气囊工艺在沉箱结构码头施工中的应用

1、档案号：题目：高压气囊工艺在沉箱码头施工中的应用单位：山东省筑港总公司姓名： 孟祺 9高压气囊工艺在沉箱码头施工中的应用 内容提要高压气囊顶升、拖运巨型沉箱工艺与传统的千斤顶、台车工艺相比，在工艺设备、经济成本、施工技术等方面具有较大的优越性；在自身浮游不稳定吃水深度较大的巨型沉箱中的应用，更是扩大了气囊的应用范围，减小了沉箱吃水深度，解决了浮船坞下潜深度不足的难题。主题词高压气囊；顶升；拖运；助浮随着我国港口建设事业的发展，深水泊位码头的建设越来越受重视，也是地方港口增加吞吐量，扩大竞争能力的有力武器。而在深水泊位码头的施工中，巨型沉箱工艺，因其减少水下工程量，一次性出水，施工速度快，码头的

2、整体稳定性好等优点，是建设方和设计单位优先考虑采用的结构形式。目前国内预制沉箱的重量从几百吨逐渐向大型化发展至数千吨。但沉箱重量的提高对其顶升、出运及安装造成了一定的困难，原来的千斤顶顶升和滑车拖运工艺已不是最经济适用的方法。结合类似工程的成功经验和本工程的实际情况，我单位采用气囊顶升、拖运、助浮巨型沉箱的施工工艺，值得推广和应用。一、 高压气囊顶升、拖运巨型沉箱工艺1工程概况：由我单位承建的龙口港某工程，共有沉箱23个，23段（19个沉箱标准段，2个沉箱过渡段，2个沉箱翼墙段）。每个标准段长为14.5m，需要安装1# 沉箱21个，2#、3#沉箱各一个，其中1#沉箱最重，尺寸为14.44*15

3、.7*16.4m，单个沉箱重量为1777吨。2.工艺结构要求：2.1高压气囊自身的结构特点：多功能高强度橡胶气囊因其良好的承重、承压性能，已越来越广泛地被应用于工程建设和船舶制造、打捞等领域。起重气囊具有巨大的举升能力，目前国内某公司生产的单条气囊的举升力可达30，000kn，其工作压力达到1.2mpa。搬运气囊具有相当的承载力和较小的滚动阻力，多条气囊组合可以搬运数万吨的重物。其中在工程建设中可广泛应用于大型混凝土预制件（如沉箱、箱涵、桥梁等）。助浮气囊在不充气时体积小、重量轻，比浮力（浮力/自重）大，便于水上、水下操作，尤其在深水作业时不必像浮筒一样考虑水下抗压强度。目前能生产此类规格的气

4、囊厂家仅山东地区就有3、4家之多，比价、采购方便，可针对不同的工程具体情况专门定做加工不同规格的气囊。气囊柔软韧性高，抗压、抗磨、耐腐蚀。2.2对沉箱和地坪的要求：采用高压气囊顶升和拖运沉箱时，应首先根据沉箱的重量（顶升时应考虑地坪对沉箱的吸附力）、囊径和气囊的工作压力，计算出所需的气囊数量，本工程所采用的顶升、拖运气囊的囊径为1000mm，顶升气囊的总长度为15.5m；拖运气囊的总长度为16.7m。气囊的正常工作压力为0.2-0.4mpa（顶升气囊的正常工作压力为0.3-0.7mpa），沉箱的重量为1777t。顶升时，根据施工经验，沉箱对预制场地地坪的粘结力约为沉箱自重的17%，则顶起沉箱的

5、顶升力G=1777*（1+17%）=2079吨，根据以下公式：承载面宽：B=3.14(D-H)/2; 承载面积：S=BL0=3.14(D-H) L0 /2;单根气囊的承载力：F=SP=3.14(D-H) L0P/2;所需气囊的总长度：L总=G L0/F=2G/3.14(D-H)P;所需气囊的根数：N= L总/L0;式中L0气囊的承载面长度；P气囊内工作压力；G沉箱重量；H气囊的工作高度；D气囊直径；并结合实际场地情况和可操作性，可推算出所需顶升气囊为3根，拖运气囊为6根。因气囊与沉箱和地面的接触面积大，最大工作压力仅为0.7mpa，且为柔性接触，因此对地坪的平整度和强度要求不高，地坪结构设计为

6、30cm厚的二片石垫层和15cm厚的c20砼，要求地坪的承载能力不小于20t/。但考虑到对气囊的保护作用，在沉箱预制时最好将沉箱底面四周设倒角，以延长气囊的使用寿命。与台车拖运沉箱工艺所不同，气囊顶升工艺需要在预制场地坪上预先布设三条纵向的管沟，管沟深度主要由盖板厚度和垫木厚度决定，管沟宽度主要由气囊囊径决定，因本工程中:盖板厚度h1=25cm；垫木厚度h2=20cm;考虑气囊穿越及顶起后放置垫木，管沟深度必须留出一定的富裕量，故管沟深度设计为h沟=45cm。因气囊囊径d=1000mm;气囊宽度为b=d/2=1.57m;考虑气囊穿越宽度富裕量，管沟宽度设计为b沟=1.6m。管沟基础较地坪稍做加

7、固处理，要求承载力不小于30t/。管沟盖板1.8×1.5×0.25m3,采用C25的钢筋混凝土结构，也可采用钢结构，要求承载力不小于30t/。同时注意在顶升前要对气囊管沟进行彻底的清理，以防废钢筋头等尖锐物对气囊造成损害，在顶升后、拖运前亦要检查沉箱底面是否平整；是否存在因漏浆造成的尖锐突起；以及管沟盖板顶面的平整情况，若存在对气囊有损害的物体，必须进行彻底清除，以免损害气囊和造成安全事故。3.工艺设备要求： 3.1采用高压气囊施工工艺在短距离运输操作时，因其重量轻，不需要配备专门的吊运和搬运设备，仅靠现场的塔吊和小型机械及操作人员就可完成。3.2与台车拖运沉箱工艺不同的是

8、需在施工现场配备充气设备:6m3空压机一台;1m3储气罐一个;90mm充气管200m; 90mm的三通5个；截止阀5个；快速接头及压力表等。气囊设备：顶升气囊3条；滚动气囊13条。3.3其他与台车拖运沉箱工艺相同的设备有：8吨卷扬机6台；200kw发电机一组；五五滑轮组6组；对讲机和测量仪器等。4.劳动力组织方面：因气囊体积相对较大，在搬运时需多人配合操作才能完成，特别是沉箱拖运时，需要频繁的移动气囊，另外加上充气人员、卷扬机操作人员、指挥人员等共需约30人才能完成。因此与台车工艺相比操作人员相对较多，施工组织管理强度较大。5.工艺技术经济分析、比较：5.1采用千斤顶、拖车工艺的费用分析：千斤

9、顶及拖车费用。根据施工经验，沉箱对预制场地地坪的粘结力约为沉箱自重的17%，则顶起沉箱的顶升力G=1777*（1+17%）=2079吨，考虑安全储备后需要500吨千斤顶至少6台，加上长L=14.44m的2架台车，其费用合计F1=2.0*6+8.0*2=28万元；地基加固费用。预制场地使用千斤顶、台车工艺时，预制场的地基需进行加固处理，千斤顶下地坪所承受的压强P=2079*103*9.82*（0.5/2）2*440.75*106N/40.75Mpa。处理、加固地基需铺筑块石垫层50cm厚并进行碾压密实，V=120*18*0.5*2=2160m3，合计费用F22160*48.6=104976元10

10、.50万元。地坪浇筑费用。按照30cm厚C25砼地坪计算，需要浇筑砼VL*B*H*N=120*18*0.3*2=1296m3 ，其费用F31296*350=453600元45.36万元。现浇轨道梁费用。按照轨道梁为C25钢筋砼，需要现浇砼V=120*0.6*0.5*4=144m3,轨道梁内需要配置钢筋1.84t，则现浇钢筋砼轨道梁的费用合计为F4=144*350+1.84*3000=50400+5520元=5.59万元。轨道购置、安装费用。采用两个台座预制沉箱，要考虑沉箱纵向移动和横向移动，则需要安装P50钢轨552m；合计F5=16.41万元。以上五项费用合计为：105.86万元。5.2采用

11、高压气囊顶升、拖运工艺：技术指标：根据本工程沉箱结构的重量及尺寸，采用气囊直径1000mm，顶升气囊长度15.5m（有效长度14.44m），拖运气囊长度16.7m（有效长度15.7m）。采用气囊顶升时，需预先在地坪内做好穿顶升气囊的砼管沟，此管沟必须满足抗压要求。根据本工程的沉箱重量（1777t），采用3条顶升气囊，气囊的设计工作压力为0.7MPa，当顶升沉箱45cm高时（包括气囊管沟高度20cm），气囊受压面宽度3.14*（1-0.45）/2=0.86m，理论计算压力为(1955+0.25*1.8*15*3*2.45)*103*10/（3*0.86*14.08）=0.55MPa，实际顶升时气

12、压在0.560.57Mpa之间，与理论基本吻合。拖运时采用6条气囊，沉箱离地坪高度40cm，气囊受压面宽3.14*（1-0.4）/2=0.942m，理论计算拖运沉箱时气囊压力为：1777*103*10/（6*0.942*15.7）=0.2MPa。费用分析： 根据理论计算得知，地坪地基只需稍加处理即可，铺筑碾压块石垫层（30cm）的费用F1=120*18*0.3*2*48.6=6.3万元，C20砼地坪（15cm厚）的费用F2=120*18*0.15*2*300=194400元19.44万元。C25钢筋砼气囊管沟盖板预制安装的费用F3（1.85*1.5*0.25m3*140*400140*10=4

13、0250元4.03万元。3条顶升气囊加10条拖运气囊的费用F4=30.0万元。充气设备及管路的费用F5=2.0万元。以上5项费用合计为61.77元，比采用台车工艺成本降低约44.1万元。6.采用气囊顶升、拖运工艺的优缺点：6.1优点：沉箱的重力通过气囊这一柔性接触物传递给地坪，气囊对沉箱、地坪的作用力扩散比较均匀，对沉箱的成品保护比较有利，同时对地坪、地基的强度要求也不高，操作灵活，便于施工，投入的施工成本和维护保养费用比使用拖车低得多。6.2缺点：需反复给气囊充放气，拖运速度比拖车工艺慢。二、 气囊在沉箱浮游稳定中的助浮作用随着深水泊位的发展，预制沉箱的高度越来越高，这样就势必增大了沉箱出运

14、的难度，有时是坞口或航道水深不能满足沉箱吃水要求，有时是浮船坞或半潜驳的下潜深度不能满足要求。此时，不得不考虑沉箱的助浮，以减小沉箱的吃水深度，满足沉箱出运要求。我单位目前施工的沉箱就采用了助浮气囊工艺来解决浮船坞下潜深度不够的问题，经济实用，可操作性高，值得推广和应用。1. 工艺技术分析：因现有浮船坞最大下潜深度为13.8m，而无助浮气囊沉箱达到浮游稳定时的吃水为10.243m，另加上浮船坞型深（3.8m）及沉箱垫木（20cm），需浮船坞下潜14.243m，故需采用助浮，使浮船坞下潜深度控制在13.8m内。具体做法是在沉箱第二层墙顶位置（距离沉箱底5.4m处），利用原有砼分层浇注支模时的预埋

15、圆台螺母，重新加工带有螺栓的拉环（单个拉环的容许拉应力为 40KN），将拉环分别固定在沉箱四周（每侧墙壁上设16个，详见右图附图4）的圆台螺母里，助浮气囊的半径R=1.25m，有效长度L=10m，气囊允许最大压力为0.2MPa，工作压力为0.11MPa，每条气囊每入海水中所受到的浮力：F1=560.25KN，4条气囊共受浮力为4F1=4*560.25=2241KN。增加4条助浮气囊后，沉箱达到浮游稳定时的吃水为9.375m（此计算省略），需浮船坞下潜13.375m，满足要求。每条气囊采用8条绑带（详见附图5）固定在沉箱壁的16个拉环上，每条绑带可承受80KN的拉力。具体施工时，用3条绑带将自重约2000KG的气囊利用塔吊安装在预定位置，将气囊摆放平整，用充气装置给气囊充气，待气囊内压力达到0.11MPa时停止充气，检查气囊的固定和连接装置牢固可靠后，准备出运沉箱工作。2. 采用气囊助浮与钢浮筒助浮沉箱