大型沉箱无掩护海域安装技术分析
邹力漩+廖麒文
摘 要：当前码头工程岸线已延伸到外海，施工环境趋于恶劣，沉箱的规格越来越大，无掩护海域大型沉箱的安装成为新的挑战。某工程三件大型沉箱无掩护海域浮游安装的成功，为今后相似工程的施工提供了经验。
关键词：沉箱；无掩护海域；浮游稳定
中图分类号：U443.13 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）06-0038-03
近几十年我国码头工程大量建设，原有适于建设码头的优质岸线已基本耗尽，不足以承担货运量的增加和运输船舶的增大，码头建设走向外海、走向更恶劣的海况已是必然，沉箱的规格也趋于增大。某防波堤工程在堤头安装三件大型，既可作为港池的掩护，内侧也可作为泊位停靠船舶。沉箱安装位置距离天然岸线超过1km，水深超过30m，施工期间水文资料取两年重现期，平均波高1.7m，周期6.9s，波长73m，处于大风浪长周期波影响范围，沉箱安装是否成功直接决定工程建设能否完成。
每件沉箱尺寸均为23.45m×15.95m×18.5m，重3613t，全过程浮游安装，4200t半潜驳运载沉箱至施工现场，在下潜坑下潜，用2000t定位方驳上两台10t卷扬机通过导向滚筒牵引沉箱出驳，靠定位方驳并加固牢靠，等待低平潮灌水下沉定位安装。
1 沉箱浮游相关计算
钢筋混凝土重度取24.5kN/m3，海水重度取10.25kN/m3。
1.1 定倾高度
根据《重力式码头设计与施工规范》（JTS167-2-2009），近程浮运时，沉箱定倾高度不小于0.2m；远程浮运以液体压载时，沉箱定倾高度不小于0.4m。沉箱采用半潜驳运输至现场附近，再浮游出坞安装，可以认为沉箱为近程浮运，但由于施工现场为无掩护海域，沉箱安装周期超过12小时，风浪较大，沉箱定倾高度必须大于0.4m。空载时沉箱无法达到浮游稳定，采用压载海水的方式加强沉箱浮游稳定，经计算，沉箱各格仓压载水2.65m，沉箱顶工作平台约5t重，此时定倾高度为0.42m，满足要求。
1.2 干舷高度
沉箱浮运满足浮游稳定后，安装过程中还需满足干舷高度的要求，由于当地平均波高1.7m，无法满足规范中波高小于1m的安装条件，取最小干舷高度大于2m，并适当扩大沉箱倾斜角度至10°进行复核。经计算，沉箱各格仓压载水2.65m，干舷高度5.51m，满足要求。
1.3 拖带力
沉箱出驳时，吃水11.39m，当地平均涌浪波高1.7m，施工区域所测得最大水流0.71m/s经计算，配置2台10t卷扬机拖带沉箱出坞，安全系数仅2倍，实际安装过程中要选取合适天气，涌浪较小。密切跟踪天气情况，避开天文大潮，第一件沉箱安装当天波高小于1.2m，选择高平潮出坞，另配置750kW拖轮一艘，辅助沉箱出坞。
2 施工方法
2.1 施工流程
沉箱安装主要施工流程：施工现场准备→半潜驳运输沉箱到场→半潜驳定位下潜→定位驳锚机牵引沉箱出半潜驳→定位驳锚机拖带沉箱进入基床→沉箱带缆定位→沉箱就位安装
2.2 施工前准备
定位方驳由拖轮引导进入下潜点附近后，测量人员用GPS协助定位方驳在下潜点附近抛锚定位，半潜驳布置在方驳北方约50m。方驳上配有4台10t锚机和一台120kW发电机，用来牵引沉箱出半潜驳，并配备一台75kW发电机备用。沉箱顶部根据隔仓尺寸加工操作平台，操作平台呈十字形放置于沉箱顶部
沉箱在预制过程中，对其内部两边横隔墙距隔仓底0.5m分别预留有连通孔（共16个），将沉箱4×6=24个隔仓形成8大分水仓。每个分水仓对应有一个进水阀门（阀门直径
沉箱顶四角预埋有拉环，分别用4根100m长
2.3 沉箱安装
2.3.1 沉箱出半潜驳
安排在高平潮期间进行出半潜驳，此时水流平稳，持续时间超过2h，能满足出驳要求。所以半潜驳下潜时间选择在达到高潮位前5h开始注水下潜，沉箱出半潜驳工作1h可以完成。
2.3.2 沉箱悬浮
涨潮过程中，接近高平潮且风浪较小时，半潜驳开始下潜，首先调平船体，再向各水仓同时进水，保持半潜驳匀速缓慢下沉，不发生倾斜。当水漫上甲板面时停止加水，待半潜驳平稳后继續下潜，并保持尾倾0.3度。
在半潜驳下潜过程中，指挥员密切注意半潜驳的下潜情况，以及沉箱的吃水深度，半潜驳各水仓的灌水顺序及灌水量要满足整个船体的平衡和稳定要求。沉箱稳定起浮吃水为11.39m，空载沉箱需吃水达到9.88m时才开始起浮，但浮游不稳定，所以随着半潜驳不断灌水下潜，当水位漫过6m高处的进水孔时，海水通过预先打开的进水阀对沉箱进行灌水压载，直至灌满1.85m压载水时关闭阀门，同时半潜驳继续下潜。当沉箱吃水达到10.8m时，已接近沉箱起浮的临界条件，此时半潜驳暂停下潜。在旁待命的交通船上，施工员带领施工人员，乘坐交通船检查捆绑沉箱的尼龙缆与方驳上锚机的连接、电缆的布设等，检查无误后，半潜驳继续下潜。沉箱底板离半潜驳甲板面有1m的距离，继续下潜深度要根据现场的风浪情况确定，如浪高大于1m时，半潜驳不宜下潜，立即上浮，等待合适海况再下潜，一旦沉箱底离开甲板，则必须继续下潜。整个下潜过程要平稳缓慢，同时注意沉箱的稳定状况，及时进行调整。
2.3.3 牵引出半潜驳
待钢丝绳连接工作就绪后，半潜驳继续下潜，当沉箱起浮时（此时沉箱吃水约为11.39m），启动锚机，略紧张尼龙缆，使之处于轻微受力状态，半潜驳继续下潜至11.8m（甲板面），沉箱完全处于漂浮状态。此过程中，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。
沉箱吃水达到稳定要求并处于水平状态后，安装主管指挥方驳上锚机操作手启动锚机牵引尼龙缆，缓慢拖动沉箱出半潜驳，同时，根据沉箱的移动速度，调节遛尾缆绳的松紧，确保沉箱出半潜驳时缓慢、匀速。根据现场实际情况，决定沉箱出驳的方向必须与潮水方向一致，即退潮方向，以减轻尼龙缆拉力，加快出驳速度。当整个沉箱被牵引出半潜驳并靠至方驳边时，完成整个沉箱出坞工作，半潜驳可以进行排水上浮。
沉箱出半潜驳施工工艺示意图详见下图。
2.3.4 安装沉箱
2.3.4.1 第一个沉箱粗安装
根据现场实际情况，决定沉箱出驳后，短边靠定位驳，这样沉箱无需转向，直接通过定位驳移位至待安装地点即可安裝，提高安装效率，但需要增加沉箱加固措施。我部将沉箱顶预埋拉环全部挂满尼龙缆，共8条，保证沉箱平稳靠驳。
沉箱出驳后出现少许顶面不平衡的情况，在沉箱靠方驳时往沉箱内灌水调平。当沉箱靠上方驳后，解脱1号、2号两根遛尾缆绳，并用一条直径为80mm的缆绳把沉箱以捆绑式与方驳锚机连接。事先把每个沉箱的位置坐标计算出来，通过方驳移船，GPS系统定位，把沉箱移至预定的安装位置上，然后打开沉箱的进水阀门，对沉箱内进行灌水。开始灌水时要从小到大而进行，各个阀门的开和关要尽量做到同步。当沉箱内各隔仓灌水基本平衡，至沉箱底板离基床面距离为100cm时，关闭各个进水阀门，使用沉箱上挂的水泵对沉箱四角进行调平，再用GPS对沉箱的位置进行粗定位，如其实际位置与预定安装位置的偏差小于50cm时，可用水泵给沉箱内继续进行灌水，直至沉箱底面离基床顶面大约20cm时停止，这时拉好安装使用的缆绳及手拉葫芦，通过GPS测量四个角点、陆上的全站仪校核控制进行沉箱安装。当测量控制的偏差在规范允许范围内时，收紧所有的缆绳及葫芦，同时启动沉箱上布置的全部水泵向沉箱内灌水，让沉箱以最快的速度下潜至基床。确认沉箱坐稳基床后，仪器再次观测沉箱的偏位情况，如符合规范要求即可继续灌水压稳沉箱，如果出现了大偏差，并超过了预计要求时，再启动反抽水泵，把沉箱内的水抽出来，让沉箱重新起浮。根据实时水位计算沉箱临界起浮时压载水深，严密监控沉箱起浮状态，并重复以上的步骤进行安装，直至沉箱安装准确为止。
由于现场涌浪超过1m，安装第一件沉箱时难以精安装，待第二个沉箱安装后，再抽水、起浮重新进行第一件沉箱精安装。沉箱抽水起浮过程中，当抽水深度达到6.5m时，沉箱已处于浮游状态，此时减缓抽水速度，当沉箱起浮0.3～0.5m时停止抽水，通过已安装的第二件沉箱对第一件沉箱进行精安装，详细施工工艺见下节“第二件沉箱及以后的安装”。
沉箱靠驳及定位安装施工工艺示意图详见下图。
2.3.4.2 第二件沉箱及以后的安装
先进行沉箱粗定位，按照第一件沉箱安装时的施工工艺及顺序牵引沉箱靠驳，启动定位驳锚机逐步将待安装沉箱拖到安装位置，开启加水阀，使沉箱加水平衡下沉，通过潜水泵调节沉箱下沉的平稳度，等沉箱下降到适当高度后，挂上四个10t手拉葫芦在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碰垫，沉箱继续注水下沉至沉箱底与基床面约1m时，暂时停止加水，测量沉箱4个角点将高差调平。
粗定位后沉箱继续加水下沉，当沉箱底距离基床面0.3～0.5m时，对沉箱进行精定位。
由测量人员利用GPS对沉箱四个角的偏位、标高进行测量，根据测量结果，对沉箱注水或抽水调整沉箱，使其四个角点标高接近或一致；控制手拉葫芦，调整沉箱之间的木板厚度，对沉箱之间的接缝、错牙，沉箱偏位等进行调整，使其在规范要求范围之内。上述调整完毕后，继续向沉箱迅速注水，并不断观察沉箱下沉动态，使沉箱快速坐落于基床面上。
沉箱坐落于基床面上后，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，同时严密监控沉箱偏位情况，当各角点定位符合规范要求时，向沉箱加水至潮水潮位一致，沉箱安装结束。若测量结果不符合规范要求时，则沉箱必须抽水上浮，重新进行安装。
所有沉箱安装必须选择潮水无法越过沉箱顶的时段，当潮水越过沉箱时，无法进行沉箱安装，沉箱必须立即坐底，等待下一次低潮时再抽水起浮，重新安装。沉箱安装后，潜水员下水检查沉箱落底情况，以及沉箱间的错牙错缝，如不符合设计要求，需重新起浮安装。
第二件以后的沉箱定位安装施工工艺示意图详见下图。
3 结语
在第一件沉箱安装过程中，未准确预计沉箱下沉速度，在低潮过后仍然未能成功坐底。开始涨潮后，下沉速度更加缓慢，但错过了定位安装的最佳时机，涌浪逐渐增大，只能进行紧急坐底，破坏了基床，之后调整第一件沉箱时重新整平基床。后续两件沉箱安装前，预留的时间充足，准备工作充分，下沉时水泵和闸阀同时开启灌水，加速下沉，以前一件沉箱为依托，安装过程较为顺利，沉箱定位准确，一次成功。
本工程施工现场涌浪大，水流急，平潮历时短，施工船舶在海面驻船时间短，对沉箱快速、精确定位提出很高要求。为有效利用有限的平潮时间进行沉箱出坞和安装，施工时未采用起重船助浮，直接采用方驳牵引沉箱定位安装，免去了起重船抛锚定位、多次移船的步骤，除第一件沉箱安装时出现意外情况，其他沉箱均一次性安装成功，各项检验指标均符合规范要求。另外，在风浪条件较差的无掩护海域安装沉箱，浮游稳定验算非常重要，为保证沉箱出坞的稳定性，定倾高度必须大于0.4m，但不宜过大，否则牵引沉箱出坞的时间将大大增加。本工程大型沉箱无掩护海域安装的顺利实施为将来类似工程的施工积累了经验。
参考文献：
[1]邱驹.港工建筑物[M].天津：天津大学出版社.2002。
