斯里兰卡科伦坡南集装箱码头沉箱出运及安装施工
摘 要：大型沉箱结构稳定性好，施工速度快，经久耐用，广泛应用于地基条件较好的重力式码头工程。而大吨位沉箱的出运和安装工艺是施工的重点和难点，如何在短时间内完成大型沉箱的出运与安装成为了码头工程成败的关键。本文介绍了斯里兰卡科伦坡南集装箱码头沉箱出运及安装施工方法。
关键词：码头 沉箱 出运 安装
1.前言
本次工程沉箱共67件，CX1型、CX2型、CX1a型、CX1b型、CX1c型、CX2a型依次为62件、1件、1件、1件、1件、1件。各型沉箱的相关信息如表1所示。
沉箱采用“华南号”浮船坞驳运到施工现场下潜坑下潜出坞，下潜位置在已建出运码头前沿线外约200m已挖好的港池中，在现场具备安装条件时，用拖轮拖至待安装基床位置，用方驳（第一件）或已安装的沉箱上的卷扬机就位安装。
2.施工总体顺序及流程
首件安装CX1-62沉箱，第二件安装CX1-61沉箱，然后从西向东依次安装，最后13件沉箱由于处于预制场前沿，需先安装东边端头CX1-01～CX03（共5件），再将CX04～CX11（共8件沉箱）出运到寄存区后，再起浮拖运安装。沉箱安装过程共分为沉箱上驳、沉箱下潜出坞、浮游拖运、就位安装四道主要工序。
3.施工方法
3.1 沉箱上驳
3.1.1 沉箱出运码头设计
沉箱上驳作业水位的准确计算与选取直接关系到沉箱是否具备上驳条件，合适的水位进行作业可以保证沉箱上驳过程安全顺利进行。进入搭接的水位应选择浮船坞空载吃水与满载吃水之间的中间水位，既保证有充足的上驳时间，又使沉箱上驳过程中浮船坞有足够的压载水可排以抵消沉箱重量对浮船坞的负载。
图1为计算示意图。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]
=1.0-[4.6-（3.6+1.8）/2]=-0.9m
h离=H-（D-T）+0.2m
=1.0-（4.6-3.6）+0.2=0.2m
（0.2m为富余量）
潮水涨至-0.9m（理论值）时，华南号浮船坞进入搭接，进行沉箱上驳作业；潮水在涨至最高潮前华南号浮船坞必须脱离搭接状态，否则将被搁在搭接码头上无法脱离而发生安全事故。
本工程出运码头采用桩基码头结构，搭接台可承受1800t的承载力。所以在沉箱上驳过程中，应时刻注意华南号上仪表显示数据，搭接台的受力控制在1200t之内，若超出应采取排水或等待潮水继续涨高时再继续进行上驳。
3.1.2 沉箱上驳施工方法
沉箱上驳采用气囊搬运技术。气囊选用直径Ф1000mm的高压气囊，出厂检验承压能力为0.4MPa，正常使用许用压力为0.30MPa，安全阀限压值取0.35MPa。考虑沉箱的尺寸，顶升阶段对宽度（横移）为18.97m方向，采用7条有效长度21m长气囊进行顶升，对长度方向（纵移）15.18m方向，选用9条有效长度为17m长气囊进行顶升。在搬运阶段，对宽度（横移）为18.97m方向，采用8条有效长度21m长气囊进行搬运，对长度方向（纵移）15.18m方向，选用10条有效长度为17m长气囊进行搬运。气囊的工作参数如表2所示。
气囊的实际工作压强最大值为0.211pa，小于正常使用许用压力0.30Mpa，使用此方法横纵移气囊是安全的。
沉箱上驳前先利用陆上卷扬机牵引至距离出运码头前沿5m左右的位置，保证沉箱中心在出运通道中线上，用枕木作临时支墊，气囊仍保留在沉箱底并放气至枕木受部分力。随后浮船坞抛锚定位，系好岸缆，并移船至码头前沿，船艏正对出运码头并使船头尽量靠近码头前沿，便于开展上驳前的准备工作。在浮船坞及上驳通道上铺上12条气囊，气囊摆放要均匀，每条气囊的间距控制在0.6m。船进入搭接状态后，保持船舶纵向中心线与出运通道中心线对正，加压载水使浮船坞与码头进行搭接，浮船坞搭接结构底面与码头接触后，继续加部分压载水，保持浮船坞对码头有200～300t的压力，以保持浮船坞的稳定，同时调整船舶浮态至正浮状态。
上驳前的各项准备工作完成后，开始进行沉箱的上驳作业，见图2所示。给沉箱底气囊充气，将沉箱顶升起，顶升高度约为43cm，抽出支垫枕木，再逐渐将气囊放气，使行走高度降低至30cm左右，以防止波浪影响导致船舶晃动，从而使沉箱上驳不稳定。开动牵引绞车，同时松溜尾绞车，牵引沉箱缓慢前行。移动过程中，需逐步往进入沉箱底的气囊充气，给后方移出沉箱底的气囊放气，同时不断调整各气囊气压，使之基本保持一致。在第一条气囊上驳后，浮船坞马上开始排压载水，以尽量减少搭接结构对码头的压力。沉箱的运动路线必须是沉箱重心基本沿着浮船坞甲板纵向中心线前进，若在移动的过程中发现偏移，则需及时通过牵引绞车和气囊的摆放纠偏。随着沉箱向浮船坞上移动，浮船坞搭接结构的受力不断增加，所以在沉箱上驳过程中，浮船坞需不断往外排压载水，同时密切留意搭接结构对码头承台的压力不能超过1200t，若临近此值时，需暂停沉箱上驳牵引，待排水或潮水上涨到满足要求时再继续上驳。沉箱牵引到位后，马上进行沉箱支垫工作，将枕木垫入沉箱底，塞满气囊间的空隙。沉箱支垫示意图如3所示。
完成支垫后，将各气囊同时放气，使沉箱平稳坐于枕木上。在沉箱完全坐于枕木上后，解除溜尾索与牵引索，拆过渡钢板，继续排压载水。当浮船坞起浮时，盡快移船使船舶脱离搭接。在浮船坞离开搭接状态后，进行抽气囊作业并解除沉箱围捆的钢丝绳。
值得注意的是，在沉箱出运过程纠偏过程，发现大致有以下几大纠偏措施在施工中效果较明显。
① 气囊摆斜一角度。在沉箱行走过程中，将气囊人为地摆斜一个角度（tgα=1/38左右），沉箱在与气囊进行相对位移的过程中，气囊与地面及沉箱底部的磨擦力可能不变，但其效果会产生微秒的变化，沉箱会以气囊为支点产生一适量的弧线运动，这一运动刚好能适当校正沉箱的一部分偏位。另外，在沉箱横移至纵移通道上时，预先留一定量的偏位富余量，也就是将沉箱尽量多地横移过通道中线一些。这一效果是沉箱移运过程中最好用，也是最安全有效的一种。
② 气囊在前趾端缩入约30cm。受沉箱重心偏心作用，将沉箱前趾悬出30cm左右，即前趾处有80cm左右未进入气囊有效支承范围内。这一方法的好处是可调节沉箱左右两侧面的沉箱底部标高，保证沉箱在运行过程中平稳行进。但增加了沉箱的侧移量，同时也给气囊造成严重磨损。
③ 非前趾方向的牵引钢丝绳与通道纵轴线夹角加大，即使用横移地牛作牵引点。
④ 调整通道横断面标高，即在通道上铺石粉，并且前趾端路面较另一端高10cm。
⑤ 调整牵引溜尾的四条钢丝绳受力，通过受力不同强制沉箱按规定路线运行。合理调整好四条钢丝绳受力后，再全部重新启动。以此往复，逐步纠偏。
这一方法非常有效，且在沉箱行进2m后，其纠偏可达5-10cm，再结合① 项措施，则可完全达到预期目的。
3.2 沉箱下潜出坞
3.2.1 沉箱浮游稳定计算
砼按2.5KN/m3，海水按10KN/ m3计算，出运前再详细测量沉箱实际尺寸以校核本计算结果。
3.2.2 下潜坑布置
沉箱由“华南号”浮船坞运载到施工现场，需选择合适的下潜地点供“华南号”浮船坞下潜、沉箱出坞。按下潜坑高程计算公式H≥T+h1+h2+h3+h4可得H至少为18.5m，考虑到潮水0.6m时下潜至最深，下潜坑的底高程需要深于0.6-18.5=-17.9，安全考虑，下潜坑底高程设置为-18.0m，满足下潜要求。
选取下潜坑时，选取港池内目前已疏浚好，深度满足-18.0m高程要求，长度80m，宽度50m的区域，且下潜坑长度方向即出坞方向应与高平潮时水流方向平行，出坞方向在高平潮时顺水流方向。
3.2.3“华南号”浮船坞下潜、沉箱出坞的施工方法
当下潜出坞准备工作完毕，下潜区潮位条件符合下潜要求时，即可进入下潜程序。下潜过程中，需密切注意“华南号”浮船坞的下潜情况以及沉箱的吃水深度。在沉箱深度达6.0m时（注水阀门的安装高度下60cm），开启注水阀门，继续下潜至6.8米停止，持续加水并密切注意仓内注水的深度，当前、中隔仓加水深度均达到3m，后舱加水深度达到 3.85m时，再继续进行华南号浮船坞的下潜工作。
沉箱稳定起浮吃水为12.112m，当沉箱吃水达到12m时，已接近沉箱起浮的临界条件，此时暂停“华南号”浮船坞的下潜，将已准备好的钢丝绳分别连接至沉箱上的钢丝绳及拖轮上的钢丝绳。同时，沉箱上的技术员复核沉箱内的压仓水深，若未达到计算压仓水深则继续调节压仓注水，直至压仓水深满足计算要求。待钢丝绳连接及压仓注水工作就绪后，安排“华南号”浮船坞上自带的起重机将连接“华南号”浮船坞顶及沉箱顶连接的工作栈桥吊离，“华南号”浮船坞继续下潜。当沉箱起浮时（此时沉箱吃水约为12.112m），略微收紧溜尾钢丝绳，使之处于轻微受力状态，“华南号”浮船坞继续下潜至华南号甲板顶距离沉箱水线12.91m处（此位置为12.112+0.3+0.5=12.91m），沉箱完全处于漂浮状态（沉箱底距离华南号甲板50cm，枕木厚度0.3米）。此过程中，由沉箱上技术员观察沉箱的倾斜情况，适当注水调节沉箱平衡。
在沉箱吃水达到稳定要求并处于水平状态后，指挥员指挥拖轮缓慢启动（很关键），缓慢拖动沉箱出坞并保证出坞方向平行于坞口方向，同时根据沉箱的移动速度，调节遛尾缆绳的松紧，确保沉箱出坞时缓慢、匀速。沉箱刚刚完全出坞口时暂停牵引，解开下游遛尾的2根缆绳，上游的2根缆绳继续遛尾。最后观察沉箱的压仓水深及沉箱的平衡状态，未达到稳定状态时再调节压仓注水，确保稳定后再次启动拖轮，待确定沉箱完全离开华南号20m以上距离时，华南号才可上浮（很关键）。详见图4。
3.3 沉箱浮游拖运
根据沉箱浮游稳定计算及科伦坡港水域现场情况，确定沉箱浮游拖运时的吃水深度为12.112（定倾高度m=0.405m），为使航道水深和基床顶水深满足沉箱的浮游稳定吃水要求，并保证有1.0m的富裕水深，根据拖运航道水深计算公式H≤H1-（T+ h1），其中H1为沉箱拖运时潮位，取0.6m；T是沉箱的浮游稳定吃水，为12.112m；h1为沉箱底与航道的富裕水深，取值1.0m，由此计算可得，沉箱拖运航道水深需满足-12.5（13.1深）m的要求。
本次沉箱拖运考虑在接近高平潮的时候进行，这时水深较大且潮水流速较慢、利于控制。拖运速度按照匀速，且相对水流的平均速度不大于0.7m/s。根据重力式码头设计与施工规范，拖带力为F=60.32KN。根据经验及统计值，拖轮每10 0马力可产生1.1～1.3吨拖力，可据此来估算本工程所需拖轮功率为≥60.32÷9.8÷1.1=559马力拖轮，因此选用1艘2×735kw拖轮进行沉箱的拖运施工。
3.4 沉箱安装
本工程沉箱为连续布置，除第一件沉箱安裝需利用定位方驳进行粗定位安装外，其他沉箱的安装皆依托已安装的沉箱。这种安装方法适合大型沉箱安装，且安装精度高。
安装第一件沉箱时借助1000t定位驳进行定位安装，同时启动卷扬机逐步将待安装沉箱拉到安装位置，将待安沉箱下游系缆解开，沉箱随水流方向往下游漂移，若潮水流速慢，可用小拖轮船协助顶推沉箱，使沉箱到达已安装沉箱的下游，同时启动方驳上的卷扬机逐步将待安装沉箱拉到安装位置。沉箱粗定位时，启动水泵或开启加水阀，使沉箱加水平衡下沉，等沉箱下降到适当高度后，挂上两个10t手拉葫芦在定位方驳（或已安沉箱）与待安沉箱接缝处，根据要求放置调整缝隙用的木枋或橡胶轮胎，沉箱继续注水下沉至沉箱底与基床面约1m时，暂时停止注水，测量沉箱4个角点将上下游的高差调平。以此作为第二个沉箱精确安装的依托。
粗定位后沉箱继续加水下沉，当沉箱底面与基床面距离0.3～0.5m时，对沉箱进行精确定位。由测量人员利用GPS对沉箱四个角的坐标、标高进行测量，根据测量结果，对沉箱注水（或抽水）调整沉箱，使其上下游标高接近或一致；控制卷扬机、手动葫芦，对沉箱偏位等进行调整，使其在规范要求范围之内。调整完毕后，继续向沉箱缓慢注水，并观察沉箱下沉动态，及时予以调整，使沉箱坐落于基床面上。继续注水并不断测量观察沉箱动态，调整各仓注水速度，使沉箱不至于在注水过程中偏位。当符合规范要求时，向沉箱加水到和潮水潮位一致，沉箱安装结束。
4.结束语
本工程出运码头已完成所有沉箱的出运与安装施工。项目部通过对出运及安装方案的科学优化，以及对施工工艺的精心设计，采用气囊搬运上驳与浮船坞下潜工艺，合理安排施工场地船机、人员，协调各施工组有序、高效地进行交叉作业，从而保证如期完成了出运及安装工作，并给项目带来了较好的经济效益。本次沉箱出运、安装工作的完成，为整个项目顺利完工起到了至关重要的推进作用。
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