半潜驳气囊方式出运大型沉箱施工工法(061123修改).

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

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：

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：

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

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：

出运码头及水域布置图

出运码头断面及搭接水位示意图

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，

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：

沉箱上驳作业水位计算示意图

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2

10h 进

h 离

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

气囊承压面积：S = n×B×L = nπL（D-H）/2

由公式：Q = P S = P nπL（D-H）/2

得：n = 2Q / P nπL（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，加气时从供气阀用高压软管与气囊连接，打开软管上的气阀即可向气囊充气，软管长度必须覆盖到半潜驳上沉箱就位后最后一根气囊，并留有余量。

4．沉箱上驳的操作过程

4.1上驳前的准备工作

4.1.1沉箱上驳前必须先利用陆上卷扬机牵引至出运码头前沿3m左右的位置，并保证沉箱重心在出运通道中心线上，用枕木作临时支垫，气囊仍保留在沉箱底并放气至枕木受部分力。

4.1.2半潜驳抛锚定位，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。

4.1.3检查上驳设备的状况，如牵引卷扬机是否工作正常、卸扣有无变形、滑轮组活动情况、空压机及备用空压机是否正常、气阀是否漏气、钢丝绳磨损情况、气囊是否破损漏气、船舶压排水系统工作是否正常等等。如有异常，需及时处理或更换，确保各设备及用具处于良好工作状态。

4.1.4半潜驳上气囊需滚过的通道必需清理干净，不得有突出物或其它杂物影响气囊的通过。

4.1.5在半潜驳上铺上气囊，气囊的摆放要均匀，每条气囊的间距控制在0.5~0.6m，先铺气囊的目的是节省沉箱上驳过程中搬运气囊上驳的时间，若周转气囊的数量足够多，则可将气囊一直铺到装载区沉箱就位处，可大大提高沉箱上驳的效率。

4.1.6将船上牵引滑轮组用牵引索与沉箱围捆索用卸扣连接。

4.1.7潮水上涨至至搭接水位时，移船进入搭接状态，并保持船舶纵向中心线与出运通道中心线对正，加压载水使半潜驳与码头进行搭接，半潜驳搭接结构底面与码头接触后，继续加部分压载水，保持半潜驳对码头有200~300t 的压力，以保持半潜驳的稳定，同时调整船舶浮态至正浮状态。

4.1.8由于半潜驳搭接结构与码头的对接不可能绝对平，而且一般均有20cm

左右的接缝，为保证气囊的顺利通过，应在接缝处铺上过渡钢板，尺寸一般为20m*1m*16mm ，且钢板边缘需打磨平整，以保证气囊通过时不被割伤。 过渡钢板沉箱上驳示意图

进入搭接水位溜尾绞车

沉 箱

半潜驳

牵引绞车

气囊

4.2上驳过程

沉箱上驳过程是沉箱出运过程的关键步骤，需充分掌握潮水的变化，选准作业时间，尽快完成，一般要求3个小时内完成整个上驳过程。

4.2.1在上驳前的各项准备工作完成后，就可以进行沉箱的上驳作业。沉箱上驳作业必需设一名总指挥，负责上驳过程的总体控制及协调。总指挥需熟悉沉箱上驳作业的各项操作，并熟悉半潜驳相关知识，沉箱上驳的指令由总指挥统一下达，指令的下达通过对讲机的形式进行，各相关人员都需配备对讲机并且大家均处于同一频道，作业前进行通话调试，确保作业过程中通讯畅通。

4.2.2上驳指令下达后，开始给沉箱底气囊充气，将沉箱顶升起，充气时各气囊充气要均匀，分多次将气压充至要求值，各气囊气压基本保持一致，顶升高度约为35cm ，抽出支垫枕木放置一边，不得阻碍出运通道。

4.2.3开动牵引绞车，同时松溜尾绞车，牵引沉箱缓慢前行。溜尾绞车的主要作用是控制沉箱运动速度，防止沉箱运动速度过快而发生危险，同时在紧急状况下，沉箱上驳作业无法进行下去时能将沉箱反拉上去，两台牵引绞车通过滑轮组后拉力需达到沉箱重量的5%左右。

4.2.4沉箱在移动过程中，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，同时要不断调整各气囊气压，使之基本保持一致。

4.2.5第一条气囊上驳后，半潜驳需马上开始排压载水，以尽量减少搭接结构对码头的压力。压载水首先从最前面的舱开始排，随着沉箱向中部的移动，依次向后排各舱压载水，同时保持船舶浮态正浮。

4.2.6沉箱的运动路线必须是沉箱的重心基本沿着半潜驳甲板纵向中心线前进，在移动的过程中，若发现偏移，则需及时纠偏，纠偏可通过两台牵引绞车和气囊的摆放来实现。为便于观察，一般在沉箱前进方向的侧面上用红色记号标出沉箱重心在左右方向上的位置，沉箱正常移动，红色记号应沿着甲板上标明的甲板纵向中心线移动，若向左偏，则可将气囊在摆放时适当向右偏，牵引时先开动左边牵引绞车，纠正后再同时开动左右两台绞车，若向右偏则反之，最后沉箱到位时，左右偏移量需控制在0.5米以内。

4.2.7随着沉箱向半潜驳上的移动，半潜驳搭接结构的受力在不断增加，至沉箱刚刚完全上驳时达到最大，为保证码头载荷不至超过设计承载力，同时保证搭接结构不至受力过大而破坏，在沉箱上驳的过程中，半潜驳需不断往外排压载水，并调整船舶浮态，使之始终保持正浮。若沉箱牵引速度过快，压载水排放速度跟不上，则需暂停牵引，等待压载水排到一定量后再继续牵引。压载水的排放量一般可按沉箱每移动一个气囊位上驳排水约为Q/n（Q为沉箱重量；n为实际顶升沉箱的气囊个数）吨计；压载水也不得排得过快，需

始终保持半潜驳处于搭接状态，且有200~300t对码头的压力，以保持半潜驳相对码头的稳定。

4.2.8半潜驳甲板上标有沉箱装载区，沉箱牵引到位后，需马上抓紧时间进行沉箱支垫工作，将枕木垫入沉箱底，塞满气囊间的空隙。沉箱支垫示意图如下：

气囊枕木1500mm*300mm*200mm

枕木1500mm*300mm*200mm

沉箱支垫示意图

4.2.9完成支垫后，将各气囊同时放气，使沉箱平稳地坐于枕木上，若个别气囊放气速度过快，可稍关一下放气阀，使各气囊放气速度基本一致。

4.2.10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，随着压载水的排放和潮水的上涨，半潜驳会起浮，这时需尽快移船使船舶脱离搭接。注意，在潮水退至可起浮水位之前，半潜驳必需离开搭接状态，否则半潜驳将被搁在搭接码头上而酿成事故。

4.2.11在半潜驳离开搭接状态后，进行抽气囊作业。将气囊从沉箱底抽出，抽气囊时注意不要直接拉气囊头的阀管，可用麻绳套住气囊体后直接拉麻绳，气囊抽出后可用半潜驳上的吊机一条一条吊上岸备下次使用。

4.2.12气囊抽出后进行解除沉箱围捆钢丝绳的工作，围捆钢丝解下后需整理好，用吊机吊上岸备下次使用。

4.2.13半潜驳最后需进行浮态的调整，通过控制各舱压载水量使半潜驳无横倾，为便于拖航，艏艉应有0.5m左右吃水差，拖航方向吃水少于另一端。

5．半潜驳的拖航

5.1拖轮的配备。

5.1.1拖轮配备的原则。半潜驳一般是非自航的，自身不带动力，需靠拖轮的拖带来实现运输。半潜驳的拖航是沉箱出运在海上的运输过程，配备合适的拖轮将有利于运输过程安全顺利地实现，拖轮配备的原则是拖轮的拖力能使船组在正常情况下能达到预定航速，并且拖轮能满足相关海事规范、法规的要求，安全性、可靠性要高，最好是双机双桨拖轮。

5.1.2拖轮拖力的选取。拖轮的配备一般根据船组所需达到的航速条件来计算船组在该航速下的阻力，从而确定拖轮在该航速下所需达到的拖力，再根据拖力来确定所需拖轮的主机功率。一般要求船组静水航速能达到3~5节，太快则会使所需拖轮功率过高造成功率浪费，太慢则会使所需拖轮拖力不足难以处理紧急情况。拖力可根据下式计算选取：

半潜驳在航速V下总阻力为：

R T = 0.7（R f + R B ）+Ra KN

R T：半潜驳拖航总阻力，KN

R f：摩擦阻力，KN；R f=1.67A1V1.83×10-3；

R B：剩余阻力，KN；R B=0.147δA2V1.74+.15V；

Ra：风阻力，KN；Ra=0.5ρV w2∑CsAi×10-3；