搭岸方式沉箱上船過程技術(shù)參數(shù)的計(jì)算方法及應(yīng)用

馬宗田

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

大型沉箱陸域預(yù)制然后出運(yùn)安裝（即沉箱下水），一般使用專用沉箱出運(yùn)船（如半潛駁、浮船塢）。沉箱出運(yùn)船通常采用兩種方式與出運(yùn)碼頭對(duì)接，即坐底方式和搭岸方式。

坐底方式適用于固定沉箱預(yù)制場(chǎng)，出運(yùn)效率高，但投資較大，沉箱出運(yùn)船的出運(yùn)能力可以充分利用，一般在相對(duì)永久性的預(yù)制場(chǎng)普遍采用；而搭岸方式適用于臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)，投資較少，在使用沉箱數(shù)量少且對(duì)出運(yùn)效率要求不高的中、小型碼頭的預(yù)制場(chǎng)建設(shè)時(shí)經(jīng)常采用。

采用搭岸方式出運(yùn)沉箱受風(fēng)浪和潮位的影響較大，風(fēng)浪過大會(huì)使漂浮的船舶處于不穩(wěn)定狀態(tài)，搭岸部位也會(huì)受到外力的沖擊；潮位決定了船舶與岸邊對(duì)接的吻合度，過度的傾斜會(huì)造成沉箱的不安全滑移，乃至船舶與岸邊無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)接。因而沉箱上船的效率和安全性成為最關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)。

因此，在設(shè)計(jì)和建設(shè)搭岸方式預(yù)制場(chǎng)前，應(yīng)根據(jù)沉箱出運(yùn)船的性能參數(shù)、潮汐變化等因素進(jìn)行綜合考慮，確定搭岸碼頭及沉箱預(yù)制臺(tái)座的標(biāo)高并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算，確定沉箱上船的操作與控制要點(diǎn)，確保沉箱出運(yùn)安全。

1 采用搭岸方式沉箱上出運(yùn)船的工藝流程

1.1 出運(yùn)船靠泊沉箱預(yù)制場(chǎng)碼頭岸壁

由拖輪將出運(yùn)船拖至預(yù)制場(chǎng)碼頭前沿，先在出運(yùn)船艉部下2個(gè)外八字錨，再用拖輪或小艇將艏部2個(gè)錨纜送至岸壁帶纜樁帶纜，出運(yùn)船通過收、放4根錨纜將船艏緩緩靠上碼頭岸壁。

1.2 出運(yùn)船與碼頭搭岸、對(duì)接

1.2.1 搭岸

在沉箱出運(yùn)碼頭前沿設(shè)置出運(yùn)船搭岸臺(tái)座，當(dāng)潮位高于出運(yùn)船搭岸潮位時(shí)，出運(yùn)船通過緩緩收、放4根錨纜實(shí)現(xiàn)船艏搭岸裝置與搭岸臺(tái)座的粗對(duì)接，然后再將出運(yùn)船的2根抽心纜與設(shè)于臺(tái)座前沿的定位地牛相連，通過調(diào)整纜繩實(shí)現(xiàn)船艏搭岸裝置與搭岸臺(tái)座準(zhǔn)確對(duì)接。對(duì)接完成后，出運(yùn)船開壓載泵向艏部壓載艙注水，當(dāng)船上搭岸裝置底部接近搭岸臺(tái)座軌道時(shí)，停止注水，再次微調(diào)船位，同時(shí)用水準(zhǔn)儀測(cè)量臺(tái)座軌道與船上軌道的直線度，滿足要求后，繼續(xù)向艏部壓載艙注水，使船艏搭岸裝置坐于臺(tái)座上并達(dá)到一定的預(yù)壓力后，停止向艏部壓載艙注水，并將全部錨纜收緊，以克服漲潮、風(fēng)、浪、流對(duì)船位的影響。

1.2.2 船、岸軌道對(duì)接

出運(yùn)船完成搭岸后，開壓載泵向艉部壓載艙注水，同時(shí)用水準(zhǔn)儀校正水平度，使臺(tái)座軌道與船上軌道的標(biāo)高差在規(guī)定范圍內(nèi)，然后用2個(gè)組合短軌將臺(tái)座的2組軌道與船上2組軌道連接并用螺栓固定。

1.3 沉箱上船

1.3.1 出運(yùn)臺(tái)車就位

組合短軌完成對(duì)接后，首先利用液壓千斤頂將沉箱提前頂離預(yù)制臺(tái)座頂面，再將設(shè)于岸壁的2臺(tái)倒拉絞車上的鋼絲繩與船上的臺(tái)車連接，緩緩將臺(tái)車?yán)脸料漕A(yù)制臺(tái)座的下方就位，在這一過程中，船上的2臺(tái)牽引絞車同步放出纜繩。沉箱就位后，液壓千斤頂泄壓，將沉箱緩緩坐在臺(tái)車上，同時(shí)將倒拉鋼絲繩拆除連接。

1.3.2 牽引沉箱上船

開動(dòng)船上2臺(tái)牽引絞車，緩緩牽引沉箱至岸壁前沿后，沉箱停止前進(jìn)，再次用水準(zhǔn)儀校對(duì)岸上軌道與船上軌道的標(biāo)高，當(dāng)確認(rèn)兩測(cè)量點(diǎn)的高差和連接短軌兩端的高差滿足要求后，再緩緩牽引沉箱上船。當(dāng)沉箱的一部分上船時(shí)，即用壓載泵開始艉部壓載水的排出，待沉箱完全上船后，停止?fàn)恳?，等待壓載水的繼續(xù)排出，同時(shí)測(cè)量出運(yùn)船艏、艉的標(biāo)高，保證在規(guī)定的范圍內(nèi)。在這一過程中，沉箱每前進(jìn)一段距離，均應(yīng)停止絞車牽引，等待壓載水的排出，使船艉始終高于船艏一定數(shù)值范圍。

1.3.3 臺(tái)車封固

當(dāng)沉箱前進(jìn)至船中預(yù)定位置后，先將臺(tái)車前后車擋封固，再將兩個(gè)臺(tái)車兩側(cè)用多組封固點(diǎn)封固。

1.4 出運(yùn)船離開搭岸碼頭

完成臺(tái)車封固后，用壓載泵將艏部壓載艙內(nèi)的壓載水排出，當(dāng)船艏搭岸裝置底板離開搭岸臺(tái)座一定高度后，出運(yùn)船松船艏錨纜、絞后錨纜，離開搭岸碼頭，否則出運(yùn)船需候潮起浮。緊急情況下，可通過向艉部壓載艙注水，使船艏吃水減小離開搭岸碼頭。應(yīng)當(dāng)注意臺(tái)車未封固時(shí)，出運(yùn)船嚴(yán)禁使用調(diào)縱傾的方法退出搭岸碼頭。

2 沉箱上船過程有關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算

2.1 搭岸臺(tái)座的承載力

搭岸臺(tái)座的承載力可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：N為搭岸臺(tái)座的承載力，t；K為系數(shù)，取1.35；G為擬出運(yùn)沉箱的重量，t。

2.2 搭岸臺(tái)座標(biāo)高和預(yù)制臺(tái)座軌道標(biāo)高

搭岸臺(tái)座標(biāo)高應(yīng)根據(jù)預(yù)制臺(tái)座所在地的潮汐表[1]，結(jié)合出運(yùn)船搭岸裝置的高度確定（見圖1所示）。

圖1 搭岸裝置局部放大圖

預(yù)制場(chǎng)臺(tái)車軌道標(biāo)高應(yīng)與出運(yùn)船甲板軌道標(biāo)高相同。

出運(yùn)船甲板軌道標(biāo)高=搭岸臺(tái)座標(biāo)高+搭岸裝置高度+軌道及底座高度。

即：

2.3 搭岸潮位

出運(yùn)船搭岸時(shí)，其搭岸裝置的底板應(yīng)高于搭岸臺(tái)座的軌道0.5m，因此，應(yīng)在一定高度的潮位進(jìn)行，根據(jù)圖1，有：

2.4 出運(yùn)船的搭岸預(yù)壓力和壓載量

出運(yùn)船搭岸裝置坐于臺(tái)座軌道上后，需要向艏、艉壓載艙注入壓載水提供預(yù)壓力，以克服風(fēng)、浪、流以及漲潮時(shí)對(duì)船位的影響，使搭岸裝置穩(wěn)定地坐于搭岸臺(tái)座上。

假定出運(yùn)船在搭岸裝置坐在搭岸臺(tái)座的瞬間，已完成調(diào)平工作，此時(shí)出運(yùn)船的吃水為T2，為達(dá)到提供預(yù)壓力的目的，需要通過繼續(xù)向艏?jí)狠d艙注水和排出少量艉部壓載艙的壓載水來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)浮力沒有變化，預(yù)壓力可用下式計(jì)算：

式中：N1為出運(yùn)船搭岸裝置對(duì)搭岸臺(tái)座的預(yù)壓力，t；F為出運(yùn)船的搭岸裝置與搭岸臺(tái)座軌道的摩擦力，t；μ為摩擦系數(shù)，取0.1；

艏部壓載水的注入量P3和艉部壓載水的排出量P4可通過下式計(jì)算：

即：

式中：N1為出運(yùn)船搭岸裝置對(duì)搭岸臺(tái)座的預(yù)壓力，t；P3為向艏部壓載艙注入的壓載水重量，t；P4為將艉部壓載艙排出的壓載水重量，t；L1為艏部壓載水距搭岸臺(tái)座支點(diǎn)的距離，m；L2為艉部壓載水距搭岸臺(tái)座支點(diǎn)的距離，m。

2.5 沉箱上船過程搭岸臺(tái)座所承受的壓力

沉箱上船過程中，搭岸臺(tái)座所承受的壓力由出運(yùn)船搭岸預(yù)壓力N1和沉箱被牽引上船過程所產(chǎn)生的壓力N2疊加組成，沉箱移動(dòng)至船上時(shí)，沉箱的重量由搭岸裝置和出運(yùn)船共同承擔(dān)。由于搭岸裝置坐在搭岸臺(tái)座的軌道上，相當(dāng)于剛性支點(diǎn)，船體漂浮于水中，相當(dāng)于彈性支點(diǎn)，船體將圍繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)小的傾角，船艉的吃水會(huì)增加，如圖2所示。

圖2 沉箱上船移動(dòng)過程受力分析示意圖

假定沉箱重量按集中載荷計(jì)算，根據(jù)力和力矩的平衡

原理[2]，則有：

式中：ΔF為船艉下沉增加的浮力，ΔF=γLBΔT/2。

根據(jù)上式可以導(dǎo)出：

式中：N1為搭岸裝置對(duì)搭岸臺(tái)座的預(yù)壓力，t；N2為沉箱上船后產(chǎn)生的壓力，t；N為搭岸臺(tái)座承受的壓力，t；L為出運(yùn)船的船長(zhǎng)，m；B為出運(yùn)船的船寬，m；γ為海水的重度，t/m3；G為沉箱重量，t；x為沉箱距搭岸鋼軌的距離，m；ΔT為出運(yùn)船艉吃水的增加量，m。

2.6 出運(yùn)船離開搭岸臺(tái)座時(shí)的潮位

出運(yùn)船采用搭岸方式出運(yùn)沉箱，由于受沉箱重量和潮位的制約，只有在一定的潮位以上，且持續(xù)的潮位時(shí)間要大于沉箱上船過程所需要的作業(yè)時(shí)間，根據(jù)圖1所示，則有：

3 沉箱上船過程中參數(shù)計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例

中交一航局第二工程有限公司在煙臺(tái)西港建有臨時(shí)預(yù)制場(chǎng)，采用搭岸方式出運(yùn)沉箱，出運(yùn)能力3000 t，配套出運(yùn)船有“半潛駁7號(hào)”和“浮塢102”，現(xiàn)以“半潛駁7號(hào)”為例進(jìn)行相關(guān)技術(shù)參數(shù)的計(jì)算。

“半潛駁7號(hào)”技術(shù)參數(shù)[3]為：船長(zhǎng)L=70m，船寬B=35m；船體型深D=5.5m，空載吃水（含殘余水，已調(diào)平）T1=2.3m；載運(yùn)沉箱吃水T3=3.5m；搭岸裝置長(zhǎng)度2.6m；搭岸裝置高度h1=1.5m；軌道距甲板高度h2=0.17 m；配備壓載泵4臺(tái)，流量960m3/h。

3.1 搭岸臺(tái)座混凝土結(jié)構(gòu)的承載力取值

預(yù)制場(chǎng)搭岸臺(tái)座出運(yùn)能力為3000 t，根據(jù)式（1），則有：

搭岸臺(tái)座N≈4000 t，因此，預(yù)制場(chǎng)搭岸臺(tái)座混凝土結(jié)構(gòu)的承載力按4000 t設(shè)計(jì)。

3.2 搭岸臺(tái)座標(biāo)高的選取

搭岸臺(tái)座標(biāo)高高了，在小汛潮和高潮潮位低的日歷天將無(wú)法出運(yùn)沉箱，搭岸臺(tái)座標(biāo)高低了，建設(shè)搭岸臺(tái)座施工困難。

搭岸臺(tái)座標(biāo)高應(yīng)根據(jù)預(yù)制臺(tái)座所在地的潮汐表，結(jié)合沉箱出運(yùn)船搭岸裝置高度確定。

煙臺(tái)西港預(yù)制場(chǎng)搭岸臺(tái)座標(biāo)高實(shí)際取值+0.9m。

3.3 “半潛駁7號(hào)”搭岸潮位的計(jì)算

根據(jù)式 （2）、 （3）、 （4），則有：

“半潛駁7號(hào)”搭岸時(shí)的潮位W1=-0.3m。

即“半潛駁7號(hào)”搭岸應(yīng)在-0.3m以上的潮位進(jìn)行。

3.4 “半潛駁7號(hào)”搭岸預(yù)壓力和壓載量的估算

3.4.1 “半潛駁7號(hào)”的搭岸預(yù)壓力

由于預(yù)制場(chǎng)搭岸臺(tái)座在港池內(nèi)，“半潛駁7號(hào)”出運(yùn)沉箱是在良好的天氣進(jìn)行，風(fēng)、浪、流都比較小，搭岸時(shí)又有船上的錨纜受力，搭岸預(yù)壓力可以選取小一些，實(shí)際選取N1=200 t。

3.4.2 壓載量的計(jì)算

假定“半潛駁7號(hào)”在-0.3m潮位通過向艏、艉壓載艙注水搭岸，在對(duì)搭岸臺(tái)座無(wú)預(yù)壓力時(shí)，吃水T2=W1-=2.8m。

壓載量P≈1256 t

“半潛駁7號(hào)”提供200 t預(yù)壓力后，根據(jù)式（6）和（7），則：

船艏?jí)狠d量Pw=P1+P3=848 t

船艉壓載量Ps=P2-P4=608 t

如在-0.3m以上的潮位搭岸，壓載量將會(huì)增加。

3.5 搭岸臺(tái)座承受的最大壓力

由于沉箱具有一定的長(zhǎng)度，沉箱重心移動(dòng)到搭岸處的鋼軌時(shí)，沉箱重量通過臺(tái)車傳遞到船上的鋼軌和岸上的臺(tái)車鋼軌上，此時(shí)重量實(shí)際為均布荷載，計(jì)算時(shí)按集中載荷考慮，會(huì)更安全。

根據(jù)式 （8）和 （10），則有：

當(dāng)x=0時(shí)，搭岸臺(tái)座受力最大，之后，隨著沉箱的不斷移動(dòng)，搭岸臺(tái)座受力逐漸減小。

搭岸臺(tái)座承受的最大壓力Nmax=3200 t＜4000 t。

3.6 “半潛駁7號(hào)”船艉下沉量的計(jì)算

根據(jù)式（9），當(dāng)x=L/2（即沉箱移動(dòng)到船中）時(shí)，ΔT=1.5G/LBγ=1.80m，船艉下沉值太大，隨著沉箱的不斷前移，船艉不斷下沉，因滾動(dòng)摩擦系數(shù)很小，在牽引絞車的牽引力和沉箱重力分力的雙重作用下，沉箱移動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生加速度而不可控制，存在重大安全隱患。

船艏搭岸時(shí)避免船艉下沉的方法：一是在沉箱上船后開始排艉部壓載水；二是依靠漲潮，隨著潮位的增加船體艉部相對(duì)地面而上浮。

3.6.1 排空艉部壓載水克服船艉下沉的沉箱移動(dòng)距離

為了保證船艉不下沉，在沉箱移動(dòng)至船上時(shí)，出運(yùn)船開壓載泵排艉部壓載水。

根據(jù)力矩平衡原理，Ps×L2=G·x

當(dāng)排空艉部壓載水時(shí)，x=13m；

沉箱移動(dòng)總距離為35m，依靠排空艉部壓載水不能全部克服船艉下沉，需要借助漲潮。

3.6.2 潮位增加量的計(jì)算

在沉箱上船后的移動(dòng)過程中艏部一直壓在搭岸臺(tái)座上，因此，潮位增加時(shí)出運(yùn)船的浮力會(huì)不斷增加，增加的浮力ΔF=LBγΔW。

根據(jù)力矩平衡原理，ΔFL/2=Gx。

沉箱剩余移動(dòng)距離為22m，即x=22，代入上式，則ΔW=0.75m；

所需要的潮高為W=W1+ΔW=+0.45m。

根據(jù)上述計(jì)算，牽引沉箱上船必須在漲潮階段進(jìn)行，依靠浮力增加和排出艉部壓載水，可以克服因沉箱移動(dòng)而造成的船艉下沉。

3.7 沉箱牽引速度的確定

根據(jù)式（9），當(dāng)x=5m（沉箱移動(dòng) 5m），ΔT=0.26m；

艉部排水量Ps=233 t；

排水時(shí)間t≈7min；

沉箱牽引速度ν=0.71m/min。

因此，實(shí)際操作時(shí)沉箱牽引速度應(yīng)＜1m/min，沉箱每前進(jìn)5m后，停一會(huì)，等待壓載水的排出，使船艉始終高于船艏一定值。

3.8 “半潛駁7號(hào)”離開搭岸裝置的潮位

根據(jù)式（11），則有：

即沉箱牽引到“半潛駁7號(hào)”船中后，只有在+0.7m以上的潮位才能離開搭岸臺(tái)座。

3.9 沉箱上船過程的時(shí)間控制

由于“半潛駁7號(hào)”主尺度大和舉力大，可以在低潮位搭岸，沉箱牽引至搭岸岸壁前沿時(shí)的全部作業(yè)可提前進(jìn)行，不受潮水限制，沉箱上船時(shí)間選擇在-0.3～+0.45m的潮位進(jìn)行即可，沉箱由搭岸臺(tái)座前沿移動(dòng)到“半潛駁7號(hào)”船中時(shí)的作業(yè)時(shí)間可以控制在1.5 h內(nèi)，而根據(jù)煙臺(tái)西港的全年潮汐表，高潮潮位全部在+1.0m以上，且高潮潮位持續(xù)時(shí)間大于1.5 h，-0.3m以上潮位的時(shí)間，每個(gè)汛潮在6 h左右，滿足出運(yùn)沉箱的需要。

4 結(jié)語(yǔ)

采用搭岸方式沉箱上“半潛駁7號(hào)”操作控制要點(diǎn)為：

1）“半潛駁7號(hào)”出運(yùn)沉箱應(yīng)在良好的天氣進(jìn)行。

2）在高潮潮位低于+0.7m的日歷天內(nèi)不能進(jìn)行沉箱上船作業(yè)。

3）沉箱上“半潛駁7號(hào)”作業(yè)應(yīng)在漲潮時(shí)間段進(jìn)行，嚴(yán)禁在落潮時(shí)間段進(jìn)行沉箱上船作業(yè)。

4）“半潛駁7號(hào)”搭岸時(shí)，應(yīng)在-0.3m以上潮位進(jìn)行。

5）沉箱上“半潛駁7號(hào)”的過程應(yīng)保證船艉始終高于船艏一定值，即牽引臺(tái)車?yán)掀隆?/p>

6）沉箱移動(dòng)前保持“半潛駁7號(hào)”船艉高于船艏0.5～0.7m為宜，沉箱前進(jìn)速度應(yīng)小于1m/min，沉箱每前進(jìn)5m，停一會(huì)，等待艉部壓載水的排出，使船艉始終高于船艏。

7）沉箱移動(dòng)到“半潛駁7號(hào)”船中后，應(yīng)先封固臺(tái)車前后車擋，再封固臺(tái)車兩側(cè)。

8）沉箱上“半潛駁7號(hào)”后，應(yīng)在+0.7m以上潮位離開搭岸臺(tái)座。

9）沉箱重量發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新計(jì)算相關(guān)技術(shù)參數(shù)。按照以上方法進(jìn)行了多種船型的計(jì)算，經(jīng)實(shí)際使用檢驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

如使用其他船舶，采用搭岸方式出運(yùn)沉箱時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的船舶性能參數(shù)，參照本文計(jì)算方法進(jìn)行核算。

[1] 潮汐表[M].北京：國(guó)家海洋局出版社，2011.

[2] 半潛駁接岸結(jié)構(gòu)施工圖[R].中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，2008.

[3] 洪嘉振，楊長(zhǎng)俊.理論力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.

[4] 5600 t半潛駁船體說(shuō)明書[R].青島：北海重工股份有限公司技術(shù)中心，2005.