大型预制沉箱施工工艺

1、大型预制沉箱施工工艺陈永谦 张玉勇 胡良猛 一、 工程概况：1.1 工程简介广州港南沙港区二期工程位于广州市南沙龙穴岛，建设规模为6个码头泊位，码头岸线长2100米。   码头泊位采用重力式沉箱结构。该工程的建设将使广州港区格局发生质的变化，形成以南沙港区为龙头，以新沙、黄浦港为辅助的广州港区新格局，对广州建设现代化国际强港具有重大意义。我局施工的的5#、6#码头为两个510万吨级码头。码头岸线长度700m。码头前沿设计底标高为-17m。码头面高程为+5.4m：壁岸结构采用重力式沉箱结构方案，沉箱长17.84m，宽15m，高18.9m，单个沉箱重2237t，为华南

2、地区最大的沉箱结构。沉箱下部为抛石基床，沉箱间设置混合倒滤井，后侧为抛石小棱体和倒滤层，棱体后回填、吹填砂。1.2 自然条件本工程位于珠江口伶仃洋喇叭弯弯顶，广州市番禺区龙穴岛围垦区东南部,紧临南沙港区一期工程下游，经纬度为113°40E、22°40N附近。本地区潮流属不规则半日潮流，每日出现两次高潮和两次低潮。南沙港区所在的海区涨落潮基本为与海岸线平行的往复流，且靠近岸变得流速小于靠近伶仃西航道的流速。港址处缺少实测潮流资料，据1992年7月2-4日的潮流观测资料，龙穴岛外水深5米涨潮平均流速为0.51m/s，落潮平均流速为0.25m/s，涨潮平均流向330°，

3、落潮平均流向133°，涨潮最大流速为1.15m/s，落潮最大流速为0.73m/s。岸壁区设计流速取值0.43/s，潮流呈往复流性质，流向大致顺着水道（平行于码头轴线）。1.3 沉箱结构简介5#、6#泊位工程的预制沉箱共计36件，每件沉箱长17.84米，宽15米，高18.9米，内有12个空格，外墙厚380mm和350mm，内墙厚300和200mm，一端带有长1000mm前趾，底板厚650mm，加强角尺寸为200mm*200mm，混凝土标号为C40，单件沉箱方量为895m3，重量为2237t，混凝土总方量量为32220m3。（如下图1） 二、 沉箱预制施工工艺： 1. 模板工艺1.1 底

4、胎模制作：考虑到运用气囊进行沉箱的顶升和出运工作，在现已改造好预制场地的整板基础上铺设双肢28槽钢，两侧分别焊接一根18槽钢作为支座，18槽钢上满铺100mm厚木方，槽钢长为沉箱底宽，为15米，支座净间距为1.9米对拉丝杆连接。底模铺设用水准仪抄平后，并在底胎模上铺一层油毛毡。（见下图） 底胎模结构示意图（2）1.2 底板模板工艺底板侧模分4片侧模和12个芯模，全部采用定型桁架钢模板，以12槽钢为竖背楞和横背楞，用10槽钢作桁架和斜支撑。面板采用6mm钢板制作，面板后设有加劲肋，采用5#角铁与面板焊接成整体。底板模板结构示意图（3）侧模下口采用海绵条进行止浆，。模板上、下部位全部用对拉丝杆调整

5、加固，在模板上端向下150mm处预埋圆台螺母和螺杆作为下次墙身侧模支撑及下口止浆使用。预埋丝杆示意图（4）底板芯模的支撑是在底胎模上利用钢筋混凝土垫块进行支撑，垫块上下两头为C40砼制成，中间用28螺纹钢筋支撑。垫块安装用水准仪抄平。底板芯模垫块示意图（5）1.3 墙身模板工艺底板侧模分4片侧模和12个芯模，全部采用定型桁架钢模板，以12槽钢为竖背楞和横背楞，用10槽钢作桁架和斜支撑。面板采用6mm钢板制作，面板后设有加劲肋，采用5#角铁与面板焊接成整体。墙身模板结构示意图（6）侧模底口用预埋在墙身里的圆台螺母进行支撑，止浆采用在墙身上贴上海绵条。同样在墙身模板上口留有圆台螺母做好下一步的墙身

6、施工准备。在第一次墙身拆模板后将底板的圆台螺母用扳手取出，将圆台缺口用C40混凝土进行修补。芯模四周用法兰盘和调整螺栓调整平整度和垂直度，在墙身预埋4个推拉盒用做上层内模的支撑点，混凝土浇注完拆除推拉盒在墙内留有纵深10cm的缺口。墙身芯模底部有插销式槽钢，可以插入缺口中支撑起墙身芯模自重及施工荷载。墙身芯模支立示意图（7）2、钢筋成型工艺：底板钢筋直接在底胎模上进行绑扎。每层墙身钢筋在固定的绑扎区内绑扎，形成整体后用龙门吊吊放进行安装，考虑到每次浇筑沉箱的高度，制作一个4.5m高的钢筋绑扎、吊运支架。在此介绍一下钢筋帮扎架的基本结构情况（如下图8、9）。左图为12吊点示意图，右图为结构示意图

7、。 A-A，BB剖面图（9）整个钢筋绑扎架的结构与沉箱钢筋端面图相符合，由于整个钢筋基本处于均布状态，每层钢筋的重量约为23吨，均布于整个绑扎架，考虑到整体绑架的结构受力，降低绑扎架的抗弯力矩，整个帮扎架采用12点吊超静定平衡结构，根据实际情况和龙门吊的吊运高度最大限度的增加吊点与绑扎架面之间的高度，增加吊索于绑扎架之间的夹角，进一步减少降低其弯矩的量。以上两点大大以降低绑扎架的弯曲变形的产生，确保了整个钢筋笼的整体性。钢筋制作完毕，长料通过龙门吊运送到绑扎场地（短料人工运送）。待绑扎架就位到绑扎场地进行钢筋绑扎，由于分层生产在绑扎架上事先做好钢筋数量和上下层高低筋搭接位置的标记，以便搭接位置

8、和搭接长度及数量满足规范要求。钢筋绑扎完好后用夹具将纵向钢筋夹在绑扎架上，以保钢筋笼顺利吊起和整个钢筋笼的整体性和稳定性！整个绑扎架的断面尺寸与沉箱构造筋相符保证了沉箱的钢筋保护层的尺寸满足设计要求。通过龙门吊将带有钢筋笼的绑扎架吊起，调运至沉箱生产场地进行钢筋搭接绑扎，搭接的长度依照规范要求为35d。绑扎完毕吊出绑扎架进入下一个钢筋笼绑扎循环。三、 主要工艺流程原材料采购底胎模铺设原材料检验底板钢筋加工底板钢筋绑扎混凝土配合比试验底板模板加工安装底板模板混凝土拌制浇注底板混凝土墙身钢筋加工墙身钢筋分层绑扎墙身模板加工墙身分层支立模板墙身分层浇筑混凝土沉箱养护沉箱平移装船主要工艺流程图（10）

9、主要工艺流程如上图10，完成整个工艺流程确保工期和进度，要求制作墙身外模板2套内模板一套，底板一套。两个沉箱作为一个流程施工。浇注完2个底板后，拆除内模，吊入12个内绑扎平台，内绑扎平台下部焊接推拉盒，安放在底板预留备墙身内模支撑用的缺口中做为支撑。内平台结构简图（11）吊运、安装墙身第一层钢筋笼，内平台和底板外模板用做搭接绑扎施工使用。绑扎、验收完毕，拆除内平台外底板模板，安装外墙身模板，外模板安装主要依靠事先预留在下层的圆台螺母，通过圆台螺母丝杆的支撑用螺帽上紧支撑。外模四角用螺丝和对拉丝上紧。内模主要依靠预留在下层的缺口，在内模上的推拉盒将其推入缺口中，再依靠内模上的法兰螺丝与底层的墙壁

10、顶紧的摩擦力和推拉盒的支撑力来完成内模支撑。整个沉箱模板安放好以后通过经纬仪或吊线来调整整个模板的垂直度。在内模和外模之间通过固定间距的对拉螺丝上紧，以保证各个墙壁的间距和整个模板的整体性。检查合格后进行浇注工作。 与此同时进行第二个沉箱的第一层墙身的钢筋笼的安装、绑扎和内平台及底板外模板的拆除工作。安装第二套墙身模板，待前一个沉箱内模拆除吊入此沉箱进行安装、浇注等工作。再浇注过程中完成前一个沉箱的下一层墙身的钢筋笼安装、绑扎验收等工作。依照此循环来完成整个沉箱的浇注。 在整个浇注过程依靠一台37米的泵车来完成。因考虑到沉箱的面积大，浇注的整体时间较长，对浇注的工艺采取了由中心向四周，由内而外

11、的浇注工艺。即先浇注沉箱的内部的12个网格的中间两个格子的7道墙，浇注一定的高度，依靠混凝土塌落和振捣流淌延伸到四周的格子里面。待混凝土延伸快至外墙时转变浇注顺序，开始从外墙身进行循环浇注每层下料约50CM，同样依靠混凝土的塌落和振岛流淌向内部12个格子的墙身延伸，这样大大减少了层于层之间的时间间隔，使混凝土的外观质量有了保证降低了因时间间隔长造成的色差现象的产生。四、沉箱出运整个沉箱构件预制完、整体达到强度后方以开始进行沉箱出运，沉箱预制在我厂施工场地的3区、4区和5区进行，4区还作为出运通道，整个出运过程的工艺流程如下：纵向气囊安放、顶升沉箱 沉箱用垫木支撑、气囊放气 底胎模拆除 纵向气囊

12、安放、顶升沉箱 卷扬机牵引沉箱至出运通道 沉箱用垫木支撑、气囊放气 横向气囊安放、顶升沉箱 卷扬机牵引至出运码头 装船。4.1 底胎模拆除将胶囊均匀布置在底胎模10cm木底模下面的间隙内，对胶囊冲气，冲气后的胶囊将整个沉箱构件连同木底模一起顶起，顶起后将槽钢全部抽出并在沉箱底部的四个边上放置双层200*200木枋，对胶囊慢慢放气到一定高度后由底边的支撑块受力支撑沉箱。随后将气囊内放气将气囊上边的10cm木模板抽出，完成底胎模的拆除工作。4.2 沉箱运输底胎模拆除后，同时对所有气囊进行冲气，捆绑沉箱，依靠卷扬机牵引沉箱底部气囊滚动将沉箱牵引至出运通道，到达出运通道。开始进行气囊转向放置，同样在沉

13、箱下部放置支撑垫木、放气、抽出气囊，再转向放置气囊、充气取走垫块，通过卷扬机牵引至码头前沿直至顺利装船。 沉箱移动图片。 利用气囊运输沉箱上船五.沉箱安装施工工艺现场根据实际情况，分别采取了三种不同的安装工艺，都取得了成功。1. 一般原则安装前对基床的验收非常重要。特别是有无回淤情况，对潜水员能明显探摸到的浮淤，必须用清淤船进行清淤。如果是轻微的浮淤，用水下高压水枪冲洗即可。所有的沉箱安装都要在落潮时开始，在低平潮时使沉箱落底，尽量降低潮流对沉箱安装的影响。沉箱安装就位完成后，要一直加水到所有的仓格满水。一般经过两个潮水周期后，可以稳定。如果发现沉箱位移，偏差超过了允许值，就要重新抽水使沉箱起

14、浮，重新安装。由于基床的设计倾斜度为1.5%，所以经过了一两个潮水周期后，基本上所有的沉箱都有位移，一般向下滑动（向岸侧）10-15cm。找到规律后，一般安装时就要考虑到一定的提前量（12cm左右）。安装定位采用GPS即时定位。粗定位采用目测定位，通过已安装沉箱作为参考使沉箱基本就位。在沉箱底部距离基床面30cm时，停止加水下沉，用GPS在待安沉箱顶部进行精确定位，然后快速加水，使沉箱在最短的时间内落底。2. 安装工艺2.1 定位船安装第一只沉箱安装时，通常情况下是粗安，待第二只沉箱安装完成后，利用第二只沉箱作为依托，将第一只沉箱趁低潮抽水起浮后，用滑轮或手拉葫芦进行调整，精确安装。但这种方法

15、不适用本工程。原因是一期工程予留的沉箱向海侧位移30cm，也就是说第一只沉箱与予留沉箱有30cm的错牙（见下图）。如果按照常规工艺，等第二只沉箱安装完成后，再返调第一只沉箱，沉箱予留的间距只有8cm，通过8cm的间距来调整30cm的错牙，难度相当大。考虑到现场有8m3的抓斗挖泥船可以利用，挖泥船的两只前锚为5T，两只后锚为7T，抓力可以满足船带动沉箱进行微调的要求。首先，挖泥船靠近储存场，将待安沉箱固定在8m3的抓斗挖泥船一侧船舷，通过绞锚达到安装位置，当开始落潮且接近平潮时沉箱加水下沉（加水的时间需要计算，加水完成应是平潮）。当沉箱底部距离基床30cm时停止加水，通过对挖泥船锚绳的收放对沉箱

16、进行精确定位，定位完成后，挖泥船的四根锚绳全部收紧，快速加水使沉箱下沉坐底。该方案的关键在于：一、定位船的锚机要足够大，在最大潮流速时保证不走锚；二、一定选择在平潮时沉箱坐底，否则不能保证安装的精确度；三、尽量选择风平浪静的天气，减少波浪对沉箱的晃动。2.2 500T起重船安装当半潜驳下潜位置距离安装位置比较近，起重船不需起锚即可通过绞锚移位到安装位置时，可以直接采用起重船进行安装。由于半潜驳“工2”以及“重任1602”的下潜深度达不到沉箱起浮的要求（最大潜深沉箱吃水为9m，沉箱加平衡压仓水后自动起浮要求吃水11.6m），需要500T起重船配合起吊沉箱出驳。沉箱出驳后半潜驳上浮，起重船通过绞锚

17、移位到安装位置，开始向沉箱中加水使沉箱下沉。沉箱位置的微调通过下图的10T手拉葫芦1、2和缆绳1、2共同完成。用起重船安装有个最大的优点是：如果沉箱落底后发现安装的偏差较大，可以马上起吊（此时水位仍未淹没沉箱），重新定位安装。但是起重船安装有个缺点，那就是占用的水域面积太大（200m*300m），严重影响旁边其他工序施工，当施工水域船只密集时，不建议采用此种安装方法。 2.3 拖轮拖带安装本工程的大部分沉箱是采用拖轮拖带到安装位置安装的，主要有以下两种情况：一、 半潜驳下潜位置距离安装位置比较远，用起重船协助沉箱出驳后，无法一次移位到指定地点安装；二、 从沉箱储存场拖带沉箱到安装地点。2.3.

18、1 拖轮拖带方案近距离拖带方案有两种，一是双拖轮夹拖；二是一艘拖轮主拖（傍拖），沉箱后面用一艘锚艇顶推（校正方向）。见下图。需要注意的是，在沉箱拖带过程中，根据拖带的方向，选择涨潮或落潮时候拖带，目的是尽量顺潮流前进，避开逆潮流前进，否则阻力太大，前进困难（沉箱的迎水面面积太大，象一堵墙）。拖轮全速前进，拖带缆绳受力大，可能会造成缆绳断裂，导致沉箱失控的危险情况。如果逆潮流航行，要尽量选择潮差最小的时候（潮流速最小）。另外，需要充分考虑到风力影响，一般海上风力大于6级，就不宜进行拖带及安装作业。 用拖轮拖带沉箱一定要充分考虑到各种不利因素，作好抢险预案。比如，施工现场附近应有备用拖轮或锚艇，防

19、止一艘拖轮失去动力后，有马上有新的动力补充；拖轮上的拖带缆绳应备至少双份，防止拖带缆绳意外断裂，马上有新的缆绳补充。2.3.2 安装方案沉箱从半潜驳卸驳后，拖轮靠近沉箱，由在沉箱作业平台的操作工人协助，系好拖带缆绳。然后拖带到安装位置。将待安沉箱与已安装的沉箱用交叉缆绳系紧，拖轮解缆离开。然后向沉箱中加水下沉，通过手拉葫芦对沉箱进行调整。见下图。2.4 封口沉箱的安装工艺2.4.1 现场条件根据业主的统一安排，预留2只沉箱的位置不安装，作为后方抛砂的船只通道，等待抛砂基本完成后，进行封口。根据前期沉箱安装的控制，最后一只封口沉箱留有26cm的间隙（设计为8+8=16cm）。其余所有的沉箱都已经安装完毕，形成了一个封闭的港湾。待安装的沉箱就以浮游状态储存在港湾中（为了避风浪，保护沉箱），用缆绳带紧，靠在已安装的沉箱内侧。沉箱吃水13.5m（比浮游稳定的吃水多1.9m），主要考虑到港湾中无浪，对稳定的影响首要是风，所以增加吃水以减少水上暴露的面积。 沉箱安装有相当大的难度。首先，封口的季节是冬季（1月份），海面上一直有风浪，浪高0.4m以上。沉箱在风浪的影响下，姿态不稳定，如果沉箱不能保证以垂直的姿态，就很难进入到预留的口门中。其次，沉箱进入口门中，受潮流和浪的双重影响，很难固定，就是说在沉箱加水下沉的过程中，沉箱一直在摆动，在沉箱落底的瞬间，