外海长距离双沉箱出运及安装施工技术

夏可强，曾北海

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066000）

0 引言

沉箱结构由于其整体稳定性好、施工速度快、经久耐用等优点被广泛应用于码头、栈桥、防波堤等地基较好的港口工程中[1]。随着我国码头泊位的发展，其相应的出运、安装工艺也不断地创新与改变，其中半潜驳工艺装备在重力式码头结构沉箱出运中被频繁应用[2]。本文结合深汕特别合作区小漠国际物流港一期工程实例，重点介绍通过坐底式半潜驳实现双沉箱在复杂海况下长距离出运及安装施工技术，并对施工过程操作要点及注意事项进行总结，为后续工程提供借鉴。

1 工程概况

深汕特别合作区小漠国际物流港一期工程建设2 个5 万吨级多用途泊位（水工结构按10 万吨级设计）和2 个2 940 kW（4 000 hp）拖轮工作船泊位。工程位于汕尾市汕尾港海丰港区小漠作业区，沉箱在东莞洪梅预制场预制，经珠江主航道、香港水域外围公海以及深圳、惠州外海至水工现场，全程运距280 km，航行总时间约26 h。本工程为重力式沉箱结构，CX1 沉箱单座重量约为2 800 t，CX2 沉箱单座重569 t，见图1，CX2 沉箱运输采用单次双沉箱出运及安装施工技术。

图1 CX2 沉箱结构尺寸（mm）Fig.1 Structural size of caisson CX2(mm)

2 施工重难点

1）沉箱从东莞预制场经珠江主航道绕行香港外围公海，海上运距280 km，拖航安全要求高[3]，运距远、周期长，易受风浪等恶劣条件影响，沉箱拖航是制约工程施工工期的关键因素。

2）沉箱采用半潜驳外海长距离拖运，受风浪影响大，沉箱在半潜驳上的稳定性计算及加固是控制重点。

3）施工位置处于开敞式海域，有效施工作业天数较少，水上施工有效作业15～20 d/月[4]。

4）现场海况条件差，沉箱拖运至现场后，需根据现场海况，选择合适的时间窗口进行沉箱下潜起浮及安装。

3 施工工艺及方法

3.1 沉箱拖航整体稳定性计算

沉箱采用半潜驳9 号运输，由于途经南海（拖航计划）作业，为确保沉箱运输途中的稳定性、安全性，对半潜驳9 号运输沉箱过程中10 级风和涌浪3 m 的情况进行稳性计算论证，并研究相应的加固措施（设置支墩和挡墩）。

3.1.1 半潜驳船资料

半潜驳9 号主要参数见表1，采用Moses 软件建立空船状况水动力模型。

表1 半潜驳9 号主要参数Table 1 Main parameters of semi-submersible barge No.9

3.1.2 静稳性计算

3.1.2.1 装载状态稳性计算

坐标原点取船底中线与艏垂线交点。风速51.44 m/s，风向90˚（吹向舷侧），改变船舶横摇角0.2˚/次，改变250 次[5]。

计算结果如下：

入水角5.00˚；

初稳性：高27.01 m＞CCS 标准1.5 m（满足稳性要求）；

面积比：2.0＞CCS 标准1.4（满足稳性要求）。

3.1.2.2 装载状态稳性计算

计算结果如下：

最大复原力臂对应角18.8˚，满足《半潜船检验指南》中“可小于25˚，不得小于15˚”标准。

最大复原力臂对应的横倾角前复原力臂曲线下的面积1.11 m·rad≥0.08 m·rad，满足《半潜船检验指南》标准。

通过计算得到如下结论[5]：

1）船舶装载后静稳性满足要求。

2）当有义波高≤1.3 m（平均波高2.08 m），风速≤26.75 m/s，船舶以任意迎浪角航行均安全。

3）当有义波高≤1.6 m（平均波高2.56 m），风速≤19.03 m/s，船舶迎浪30˚～60˚为安全航向角，在角度范围之内航行是安全的。

4）当有义波高≤1.6 m（平均波高2.56 m），风速≤19.03 m/s，船周增设0.8 m 挡板，可防止甲板上水，船舶以任意迎浪角航行均是安全的。

5）在风速≤26.75 m/s（10 级风），平均波高≤2.56 m 时，沉箱的4 个角点共设8 个水平支撑，单个水平支撑需提供54 t 水平支撑力，在所有航行条件下沉箱在半潜驳9 号上是安全的。

3.2 沉箱出运

3.2.1 沉箱上驳工艺流程

沉箱上驳工艺流程为：焊内截门、安装旋杆→沉箱检查验收合格→顶起沉箱→抽出横移沟盖板→拉进横移车→落顶→沉箱横移至纵移区→顶起沉箱→拉出横移车→拉进纵移车→落顶→沉箱纵移至1 号平台位置→再次顶起沉箱→拉出纵移车拉进横移车→落顶→沉箱横移对准纵移区轴线→拆除1 号平台区域的纵移轨道→轨顶抬高5 cm 并重新安装→再次顶起沉箱→拉出横移车拉进纵移车→沉箱纵移上半潜驳→移动沉箱到达指定位置→重复上述工序将另一个沉箱移动至半潜驳→纵移车对接→纵移车封车→沉箱支墩背紧楔子→半潜驳上浮准备启航。

3.2.2 沉箱平面布置

沉箱上驳后之间距离为1.5 m，距离两侧塔楼分别为7.9 m 和7.3 m。沉箱下部搁置基础墩及封车措施到位，确保沉箱之间和沉箱与船舶塔楼之间的安全距离。每座沉箱四周各布置2 个支墩加固，2 个沉箱间距按1.5 m 控制，通过加固支墩及计算保证沉箱在拖航过程中不会发生位移，将沉箱与半潜驳带上缆绳防止沉箱在起浮的过程中发生碰撞，见图2。

图2 沉箱上驳后平面布置图（mm）Fig.2 Plan layout of caissons on barge(mm)

3.2.3 沉箱上驳

1）短轨安装及轨道检查

坐底式半潜驳驻位下潜坐底后，利用特制短钢轨将陆地与坐底式半潜驳钢轨连接，并用鱼尾板紧[6]。安装后，按JTS 257—2008《水运工程质量检验标准》相应项目要求检查钢轨偏差。

坐底式半潜驳靠紧码头驻位坐底后，主甲板轨道轴线允许偏差：以陆上纵移道轴线为基准，近岸端接头短轨处为5mm，远离岸线一端为50mm，符合此要求即视为坐底合格。

2）沉箱顶推上船

①沉箱顶推上船前进行轨道检查。

②坐底式半潜驳驻位坐底及短轨安装检查合格后，沉箱即可顶推上船[7]。

③专人负责施工前检查轨道、纵移车、顶推器等状况，施工过程中跟踪查看运行情况。

④顶推上船两列纵移车操作动作需协调一致，顶推速度控制在1.0 m/min 左右[6]。

⑤顶推就位后，沉箱位置偏差应符合要求。

3.2.4 封车加固

双沉箱上驳后，进行封车加固，操作步骤如下：

1）沉箱顶推到位前，先放置好艉横梁，并将该端横梁楔块插入。

2）沉箱顶推到位后，使纵移车尾端顶紧艉横梁，并在艏端纵移车轮与钢轨之前放置挡块。

3）拆除液压顶推装置，然后放置艏横梁，插入楔块。

4）去除纵移车轮与钢轨之间挡块的同时楔紧艏艉端横梁楔块。两端楔块的外露长度相等。紧固艏艉两端楔块的紧固螺栓。

5）台车对应铁楔子位置现场焊接钢板承压面和加强肋。成对放入支墩水平钢撑与纵移车车体垫板之间的钢楔并楔紧。楔紧钢楔的操作要在纵移车两侧同时进行，保证车体两侧支撑点受力相同。紧固楔块的紧固螺栓。

6）按照先外侧后内侧的顺序放置并打紧各支墩顶面的钢木楔块。封车加固后，组织人员按程序检查验收，填写半潜驳沉箱出运综合质量检查表。

3.2.5 沉箱加固

1）双沉箱上驳封车加固完成后，再进行沉箱加固。

2）沉箱加固采用槽钢斜支撑进行加固，2 座沉箱之间同样采用槽钢斜支撑及铁楔子进行加固，见图3。

图3 沉箱封车加固Fig.3 Fixing and securing of caissons

3.3 沉箱拖航

经计算，海上拖航阻力为51.57 t，交工80 系柱拖力62.5 t，满足拖航要求。

3.4 沉箱安装

3.4.1 施工流程

沉箱安装施工流程为：半潜驳进入停驳区→驻位→下潜→沉箱出驳→半潜驳浮起。

3.4.2 施工方法

1）半潜驳驻位

半潜驳到达施工现场后，由测量人员上船指导船员将半潜驳定在下潜坑位置，驻位完成后，通过测深水砣量测半潜驳四角水深。

2）沉箱下潜

2 座CX2 沉箱同时下潜，采用先起浮1 座沉箱，然后半潜驳起浮再下潜起浮另外1 座沉箱的方式作业。

2 座CX2 沉箱顶面牵引缆设置情况：2 座沉箱靠近半潜驳塔楼侧面四角分别设置牵引缆绳，2座沉箱之间设置防撞护木或轮胎，防止沉箱之间碰撞。

半潜驳驻位完成后先拆除第1 座沉箱四周的加固支撑，检查2 座沉箱截门，并在沉箱四周带好缆绳。半潜驳下潜分阶段进行：

第1 阶段：半潜驳开始下潜至沉箱底板，主甲板入水后，半潜驳稳定性突然减小，通过调整半潜驳四角压水进行找平，提高半潜驳稳定性。

第2 阶段：半潜驳继续下潜至沉箱阀门位置，然后2 座沉箱同时进行压水[8]。

第3 阶段：当半潜驳下潜7.4 m 深时停止下潜，2 座沉箱同时压水；进水阀门同时进行均匀压水，其中第1 座沉箱CX2-1 前仓压水0.4 m 高，后仓压水1.43 m，压水完毕后关闭进水阀门。第2 座沉箱CX2-2 在下潜过程中截门始终处于出运开启状态。确保第2 座沉箱在第1 座沉箱出运过程中始终稳定在半潜驳上。

第4 阶段：沉箱稳定压水完成后，半潜驳继续下潜至13.0 m。下潜过程中半潜驳塔楼主控操作人员随时注意船体前后左右倾斜指示变化，发现倾斜及时调整压水，保证半潜驳稳定下潜。半潜驳下潜速度根据第2 座沉箱进水速度适当进行控制，确保第1 座沉箱起浮时，第2 座沉箱内的水位与外面的水位保持一致，同时确保第2 座沉箱在下潜过程中不发生移动。

第5 阶段：由锚艇12 从前塔楼靠近沉箱，沉箱上起重工配合锚艇12 将第1 座沉箱带上缆绳，锚艇12 向前拖拽沉箱，1 号、2 号缆绳打开，3号、4 号缆绳慢慢放松，通过调整3 号、4 号缆绳松放速度，调整沉箱方向，防止沉箱与塔楼发生碰撞，见图4。

图4 沉箱出驳示意图Fig.4 Discharging of caisson from semi-submersible barge

3）沉箱起浮及拖运

考虑到潮水对沉箱安装的影响，第1 座沉箱出来后，拖轮51 靠近带缆绳，拖着沉箱至南护岸预定安装基床，根据潮水情况及时压水安装。

4）沉箱安装

CX2 沉箱长12.95 m，宽10.55 m，高9 m，底板厚0.5 m，沉箱底标高-8.0 m，沉箱施工准线为距离前沿线350 mm，东北角顶标高为1.3 m，东南角顶标高为1.4 m，西南角顶标高为1.4 m，西北角顶标高为1.3 m。沉箱截门高度1.6 m，干舷高度2.754 m，沉箱前仓测绳长8.105 m，后仓测绳长7.066 m。

沉箱安装前，方驳89 提前在南侧驻位，由于CX2 沉箱安装区域水域狭窄，靠西侧边坡水深较浅，为了防止沉箱搁浅，沉箱出驳后由拖轮拖至待安基床，沉箱靠近安装基床时先带缆到已安沉箱上，通过锚缆及倒链，将沉箱再缓慢向待安基床移动，直到沉箱完全就位。

5）第2 座沉箱安装

第1 座沉箱起浮完成后，将第2 座沉箱截门关闭，半潜驳开始排水起浮，待沉箱截门露出水面以后（截门距底板0.8 m）打开截门排水，排水过程中施工人员测量沉箱内水深，各仓水深到达计算高程后关闭相应截门。然后半潜驳继续下潜，后续施工方法同第1 座沉箱施工方法。

4 结语

1）双沉箱外海长距离出运，受风浪影响大，安全风险高，通过对“半潜驳沉箱运输过程的稳定性及风浪响应分析计算”，研究制定了沉箱出运加固措施，明确了沉箱外海出运拖航条件，有效保障了沉箱外海长航拖运安全。

2）本工程根据现场海况条件调整施工工艺，提高了沉箱下潜安装过程安全性。双沉箱采用同时下潜单次出驳一座沉箱的施工方法，有效降低传统双沉箱出运安装所需的船机使用量，保证了现场施工安全。

3）双沉箱外海长距离出运及安装施工技术的成功应用，避免了沉箱预制的重复建设，大大降低了沉箱预制场的建设成本，提高了现有预制场的使用效率，单次拖运安装双沉箱在提高沉箱安装效率的同时，缩短了施工工期，节约了施工成本，具有较好的推广价值。