異型沉箱鋼封門封倉(cāng)安裝技術(shù)的應(yīng)用

呂權(quán)武，向幸華

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

在香港海事工程中，消浪型沉箱應(yīng)用較為廣泛，香港某綜合廢物管理設(shè)施工程碼頭區(qū)B 型沉箱采用消浪式的異型沉箱結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造方面，沉箱前壁設(shè)置開口，前倉(cāng)為消浪室，其原理是波浪的透射波在消浪室內(nèi)消能后部分反射，反射波與入射波之間的相位差導(dǎo)致波浪反射率的降低，從而減少沉箱前涌浪，利于船只的靠泊安全［1］。

為保證施工安全和效率，本工程選用了鋼封門對(duì)拉封堵的工藝，沉箱出運(yùn)前，需采用鋼封門封堵消浪孔，沉箱安裝后進(jìn)行拆除。采用鋼封門對(duì)沉箱進(jìn)行封倉(cāng)，使其符合施工過(guò)程中的吃水和浮游穩(wěn)定要求，既滿足了施工技術(shù)及結(jié)構(gòu)安全要求，又可使用較為成熟的沉箱自浮式工藝進(jìn)行安裝，避免使用起重船助浮，節(jié)省了項(xiàng)目成本。

1 工程概況

某項(xiàng)目位于香港西南海域，主要為重力式碼頭及海堤結(jié)構(gòu)，包含沉箱及方塊2 種結(jié)構(gòu)形式，共74 件沉箱和296件方塊。其中碼頭區(qū)共23件沉箱，包含16件B 型沉箱，B 型沉箱外形尺寸為23.25 m（長(zhǎng)）×24.45 m（寬）×10 m（高），為高低墻帶柱體非對(duì)稱異型結(jié)構(gòu)，前壁存在開口，需進(jìn)行鋼封板封倉(cāng)處理，沉箱三維圖如圖1所示，沉箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 沉箱浮游穩(wěn)定分析

施工現(xiàn)場(chǎng)水文及波浪條件如下：最大高潮潮位（HHWL）為+2.5 mPD；平均高高潮位（MHHW）為+2.0 mPD；平均低低潮位（MLLW）為+0.4 mPD；現(xiàn)場(chǎng)波浪波高0.2～1.5 m。

通過(guò)計(jì)算，沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)如表1所示。

B 型沉箱基床頂標(biāo)高為-7.0 mPD，前沿低墻頂標(biāo)高為-1.0 mPD，平均高潮潮位為+2.0 mPD，沉箱出運(yùn)通過(guò)液體壓載使其滿足自身平衡，定傾高度7.34 m，滿足文獻(xiàn)［2］要求，屬于比較平穩(wěn)的沉箱。沉箱從加水下沉到安裝完成，最大吃水深度為9.0 m，當(dāng)沉箱吃水深度達(dá)到6.0 m 時(shí)，如無(wú)封堵措施，海水將通過(guò)前壁立柱間開口涌入沉箱倉(cāng)內(nèi)，沉箱會(huì)因前后倉(cāng)格注水速度急劇變化而失去平衡。因此，該類沉箱安裝過(guò)程中必須采用鋼封門封倉(cāng)處理，從而實(shí)現(xiàn)倉(cāng)格在水泵的注水調(diào)節(jié)過(guò)程中保持平衡，最終平穩(wěn)安放在基床上方。

圖1 B型沉箱三維圖Fig.1 The 3D Model of Type B Caisson

圖2 B型沉箱結(jié)構(gòu)Fig.2 The General Arrangement of Type B Caisson

3 鋼封門設(shè)計(jì)

B型沉箱前壁立柱之間存在5個(gè)開口，需要對(duì)5個(gè)開口位置進(jìn)行鋼封門封倉(cāng)處理。鋼封門采用Q235材質(zhì)鋼材進(jìn)行加工，面板采用6 mm厚鋼板，豎肋采用10#槽鋼，橫肋采用20#雙拼槽鋼。鋼封門和沉箱墻體、立柱接觸位置設(shè)置橡膠止水條，鋼封門加固的同時(shí)，橡膠止水條受到擠壓產(chǎn)生變形填充沉箱立柱（墻體）與鋼封門之間的縫隙，從而實(shí)現(xiàn)鋼封門與沉箱之間的密封。

3.1 鋼封門安裝加固方案設(shè)計(jì)

B型沉箱前壁開口位置需要進(jìn)行三邊密封加固處理，根據(jù)B型沉箱自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了2種鋼封門加固方案，即預(yù)埋螺栓加固方案和螺栓對(duì)拉加固方案。

3.1.1 預(yù)埋螺栓加固方案

方案1 采用預(yù)埋螺栓進(jìn)行鋼封門加固。沉箱預(yù)制過(guò)程中將預(yù)埋螺栓及圓臺(tái)螺母根據(jù)鋼封門的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行預(yù)埋安裝，沉箱預(yù)制完成后，鋼封門通過(guò)沉箱立柱和兩側(cè)墻體上的預(yù)埋螺栓和圓臺(tái)螺母外接螺栓進(jìn)行加固，每塊鋼封門都為獨(dú)立加固體系。具體加固方式如圖3所示。

圖3 鋼封門預(yù)埋螺栓加固方案Fig.3 Installation Method of Steel Gate with Embedded Bolts （mm）

表1 B型沉箱浮游穩(wěn)定參數(shù)Tab.1 Floating Stability Parameter of Type B Caisson

3.1.2 螺栓對(duì)拉加固方案

頂層由Sphere包圍盒作為外部處理，內(nèi)部加以O(shè)BB包圍盒結(jié)合設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法主要是考慮到Sphere包圍盒的構(gòu)造簡(jiǎn)單性以及檢測(cè)易操作兩方面，如果外圍的Sphere包圍盒已經(jīng)發(fā)生相交或者碰撞情況，則需進(jìn)一步地檢測(cè)，內(nèi)部的OBB包圍盒開始運(yùn)作；如果外部Sphere包圍盒還未碰撞，不進(jìn)行下一步檢測(cè)操作。而以O(shè)BB包圍盒為內(nèi)部的根節(jié)點(diǎn)，其中心即為Sphere包圍盒的球心，進(jìn)一步方便構(gòu)造，而且Sphere包圍盒結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論被測(cè)物體進(jìn)行平移還是旋轉(zhuǎn)操作，其形狀不發(fā)生改變，有利于更新。

方案2依靠螺栓對(duì)拉進(jìn)行鋼封門加固。以前壁墻體上方的立柱為著力點(diǎn)，鋼封門、對(duì)拉桿件和連接螺栓將立柱包圍，通過(guò)對(duì)拉螺栓將鋼封門進(jìn)行橫向及縱向?qū)?，?shí)現(xiàn)鋼封門的側(cè)面加固。鋼封門的底部通過(guò)桿件延伸至墻體內(nèi)側(cè)，利用底部?jī)?nèi)側(cè)設(shè)置的緊固螺栓反向頂推實(shí)現(xiàn)模板下端的密封和加固。在設(shè)計(jì)高水位以上位置，每個(gè)立柱上端增加2顆預(yù)埋螺栓，通過(guò)預(yù)埋螺栓增強(qiáng)鋼封門的橫向限位，以此來(lái)增加鋼封門的整體穩(wěn)定性。具體加固方式如圖4所示。

3.1.3 鋼封門加固方案比選

2種鋼封門加固方案對(duì)比如表2所示。

預(yù)埋螺栓加固方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整體穩(wěn)定性較好，但需要進(jìn)行預(yù)埋螺栓孔水下修補(bǔ)，水下修補(bǔ)工作難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，潛水工作成本不可控；螺栓對(duì)拉加固方案結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，組成部件較多，安裝過(guò)程較為繁瑣，整體穩(wěn)定性也相對(duì)較差，但沉箱安裝過(guò)程鋼封門并未與定位駁接觸，整體穩(wěn)定性滿足施工要求。重點(diǎn)在于該方案無(wú)水下預(yù)埋螺栓，無(wú)需進(jìn)行水下修補(bǔ)，且對(duì)拉結(jié)構(gòu)的拆除效率更高，減少沉箱修補(bǔ)和潛水作業(yè)成本。根據(jù)是否需要進(jìn)行水下預(yù)埋螺栓孔修補(bǔ)這一主控因素，本項(xiàng)目最終選用螺栓對(duì)拉加固方案。

表2 B型沉箱鋼封門加固方案對(duì)比Tab.2 Comparison of Reinforcement Schemes for B-type Caisson Steel Door Closure

圖4 鋼封門螺栓對(duì)拉加固方案Fig.4 Installation Method of Steel Gate with Pull Screws （mm）

3.2 荷載計(jì)算

沉箱安裝選在海況條件較好的情況下進(jìn)行，忽略水流力及波浪力的影響，作用在鋼封門上的荷載主要為靜水壓力，現(xiàn)場(chǎng)最大高潮潮位（HHWL）為+2.5 mPD，鋼封門底部標(biāo)高為-1.0 mPD，作用于鋼封門的最大水深高度為3.5 m，鋼封門底部承受的最大水壓力為：Pmax=ρ gh=1 025×9.8×3.5=35 157.5 N/m2。荷載分項(xiàng)系數(shù)γf=1.4，則鋼封門的計(jì)算最大水壓力為：P=γf·Pmax=1.4×35 157.5=49 220.5 N/m2。

3.3 鋼封門結(jié)構(gòu)分析

采用Midas Civil有限元軟件建立模型對(duì)鋼封門進(jìn)行分析計(jì)算，主要校核面板及肋部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及變形，相關(guān)計(jì)算原則遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［5］。鋼封門的詳細(xì)尺寸如圖5所示。

3.3.1 面板計(jì)算分析（見圖6）

面板應(yīng)力：最大有效應(yīng)力（Von-Mises應(yīng)力）為18.1 N/mm2＜215 N/mm2，滿 足 要求；面板變形：最大變形值為4.67 mm，滿足要求。

豎肋及橫肋最大應(yīng)力為177.6 N/mm2＜215 N/mm2，滿足要求；豎肋及橫肋最大剪應(yīng)力為30.9 N/mm2＜125 N/mm2，滿足要求；豎肋及橫肋最大變形值為4.67 mm，滿足要求。

4 鋼封門沉箱安裝方法及效果驗(yàn)證

當(dāng)沉箱完成預(yù)制并安裝好鋼封門之后，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引沉箱完成縱橫移運(yùn)送至半潛駁后，通過(guò)拖輪拖運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，在指定的下潛區(qū)拋錨定位，等待合適潮位進(jìn)行下潛浮運(yùn)沉箱。根據(jù)浮游穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，半潛駁注水下潛至設(shè)計(jì)深度，同時(shí)調(diào)整沉箱倉(cāng)格內(nèi)壓載水高度進(jìn)行沉箱浮游穩(wěn)定調(diào)平，非自浮的沉箱在鋼封門的密封下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起浮。沉箱平穩(wěn)起浮后，通過(guò)安裝在定位平板駁上的卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引進(jìn)行沉箱出駁工作，如圖8所示。沉箱出駁后靠泊在定位駁一側(cè)并用纜繩進(jìn)行固定。沉箱固定完成后，連同定位駁一起由拖輪拖帶至安裝位置進(jìn)行安裝，如圖9所示。

圖5 鋼封門尺寸Fig.5 The Dimension of Steel Gate （mm）

圖6 面板應(yīng)力及變形分析結(jié)果Fig.6 Panel Stress and Deformation Analysis Results

圖7 豎肋及橫肋應(yīng)力、抗剪及變形分析結(jié)果Fig.7 Stress，Shear and Deformation Analysis Results of Vertical and Transverse Ribs

圖8 沉箱出駁Fig.8 Sketch of Caisson Float Out of the Semi-submersible Barge

圖9 沉箱拖帶Fig.9 Sketch of Caisson Towing with Position Flat Top Barge

圖10 沉箱安裝平面布置Fig.10 Layout Plan of Caisson Installation

沉箱拖帶至安裝位置附近后，將定位駁拋錨定位與基床前沿線垂直擺位，通過(guò)定位駁上的卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引將沉箱旋轉(zhuǎn)90°，使鋼封門一側(cè)朝向基床前沿方向，再通過(guò)定位駁的卷?yè)P(yáng)機(jī)調(diào)整定位駁的位置進(jìn)行沉箱安裝精確定位，當(dāng)待安裝沉箱靠近上一件已安裝沉箱位置時(shí)，在2 件沉箱相鄰墻體角點(diǎn)位置交叉安裝手拉葫蘆。粗定位過(guò)程中通過(guò)定位駁上的卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行沉箱位置控制，當(dāng)沉箱注水下沉至離基床面約30 cm 時(shí)，通過(guò)手拉葫蘆進(jìn)行沉箱安裝精確定位，沉箱安裝平面布置如圖10所示。

通過(guò)14 件B 型號(hào)沉箱安裝實(shí)操驗(yàn)證，利用螺栓對(duì)拉進(jìn)行加固的沉箱鋼封門安裝方案水密性較好，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，歷次沉箱安裝過(guò)程都比較順利；對(duì)拉式鋼封門水下拆除效率較高，潛水員平均每天拆除5 套鋼封門。鋼封門的設(shè)計(jì)既滿足了沉箱安裝的浮游穩(wěn)定要求，又實(shí)現(xiàn)了沉箱安裝后箱內(nèi)壓載水體積的增加，從而增強(qiáng)沉箱回填前的臨時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在解決沉箱安裝施工技術(shù)難題的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。沉箱安裝及鋼封門水密效果如圖11、圖12所示。

5 結(jié)論

本文結(jié)合香港某綜合廢物管理設(shè)施工程B型沉箱

圖11 采用鋼封門封倉(cāng)的沉箱安裝Fig.11 Caisson Installation with Steel Gates

圖12 鋼封門水密性效果Fig.12 Watertight Effect of Steel Gates

安裝工藝，優(yōu)化了鋼封門設(shè)計(jì)及加固方案，解決了沉箱安裝過(guò)程的浮游穩(wěn)定技術(shù)問(wèn)題，規(guī)避了水下混凝土修補(bǔ)的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了項(xiàng)目成本。螺栓對(duì)拉的鋼封門加固方案整體實(shí)施結(jié)果較好，表明該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及加固體系設(shè)置較為合理，可為同類型異型沉箱的出運(yùn)安裝所面臨的類似問(wèn)題提供解決思路，具有較好的借鑒意義。