封倉法打撈傾斜沒頂沉箱

景春榮 關明鳴

摘 要：本文主要以東莞市虎門港沙田港區(qū)三期工程沉箱側滑沒頂?shù)拇驌茷榘咐?。介紹鋼蓋板封倉法打撈沉箱的鋼蓋板設計、臨界水位計算、打撈過程控制要點。通過打撈案例證明，鋼蓋板封倉打撈沉箱工藝成本較低、實施可行性強，具有較好實際應用價值。

關鍵詞：臨界水位計算 鋼蓋板設計 打撈方法

1.引言

沉箱重力式碼頭在沉箱儲存、浮運、安裝等施工過程中，因各種原因導致沉箱沒頂?shù)氖鹿蕰r有發(fā)生。沉箱發(fā)生沒頂后，急需一種成本低、可行性強的打撈方案。本文通過沉箱打撈的工程實例，為大家介紹了鋼蓋板封倉打撈沉箱的施工工藝及過程中的設計、計算、注意事項等，供相關工程技術人員參考、借鑒。

2.工程概況

本工程位于東莞市虎門港沙田港區(qū)西大坦作業(yè)區(qū)北端，下游緊鄰已投產(chǎn)的西大坦作業(yè)區(qū)7#、8#泊位，上游緊鄰正在施工的客運碼頭。建設規(guī)模為2個5萬噸級集裝箱泊位，碼頭岸線長度648m，重力式沉箱結構。沉箱主要尺寸寬×長×高為：14.2（含前趾1.0m）×24.8×17.1m，單件重2454t。共需安裝沉箱21個。

發(fā)生傾斜沉箱為標準型CX1型號（本工程安裝編號為16#），臨時寄存區(qū)泥面標高為-14.8m（拋填0.8m袋裝砂），由于業(yè)主原因停工時間長達一年，停工期間施工水域偷采砂事件時有發(fā)生，造成16#沉箱臨時存儲地海側地勢發(fā)生塌陷，沉箱在自重和涌浪影響下發(fā)生傾斜沒頂，導致在潮水最低潮位時，沉箱靠海側10個倉格仍沒入水中，無法按正常施工方法直接抽水上浮，且已回淤約4m沉淀物“包裹”沉箱。經(jīng)潛水和測量人員調查，沉箱傾斜沒頂情況如圖2。

3 .沉箱打撈方案比選

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和其它工程類似沉箱打撈工藝，初步制定以下幾種方案進行比選（見表1）。

經(jīng)過方案比選，確定采用鋼蓋板封倉法進行沉箱打撈。

4.鋼蓋板結構設計與計算

4.1鋼蓋板結構設計

4.1.1最不利荷載設計

沉箱最低點標高為-0.5m，本工程安裝沉箱施工一般選擇在潮位2.5m以下進行施工，沉箱起浮應選擇高平潮抽水開始，低平潮沉箱起浮，故鋼蓋板設計考慮最不利承受水深為3m，即蓋板水壓為30KN/m，蓋板設計自重為約0.5 KN/m，故鋼蓋板承受最不利荷載為30.5 KN/m。

4.1.2鋼蓋板結構

根據(jù)鋼蓋板以上承受最不利荷載，制定以下結構尺寸：

（1）單個倉格鋼蓋板平面尺寸為4460*3960mm;

（2）面板：δ=5 mm厚鋼板;

（3）主梁：雙拼[12a槽鋼，最大間距940mm;

（4）次梁：雙拼[12a槽鋼，最大間距1230mm;

（5）吊梁：雙拼[14a槽鋼;

（6）鋼煙筒：φ700mm，δ=3mm鋼管。

4.2 結構計算

4.2.1材料參數(shù)

型鋼（Q235）：抗彎強度設計值fm=215MPa，抗剪fv=125MPa，彈模E=210GPa。

雙拼[14a：截面系數(shù)W=161*103 mm3，慣性矩I=1126*104mm4

雙拼[12a：截面系數(shù)W=124.2*103 mm3，慣性矩I=782*104mm4

4.2.2計算過程

按照鋼蓋板承受最不利荷載30.5 KN/m進行計算，采用Madis軟件建模進行計算可得：

最大組合應力95.3MPa< [σ]=215MPa，滿足抗彎要求。

最大撓度為底主梁雙拼[12槽鋼x=7.1mm（跨中），根據(jù)《建筑施工計算手冊》的規(guī)定，容許撓度為L/500（L的取值為跨長度3600mm）=7.2mm，滿足要求。

5.打撈施工方法

5.1鋼蓋板制作及安裝

5.1.1.鋼蓋板制作

鋼蓋板制作場地利用本工程旁邊的客運碼頭碼頭面作為加工場，加工資源配置主要包括：焊工5名、200KW發(fā)電機1臺、50t船吊1臺等。

鋼蓋板的焊接質量至關重要，必須嚴格按照焊接規(guī)范要求進行焊接作業(yè)，保證鋼蓋板不發(fā)生過大的變形從而發(fā)生滲漏。鋼煙筒細而高，受風浪作用影響較大，因此除煙筒底部與蓋板之間焊接確保質量外，另外必須用角鋼在兩者之間焊多道支撐桿件，以保持鋼煙筒的穩(wěn)定。

5.1.2鋼蓋板吊裝及塞縫

5.1.2.1鋼蓋板安裝

鋼蓋板安裝采用50t吊船配合潛水員進行安裝，從岸向海側依次安裝，安裝過程特別注意海側預留胸墻錨固鋼筋位置，提前切割、彎曲，確保封板順利安裝。

5.1.2.2封板初步固定、封堵

封板安裝完成，潛水利用加工好的實木三角條、土工布、棉被等材料進行初步封堵，考慮封板部分處于浪濺區(qū)，封堵前采用較大木尖進行定位的固定方式。

5.1.2.3封板細部封堵

封板初步封堵完畢，開始吊水泵入倉格內，水泵長度設置為距離底板4m位置（根據(jù)以下沉箱浮游穩(wěn)定驗算而來），水泵吊裝完畢試抽水，抽水過程利用土工布、棉被進行細部堵縫，直至倉格內水面脫離封板底面，且抽水效率較為適中完成。

5.2沉箱周邊清淤

沉箱周邊淤泥深度約3.5～5.6m左右，抽淤設備選用清淤船，在沉箱起浮前先進行清淤，清淤位置選擇岸側上游角點（沉箱頂面最高點）開始，清除掉岸側一半淤泥，為防止沉箱進一步傾覆，沉箱較低側（海測）淤泥不能清除。

5.3沉箱浮游穩(wěn)定計算

沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)根據(jù)定傾高度計算式：

公式中：—定傾高度（m）;—定傾半徑（m）;—沉箱重心到浮心的距離（m）;—矩形斷面沉箱在水面處的斷面對縱向中心軸的慣性矩（m4）;L—沉箱長度（m）;B-沉箱在水面處的寬度（m）;—各箱格內壓載水的水面對該水面縱向中心軸的慣性矩之和（m4）;—縱向墻之間的凈距離（m）;—橫向墻之間的凈距離（m）;V—沉箱的水排水體積（m3）;

通過計算，CX1沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)如表1所示。

5.4 沉箱臨界水位計算

5.4.1 附著力計算：

吸附力計算公式（高占鋒 《坐底結構物吸附力計算模型和方法研究》論文中推導公式）

式中：Fi-結構體的理論吸附力;S-底質的抗剪強度;A-結構體與底質的水平投影接觸面積;D-結構體在底質中的浸深;B-結構體的寬度;L-結構體的長度;S實-結構體浸在淤泥中的接觸面積;S投-結構體浸在淤泥中五向投影面積

代入本工程數(shù)據(jù)：S=5.0kpa;A=347.8m2;D=2.8m（平均浸深）;B=14.2m;L=24.8m;s實=602.2m2;s投=594.8m2。

計算可得：Fi=11728.5kN

5.4.2 臨界水位計算：

經(jīng)計算可得沉箱自重G= 24049.2kN;F浮=54300kN（計算浮力時取最低潮時+1.0m時計算）。

臨界水位可由下式計算：

式中：S為沉箱內空箱截面積，g為重力加速度。

計算可得：h=6.85m。

5.4.2 浮起后沖高高度估算：

浮起高度可由下式估算：

式中：S為沉箱截面積，g為重力加速度。

經(jīng)計算可得h2=3.66m，預計起浮達到臨界點時沉箱會沖高約7m。

為控制在最低潮時沉箱起浮，根據(jù)臨界水位和泵的抽水速度，開始抽水時間為最低潮之前5小時。

5.5 沉箱起浮

（1）利用50t起重船將24臺抽水泵經(jīng)過鋼煙筒放入沉箱各倉格內。同時利用浮運沉箱所用的鋼絲繩綁扎沉箱，用以控制沉箱浮起時的平衡。牽引繩要預留一定的長度，以防沉箱突然起浮沖高時拉斷繩索，發(fā)生傾倒。

（2）開啟水泵試抽水，將泵調整到正常狀態(tài)，并測算出每分鐘水位下降值等參數(shù)，同時潛水員下水檢查密封情況，對滲漏處及時處理。經(jīng)開泵抽水后，潛水員下水檢查，鋼蓋板已緊緊壓在沉箱上，與沉箱口部接合嚴密。

（3）正式抽水起浮前，須確定水位下降速率，起浮臨界水位，壓倉水最低水位等施工參數(shù)。按照以上計算，起浮臨界水位為6.85m。

（4）準備工作完成后，根據(jù)臨界水位計算的抽水開始時間，即可以開始正式抽水。每臺泵由獨立開關對應控制。同時在抽水前在每個煙筒內放置1條測繩，測繩的下端系著浮標，浮標隨箱內水位升降，測量人員測讀繩上刻度，便知抽水的深度。通過控制水泵將各倉室水位調整平衡。當水位達到起浮臨界水位時，應停泵觀測，如10分鐘后沉箱仍未浮動，可對角開啟水泵，降慢抽水速度，抽水30cm停泵觀測10分鐘，如此重復直至沉箱浮起。沉箱浮起并穩(wěn)定后繼續(xù)抽水至浮游穩(wěn)定所需水位。

6.體會

（1）鋼蓋板焊接質量非常關健，必須經(jīng)過嚴格檢查。

（2）沉箱前壁倉頂有外伸鋼筋，鋼蓋板吊梁與沉箱頂面混凝土之間較難支墊平整，導致蓋板各個吊梁不均勻受力，受力最大的吊梁折斷后，其余吊梁會相繼折斷。且吊梁折斷形式一般為受扭彎曲后折斷。對此，采用辦法將蓋板每側的4條吊梁用[14槽鋼連接成一個整體，增加吊梁的整體受力。

（3）抽水至起浮臨界水位前，起重船舶要離開沉箱15m之外。水泵電纜要放松入水至少10m。潛水員不得待在沉箱頂，防止沉箱沖高，發(fā)生安全事故。

（4）抽水嚴格按照鋼蓋板承受最不利荷載設置的邊界條件進行，本工程抽水條件是潮位為不高于2.5m，且在最低潮前5小時開始抽水作業(yè)，可根據(jù)潮水選擇高潮水位在一個月內較低時進行沉箱的打撈工作。

（5）由以上沉箱沖高計算可知，沉箱沖高高度跟吸附力大小成正比，要確保沉箱起浮安全，不產(chǎn)生很大沖高，需要在起浮之前盡量清除周圍淤泥，降低吸附力。

（6）因為沉箱達到臨界水位時會沖高，此時最易發(fā)生安全事故，因此需要計算抽水達到臨界水位時間，控制沉箱浮起時為最低潮位，沉箱大部分露出，方便沉箱沖高時觀察沉箱周邊情況。

7.結語

沉箱重力式碼頭在沉箱儲存、浮運、安裝等施工過程中，因各種原因導致沉箱沒頂?shù)氖鹿蕰r有發(fā)生。通過本工程的實踐證明鋼蓋板封倉打撈沉箱是一種行之有效的打撈方法，此工藝具有安全可靠、操作簡單、成本較低等特點，可在類似工程中不斷摸索優(yōu)化、推廣使用。

參考文獻：

[1]石毅.《利用水壓密封艙頂法打撈沉箱》.港口工程，1992年第3期.

[2]高占鋒.坐底結構物吸附力計算模型和方法研究.大連理工大學碩士學位論文，2005.