受限航道中沉箱吊浮结合方式运输工法研究

    王甫学

    

    

    

    摘 要：鉴于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整体稳定性好的较大优势，其已在人工岛的建造过程中得到了广泛应用。本文基于既有四类沉箱水上运输方法的基础上进行了改进和创新，并对受限航道中沉箱远距离运输过程中涉及的通航航道复杂性、沉箱波浪荷载计算、吊浮结合运输可行性、吊力与浮力分配规律、吊浮结合运输工艺、施工质量及安全控制开展了系统地研究，提出了吊浮结合方式沉箱水上运输工法，为实际工程提供参考。

    关键词：沉箱;运输;吊浮结合

    中图分类号：U693? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? 文章编号：1006—7973（2019）07-0095-03

    随着“一带一路”和海洋强国战略的不断推进，我国修建了大量高技术含量的人工岛。鉴于沉箱具有水上工作量小、施工速度快、整体稳定性好的较大优势，其已在人工岛的建造过程中得到了广泛应用。一般情况下，沉箱的施工流程主要包括陆地加工场内的沉箱预制、沉箱陆地出运、沉箱下水、沉箱水上运输与沉箱安装定位。待沉箱成功下水后，开始进行水上运输，当前工程中常用的四种沉箱水上运输方法分别为浮运、拖轮拖带半潜驳运输、驳船配合浮吊船运输和浮吊吊运，这四类出运方法各有各自的特点和适用条件[1]。上述四类沉箱水上运输方法已在沉箱运输过程中得到了广泛应用，同时也取得了较大的经济效益。

    然而，在受限航道中，航道水深和宽度均会受到一定限制，且在复杂的近海环境中，波浪和水流的影响均不能忽略，施工环境的复杂性和特殊性均迫使我们探寻一类适用于受限航道的大型沉箱水上运输方法。为此，本文基于既有四类沉箱水上运输方法的基础上进行了改进和创新，并对受限航道中沉箱远距离运输过程中涉及的通航航道复杂性、沉箱波浪荷载计算、吊浮结合运输可行性、吊力与浮力分配规律、吊浮结合运输工艺、施工质量及安全控制开展了系统地研究，提出了吊浮结合方式沉箱水上运输工法。

    1工艺介绍

    1.1工艺原理

    本工法基于吊、浮相结合的方式实现了借助起重能力较低的起重船运输较重沉箱的任务，可以通过改变沉箱的吃水深度来调整吊力与浮力的分配比例。

    根据沉箱的规格和起重船的承载能力，使得沉箱的一部分浸入水中，并配合起重船进行起吊，由起重船拖带沉箱前行。此方法可以有效地借助水的浮力来减轻起重船的吊力，同时能够通过调整起重船的吊力来改变沉箱的吃水深度。根据施工现场的實际情况，合理调整起重船的吊力与水的浮力（沉箱的吃水深度），使其达到一种动态平衡。基于本工法进行沉箱的水上运输时，沉箱的受力如图1所示：

    其中，he表示沉箱的吃水深度，FL表示起重船的吊力，Fv表示水动力在竖直方向的分力，Fh表示水动力在水平方向的分力，Fc表示起重船水平方向对沉箱的牵引力，G表示沉箱重力。对于任何一个瞬间，均满足下表公式：

    水平方向： Fh=Fc （1）

    竖直方向： FL+ Fb=G （2）

    1.2适用范围

    本工法适用于水上沉箱的远距离运输。对于航道条件受限（水深受限或者航道宽度受限）、沉箱规格较多、工期要求较严格、施工设备受限及非极端波浪条件下（通常波高不大于2.0m，波浪周期不大于10s）的工况，该施工方法的技术经济优势更加明显。

    2 施工工艺流程

    沉箱在陆域加工场进行预制，预制完成后，通过顶升气囊顶升沉箱，再通过拉移气囊将其移运至出运码头前沿。然后由起重船吊起沉箱并放入水中，借助水的浮力减轻起重船的拉力，并使沉箱半漂浮在水面上，之后由起重船拖带沉箱到施工现场，最后进行沉箱的安装就位。施工工艺流程图如图2所示。

    3 操作要点

    3.1准备工作

    沉箱出运、安装准备工作主要包括沉箱出运前检查、清理沉箱底座、清理出运道路、系围捆钢丝绳、选择并布置气囊、沉箱浮游稳定计算等。

    3.2气囊出运沉箱

    在完成沉箱在预制场内的预制后开始采用气囊法进行沉箱出运如图3所示。其方法通过对沉箱下放置的胶囊充气、加压顶升沉箱，再在需移动的方向上施加牵引力，使气囊产生滚动，从而达到搬运沉箱的目的。

    3.3沉箱下水

    沉箱下水时采用1800t自航起重船吊运方式，起重船吊运过程需密切关注施工现场风浪及现场其他船舶动向，以确保沉箱下水过程中的安全。下水具体流程为：起重船移船抛锚定位完成→起重船开始平稳渐进的方法移船至吊装区域位置上方→吊钩下降使吊具下的高强杆轴接近沉箱至适当高度→起重船微调使杆轴与沉箱吊装孔准确对位，对位后落钩将高强杆轴完全穿过沉箱→将吊具下高强杆轴锁上保险销→起重船主钩逐渐上升，当主钩受力至额定负荷的1/5～1/4（约74-93t）停止上升，检查吊索、吊具、高强拉杆连接状况[2]→如无异常，主钩继续上升至沉箱处于完全悬浮状态→起重船开始平稳后移→沉箱放入水中。如图4所示。

    3.4沉箱水上运输

    对于自身重量较起重机承载力大的沉箱采用浮吊结合方式进行水上运输。本工法中沉箱运输时会同时借助水的浮力和起重船的吊力，依靠水的浮力和起重船的吊力将沉箱运输通过水深或宽度受限的航道，并将其拖行至安装水域，此时需要进行沉箱的水动力荷载计算和浮游稳定性验算，沉箱水上运输示意图如图5所示。

    在近海环境中施工时，波浪荷载通常是影响沉箱运输稳定性的最主要荷载。本文对沉箱波浪荷载的主要影响因素（波浪参数和沉箱几何尺寸）进行了系统地参数敏感性分析，并基于数值分析结果，采用多变量分析方法，提出了一个能够用于粗略估计沉箱波浪荷载的数学计算方法：

    F=F（H， T， d， a， b， he）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

    式中：

    a——沉箱迎浪侧垂直于波浪传播方向一侧的尺寸

    b——沉箱沿着迎浪方向的尺寸

    he——沉箱吃水深度

    通过研究发现波浪荷载随着波高和周期的增大而增大，随着水深的增大而略微减小，同时发现吃水深度对沉箱波浪荷载的影响与波高有一定的关联性，并确定沉箱波浪荷载的计算公式如下：

    式中：

    z1、z2——沉箱底面与静止水面处的坐标值

    3.5沉箱安装

    当沉箱基于本文所提出的浮吊结合方法运输至指定海域时，方可筹备沉箱的安装。 沉箱安装的主要步骤为：起重船移船抛锚定位完成→起重船用渐进的方法移船定位，并结合变幅的方法将沉箱平稳的吊至安装区域位置上方[2]→主钩缓慢下降，沉箱距基床30cm左右（视现场风浪情况，确定提升高度）→测量复核→微调起重船使沉箱精确定位，主钩缓慢下降→1～2个低潮后再检查沉箱位置。

    4总结

    综上所述，吊浮结合方式水上运输能够充分发挥吊运与浮运各自的优势，显著增加此工法对施工环境的适应性，增加沉箱水上运输过程中的浮游稳定性，易于控制沉箱的前进方向。同时，其借助起重设备的吊力和水的浮力来克服沉箱重力与前进过程中的阻力，水的浮力降低了运输过程中对设备的要求，在一定程度上减少了设备费用和人工成本。

    参考文献：

    [1]赵建智. 特大型沉箱的出运及安装工艺研究与应用[D].中国海洋大学，2011.

    [2]陆广明.金塘大桥大型箱梁安装施工技术[J].华南港工，2007（04）：50-54.

    [3]中华人民共和国交通运输部.重力式码头设计与施工规范[M].2013.

    [4]周乐平.500吨沉箱水垫运输施工技术[J].中国港湾建设，2002（04）：43-45.

    [5]许文贵.重力式沉箱码头施工与质量控制分析[J].珠江水运，2018（06）：97-98.