊在沉箱底面与地面之间滚动大大减少了摩擦力，从而可利用船上牵引设备牵引沉箱上船，至指定位置后用枕木进行支垫，抽出气囊。半潜驳配有多台大排量压载泵，可根据需要进行了舱内压载水的调整，从而控制半潜驳的下潜或上浮，半潜驳上的监控设备可适时采集下潜或上浮的各半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第2页项数据，根据需要可方便的进行船舶浮态调整，通过控制压载水量与加压载水速度来控制半潜驳的下潜深度与速度，从而保证出运与下潜施工中沉箱顺利地上驳与出坞。工程用半潜驳载重吨位一般在3000~5000吨不等，载重吨位在4000吨左右的半潜驳，以“四航华南”为例，主体尺度及相关参数为；总长：58米；型宽：34米；型深：4.6米；最大下潜深度：16米（甲板面至水面）；从正常吃水下潜到最大深度时间：2小时；压载泵排量：4×960m3/h设计载重量：4200吨；利用半潜驳气囊方式出运大型沉箱的施工工艺，已顺利完成多过大型深水重力式码头的建设，已完成的实例工程如下：工程名称沉箱重量件数沉箱尺寸(m)L*B*H使用半潜驳名称广州南沙港3、4#泊位2212t4217.84*15*18.9四航南沙广州南沙港9、10#泊位2237t4417.84*15*18.9四航南沙深圳大铲岛集装箱码头2327t4717.94*14.1*19.8四航南沙福建江阴电厂码头3161t1029.5*19.7*16四航华南厦门刘五店滚装码头1075t2217.76*10*12.5四航南沙厦门港嵩屿港区1#泊位2015t2516.6*15*20四航南沙汕尾发电厂重件码头2357t2217.65*15*20.3四航华南半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第3页二．特点利用半潜驳气囊方式出运大型沉箱有如下特点：1.无需大型起重设备就可以进行大型沉箱的搬运上驳及安装作业，大大节省了船机费用；2.与轨道方式上驳比，半潜驳与码头的对接容易，对码头的要求不高，码头的适应性强，从而使临时出运码头的建设容易，投入少；3.普适性强，沉箱的重量从几百吨到4000吨甚至更大，均可采用本工艺进行沉箱的上驳及安装作业；4.由于沉箱无需进行起吊，配筋量可大大减少，节省了钢材，降低了沉箱的制作成本，从而降低了码头的造价。三．适用范围本工法适用于港口重力式码头建设中重量超过现有浮吊设备起吊能力或不便于或不适于起吊的可自浮的大型沉箱的出运安装作业施工，也可用于大型封闭可自浮的涵管出运安装作业施工。四．施工工艺1.半潜驳进行大型沉箱出运沉箱上驳过程施工工艺流程如下：半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第4页抽气囊，解围捆索并吊上码头备下件使用调整半潜驳浮态至拖航要求状态沉箱上驳过程完成排压载水，解溜尾索，移船使半潜驳脱离搭接状态第一条气囊上驳后半潜驳开始排前舱压载水并适当调整后舱压载水，始终保持船舶水平浮态继续牵引沉箱缓慢移动，并控制牵引速度与排压载水速度相适应沉箱到达装载区后停止牵引，在沉箱底所有气囊间隙尽可能多的支垫枕木气囊放气，使沉箱平稳坐于枕木上半潜驳加压载水进行搭接，保持搭接后搭接结构对码头200t左右的压力，调整船舶浮态至水平在半潜驳搭接结构与码头的缝隙上铺过渡钢板，挂牵引索上沉箱上的围捆索给沉箱底气囊充气顶升沉箱，拆除支垫枕木开动半潜驳上牵引绞车牵引沉箱缓慢移动，同时松溜尾索沉箱从预制点利用气囊牵引至码头前沿3米左右支垫半潜驳抛锚定位，系好岸缆沉箱从预制场地利用陆地卷扬机以气囊方式移至码头前沿3米左右并支垫在半潜驳上铺设气囊，进行沉箱上驳前准备到达搭接水位时，移船进入搭接状态建设出运通道及出运码头并埋设半潜驳带缆用地环制定施工方案，确定工作水位半潜驳进行大型沉箱出运沉箱上驳过程施工工艺流程图半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第5页2.半潜驳进行大型沉箱出运下潜作业沉箱出坞过程施工工艺流程如下：半潜驳进行大型沉箱出运沉箱下潜过程施工工艺流程图沉箱出坞后，半潜驳开始排压载水上浮半潜驳起浮后调整船舶浮态至航行要求状态并准备拖航至出运码头进行下一件的出运下潜过程完成工作船开动绞车牵引沉箱出坞，并适时调整四角控制索，保证沉箱顺利出坞往沉箱隔舱中注压载水至沉箱能稳定自浮高度半潜驳继续加压载水下潜至沉箱稳定自浮深度后沉箱起浮，停止下潜调整沉箱各隔舱压载水量使沉箱正浮在下潜至沉箱能自浮前2米左右深度停止下潜在沉箱顶安装工作平台及排水泵，系固可漂浮物件，挂牵引索上工作船，带四角控制索至坞墙顶半潜驳准备下潜开始往半潜驳压载舱加压载水根据监控设备来调整各压载舱的进水量与速度，保持半潜驳平稳下潜，控制横倾不超过2°纵倾不超过3°半潜驳到达指定下潜区域定位在沉箱安装点附近选定下潜区域半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第6页五．施工要点1．作业条件的选择；为保证沉箱出运工作安全顺利进行，必须在涨潮时段进行沉箱上驳作业，且必须满足相应的天气、水文、水域、出运码头要求等条件；1.1天气海况条件：沉箱出运作业要求在6级以下风力，无局部强对流天气的非大雨天气进行，沉箱上驳作业水域波高不大于0.5米，且天气预报3天内不得有影响本地区的台风天气以及强劲季风天气；1.2作业水域条件：沉箱上驳作业水域要求沿岸线方向以出运码头中线计左右边各不小于50米，垂直岸线方向长度不小150米，水深要求不小于半潜驳重载吃水+0.5米；下潜作业要求水域开阔，便于沉箱出坞作业，下潜区深度要求达到可使沉箱稳定起浮所需深度；1.3出运码头条件：出运码头的布置要求水域开阔，便于半潜驳进出，码头前沿为便于与半潜驳搭接，需布置成阶梯状，码头前沿的承载力要求达到100t/m，出运通道两侧各需布置一个地环，可承受拉力需达到20t，供半潜驳移船系缆用；出运码头一般布置如下图：半潜驳20t地环出运码头及水域布置图150沉箱溜尾绞车溜尾绞车半潜驳搭接结构8m8m8m8m20t地环出运通道装载区半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第7页过渡钢板出运码头断面及搭接水位示意图重载吃水水位空载吃水水位进入搭接水位1.6橡胶板搭接结构半潜驳甲板面码头面2．沉箱上驳相关数据的计算2.1沉箱上驳作业水位的计算与选取沉箱上驳作业水位的准确计算与选取是直接关系到沉箱是否具备上驳条件的首要工作，由于我国沿海及内河入海附近很长一部分河段均受潮汐影响，而沉箱出运码头一般均布置于上述地区，因此沉箱的上驳不光要克服潮差来的影响，还应合理地利用潮差服务于施工，通过计算选择合适的水位进行作业，从而保证沉箱上驳过程安全顺利进行。水位计算及选择的原则是保证半潜驳重载时能够且有足够时间脱离搭接状态，并且保证从可进入搭接的水位到可脱离搭接的水位所经历的时间足够沉箱上驳过程的完成，计算方法如下：基本数据：H：码头面标高；（测量可得）T：半潜驳重载吃水；（查船舶静水力曲线图可得）t：半潜驳空载吃水；（查船舶静水力曲线图可得）D：半潜驳型深；进入搭接的水位应选择在半潜驳空载吃水与满载吃水之间的中间水位，半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第8页目的是保证既有充足的上驳时间，又使沉箱上驳过程中半潜驳有足够的压载水可排以抵消沉箱重量对半潜驳的负载。计算图示如：h离h进DTtH码头面甲板面半潜驳进入搭接水位空载吃水水位重载吃水水位沉箱上驳作业水位计算示意图半潜驳型深根据图示，搭接时，甲板面与码头面处于同一标高，则进入搭接水位与脱离搭接水位计算如下：h进=H-[D-（T+t）/2]h离=H-（D-T）+0.2m；（0.2m为富余量）潮水涨至h进时，半潜驳需进入搭接，尽快进行沉箱上驳作业；潮水在退至h离之前半潜驳必需脱离搭接状态，否则将被搁在搭接码头上无法脱离而发生安全事故。潮水曲线图如下：涨退潮水位-时间曲线t2t1t0h进h离水位（m）时间（h）半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第9页图中，t0到t1的时间不得少于3小时，t1到t2的时间不得少于1小时；进行潮水时间限定目的是保证沉箱上驳和半潜驳脱离搭接有足够的作业时间，沉箱上驳与半潜驳脱离搭接必需在t0到t2的时间内完成。2.2牵引力的计算以气囊方式顶升沉箱后进行牵引，摩擦系数一般按0.05来选取，则牵引力为：F=0.05Q；（Q为沉箱重量）3．沉箱上驳所需设备的选择及前期的准备3.1地环的埋设。出运码头上必需埋设供半潜驳带移船缆的地环，埋设位置可参见出运码头布置图；地环与半潜驳移船缆一般使用卸扣连接，为方便操作，可选用重量轻、体积小合金卸扣，卸扣承载力一般25t即可，数量4只，其中2只备用；3.2牵引设备。牵引绞车布置在半潜驳上，一般设置2台，每台拉力15t，绳速10m/min，使用D28~30mm的纤维芯钢丝绳，每台绞车钢丝绳长度为500米；每台牵引绞车通过滑轮组来牵引沉箱，滑轮组一般采用4组滑轮组成，穿7~8匹，理论总拉力可达到210t~240t；牵引索是连接牵引绞车动滑轮组与沉箱围捆钢索的连接索，两端分别用卸扣与动滑轮组和沉箱围捆索连接，方便拆装，牵引索长度一般取8~12m，牵引3200t以下沉箱取规格6*37D65mm纤维芯钢丝绳即可，数量4条，其中2条备用，连接卸扣使用85t合金卸扣，数量6只，其中2只备用。3.3气囊的准备。气囊一般选用直径1m的高压气囊，最大承载压力为0.39MPa，长度根据沉箱宽度来确定，一船总长比沉箱宽度长1m左右即可。所需气囊数量可根据下面计算选取：单个气囊承压面宽度：B=π（D-H）/2半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法共30页第10页气囊承压面积：S=n×B×L=nπL（D-H）/2由公式：Q=PS=PnπL（D-H）/2得：n=2Q/PnπL（D-H）取整+1即为所需顶升起沉箱的气囊数量；式中D：气囊直径；一般使用直径1m的高压气囊；H：气囊顶升工作高度；一般为30~40cm；L：气囊有效承压长度；一般为沉箱宽度；n：气囊个数；Q：沉箱重量；P：气囊允许的安全工作压力；实际工作压力一般取不超过0.25MPa；实际气囊数量的选取，必需在n+1的基础上最少还需4条周转气囊，周转气囊数量越多，沉箱上驳效率将越高。3.4过渡钢板的准备。由半潜驳与码头搭接时，一般均有20~30cm左右的接缝，为保证沉箱底气囊顺利通过，在接缝上需铺一块过渡钢板，钢板总长为20m，为方便操作，可由多块拼成，宽度1m，厚度16mm。3.5枕木的准备。枕木规格为：L*B*D=1.5m*0.2m*0.3m；数量根据沉箱尺寸来确定，以填满沉箱底气囊间间隙为准，并保有一定富余。枕木两端需制作拉环，可用D14~16mm的螺纹钢弯成“U”打入枕木15cm深，“U”型口需能使手掌穿过。3.6枕木系固钢丝绳准备。D18mm钢丝绳100m，两条，两头插扣。3.7供气系统的准备。供气系统采用集中供气，供气系统由2套6m3/min空压机组及各自配套的高压气管、气阀组成，加气时从供气阀