賈延財(cái)

箱涵的氣囊出運(yùn)助浮及安裝工藝探討與應(yīng)用

賈延財(cái)

（中交煙臺(tái)環(huán)保疏浚有限公司，山東煙臺(tái)264000）

以福建省漳州市古雷鎮(zhèn)熱電廠循環(huán)水工程箱涵出運(yùn)安裝為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)箱涵的氣囊出運(yùn)及助浮安裝工藝的研究，分析氣囊輔助安裝箱涵的工藝?yán)碚摽尚行?，從新的角度提出箱涵出運(yùn)安裝的施工工藝，并結(jié)合工程實(shí)踐，在一定程度上節(jié)約施工成本，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為今后類似水工構(gòu)件的施工提供新的思路，促進(jìn)水工構(gòu)件安裝工藝的發(fā)展。

箱涵；氣囊；助??；箱涵安裝；浮游穩(wěn)定

0 引言

在港口工程及大型市政工程中，箱涵施工工藝應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前箱涵安裝普遍采用半潛駁與浮吊的施工工藝，氣囊輔助安裝箱涵的施工工藝屬于新工藝，工程應(yīng)用較少。

本文以實(shí)際工程為例，進(jìn)行箱涵的氣囊出運(yùn)移位、助浮、海上拖運(yùn)、安裝以及浮游穩(wěn)定、拖帶力、下沉起浮等環(huán)節(jié)的驗(yàn)算，并詳細(xì)闡述了氣囊輔助安裝操作步驟。

1 工程概況

福建省漳州市古雷半島熱電廠循環(huán)水工程位于東山灣附近，設(shè)計(jì)高潮水位+2.07 m，設(shè)計(jì)低潮水位-1.37 m，需要安裝雙孔箱涵，長(zhǎng)度14 m，寬度7.2 m，高度2.8 m，壁厚40 cm，凈重約297 t。

現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)為細(xì)砂，具有良好的地基承載力，整平后可直接進(jìn)行箱涵預(yù)制[1]。箱涵出運(yùn)前，預(yù)先布置地錨、卷?yè)P(yáng)機(jī)、牽引索具、氣囊、支墊枕木等[2]。

箱涵出運(yùn)坡道長(zhǎng)62 m，坡頂標(biāo)高+4.0 m，下水平臺(tái)標(biāo)高-0.5 m，坡比由1∶30過(guò)渡為1∶12。

就地取材，利用現(xiàn)場(chǎng)細(xì)砂經(jīng)過(guò)整平、修坡后，形成預(yù)制場(chǎng)、箱涵出運(yùn)坡道及下水平臺(tái)，如圖1所示。

2 箱涵的氣囊頂升及出運(yùn)

2.1 氣囊選擇

1）氣囊規(guī)格為：直徑D=1.0 m，有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)o=12 m，總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=13.6 m；許可工作壓力0.2 MPa，出廠檢驗(yàn)壓力0.25 MPa。

2）出運(yùn)前，進(jìn)行氣囊密閉性檢查，充氣0.1 MPa，12 h后氣壓不低于0.08 MPa；

圖1 箱涵結(jié)構(gòu)及出運(yùn)坡道Fig.1Box culvert structure and shipment ramp

2.2 氣囊頂升出運(yùn)

經(jīng)過(guò)計(jì)算[3]，箱涵頂升采用4條氣囊，箱涵出運(yùn)采用5條氣囊，出運(yùn)高度設(shè)定40~50 cm，氣囊工作氣壓保持0.1~0.11 MPa。

3 箱涵的氣囊助浮及海上拖運(yùn)

3.1 箱涵的氣囊助浮及浮游穩(wěn)定驗(yàn)算

助浮氣囊采用直徑1 m和1.5 m兩種規(guī)格，經(jīng)自浮驗(yàn)算，箱涵起浮需要配置8條直徑1.5 m氣囊和6條直徑1 m氣囊，每個(gè)箱涵孔安裝4條直徑1.5 m氣囊，箱涵每側(cè)外掛3條直徑1 m氣囊，箱涵起浮時(shí)，外掛的氣囊每側(cè)各有半條在水位以上，干舷為0.38 m，實(shí)際沒入水中的外掛氣囊按5條計(jì)，具體布置見圖2所示。

圖2 助浮氣囊布置Fig.2Airbag filling layout of auxiliary floating

箱涵浮游穩(wěn)定驗(yàn)算，根據(jù)JTS 167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)及施工規(guī)范》，附錄F-沉箱定傾半徑計(jì)算[4]，如表1所示。

表1 箱涵重心及浮心驗(yàn)算Table 1Calculation of gravity center and buoyancy center of box culvert

浮游穩(wěn)定驗(yàn)算：

重心到浮心距離：α=0.15 m；

定傾半徑：ρ=（I-∑i）/V=1.42 m；

定傾高度：m=ρ-α=1.26＞0.2 m；

根據(jù)規(guī)范規(guī)定[4]，近程浮運(yùn)，m≥0.2 m；經(jīng)驗(yàn)算箱涵起浮后浮游穩(wěn)定。

3.2 箱涵的海上拖帶力驗(yàn)算

箱涵海上運(yùn)輸采用浮運(yùn)拖帶法，將定位駁上的鋼絲纜帶至箱涵上，通過(guò)絞錨拖運(yùn)箱涵，拖帶力計(jì)算根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)及施工規(guī)范》，第9.3.14條規(guī)定[4]，按照下式計(jì)算：

式中：F為拖帶力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；A為沉箱受水阻力時(shí)的面積，m2，A=D（T+δ）；rW為水的重度，kN/m3，取10.0 kN/m3；α為箱涵寬度，m，取7.2 m；T為箱涵吃水，m，經(jīng)計(jì)算為2.41 m；δ為箱涵前涌水高度，m，取0.6倍波高；v為箱涵相對(duì)水流速度，m/s；K為擋水系數(shù)，矩形取1.0。

箱涵出運(yùn)安裝時(shí)風(fēng)速不超過(guò)6級(jí)，露出水面高度約38 cm，受風(fēng)力影響小，因此，箱涵出運(yùn)不考慮風(fēng)力影響。

總阻力F總=F+F風(fēng)=27.35 kN

帶纜方式如圖3所示，考慮6倍安全系數(shù)，選取φ28鋼絲繩作為拖纜。

圖3 箱涵助浮拖運(yùn)Fig.3Box culvert auxiliary floating and hauling

3.3 箱涵的氣囊助浮步驟

1）在出運(yùn)前，先將箱涵孔內(nèi)的8條氣囊安裝完成，即利用卷?yè)P(yáng)機(jī)及人工配合，每個(gè)箱涵孔預(yù)先安放4條氣囊，分兩層疊放，先充上層氣囊至0.02 MPa，再充下層氣囊至0.03 MPa，然后根據(jù)氣囊填充均勻度調(diào)整氣囊氣壓，直至氣囊均勻飽滿的填充箱涵孔（見圖2），最后將上層氣囊充氣至0.12MPa，下層氣囊充氣至0.13MPa；

2）低潮位時(shí)，箱涵出運(yùn)至下水平臺(tái)，后牽引系統(tǒng)保持不變，在箱涵兩側(cè)安裝剩余的6條助浮氣囊，用綁帶將3條外掛氣囊捆綁在箱涵側(cè)面，縱向每隔1 m捆綁一道，在箱涵安裝時(shí)，用最底層外掛氣囊調(diào)節(jié)箱涵起浮，最底層外掛氣囊需單獨(dú)用綁帶捆綁。捆綁完成后，進(jìn)行氣囊充氣，先充上層氣囊至0.02 MPa，再充下層氣囊至0.03 MPa，然后調(diào)整氣囊成三角形均勻布局，最后將每側(cè)的外掛氣囊充氣至0.12 MPa，如圖2所示；

3）安裝外掛氣囊同時(shí)，進(jìn)行前牽引系統(tǒng)安裝，潛水員將駁船上的細(xì)纜帶至箱涵，并繞過(guò)箱涵上的轉(zhuǎn)向滑輪后，返回到駁船上，然后啟動(dòng)駁船卷?yè)P(yáng)機(jī)用φ28鋼絲纜替換細(xì)纜；

4）牽引系統(tǒng)及助浮氣囊安裝完成后，檢查每條氣囊氣壓及牽引系統(tǒng)是否正常，將每條氣囊的充氣管（長(zhǎng)度約3 m）編號(hào)后綁在一起，統(tǒng)一固定在箱涵頂部，檢查完成后，收緊箱涵前后牽引鋼絲纜，等待高潮位；

5）當(dāng)潮位達(dá)到+1.9 m時(shí)，箱涵在氣囊助浮作用下開始起浮，此時(shí)啟動(dòng)前牽引系統(tǒng)，同時(shí)松放后牽引系統(tǒng)，將箱涵拖拽入海至安裝位置[5]。

4 箱涵海上安裝

4.1 箱涵下沉起浮驗(yàn)算

經(jīng)表2驗(yàn)算，箱涵懸浮狀態(tài)時(shí)，需配置8條直徑1.5 m氣囊和2條直徑1 m氣囊，每個(gè)箱涵孔安裝4條直徑1.5m氣囊，每側(cè)各掛1條直徑1m氣囊，外掛氣囊通過(guò)調(diào)節(jié)氣壓進(jìn)行控制。

表2 箱涵懸浮狀態(tài)驗(yàn)算Table 2Calculation of the suspended state of box culvert

4.2 箱涵的氣囊輔助安裝步驟

箱涵的氣囊輔助安裝步驟如下：

1）箱涵安裝前，潛水員事先安放接縫處的土工布[5-6]，并將供氣系統(tǒng)放置在駁船上；箱涵拖運(yùn)至安裝位置上方后，使駁船與箱涵保持30 m左右距離，將定位測(cè)桿安裝到箱涵頂；再次檢查各氣囊氣壓變化情況及前后牽引系統(tǒng)是否正常，一切準(zhǔn)備工作就緒后，等待平潮位。

2）首先進(jìn)行初步定位，使箱涵定位于安裝位置上方，距離對(duì)接的箱涵1 m左右，如圖4所示；

3）潛水員按照指令，給兩側(cè)外掛氣囊同時(shí)放氣，先進(jìn)行上層的氣囊放氣，再進(jìn)行底層氣囊放氣。當(dāng)箱涵頂面剛好與水面基本平齊時(shí)，停止放氣，箱涵接近懸浮狀態(tài)；

圖4 箱涵氣囊輔助安裝Fig.4The auxiliary airbag installation of box culvert

4）箱涵下沉，箱涵頂上的2名潛水員到交通船上，繼續(xù)對(duì)外掛氣囊放氣，此時(shí)控制放氣速率，當(dāng)箱涵開始緩慢下沉?xí)r，停止放氣，另外2名潛水員分別在箱涵對(duì)接口兩側(cè)觀察箱涵下沉情況，確保下沉過(guò)程中不碰撞已安裝的箱涵，具體位置安排（見圖4）；

5）軸線定位，箱涵下沉到底后，首先將待裝箱涵與已安裝箱涵之間的距離縮短為0.5 m左右，然后再根據(jù)箱涵偏移情況，進(jìn)行軸線定位，每次箱涵移位，均需要充氣重新起浮，并控制起浮高度0.2~0.5 m為宜，軸線定位是最關(guān)鍵的工序，定位采取雙控，一方面由岸邊測(cè)量員進(jìn)行校核控制，另一方面由潛水員根據(jù)水下控制線進(jìn)行校核；

6）箱涵對(duì)接，箱涵軸線定位完成后，再次起浮箱涵至懸浮狀態(tài)，離地不超過(guò)0.2 m，然后啟動(dòng)后牽引系統(tǒng)，使箱涵與已安裝箱涵相互靠攏接觸，但不壓縮止水帶；

7）對(duì)接校核，箱涵靠攏對(duì)接完成后，再次進(jìn)行軸線校核，當(dāng)軸線方向有偏移時(shí)，重新起浮進(jìn)行糾偏，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

8）箱涵對(duì)接密封并校核完成后，收緊后牽引系統(tǒng)，同時(shí)松放前牽引系統(tǒng)，使箱涵相互擠壓，壓縮止水帶，拉緊后箱涵間距不大于2 cm，保證箱涵縫隙密封，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

9）箱涵安裝完成，檢驗(yàn)合格后，潛水員進(jìn)行解除鋼絲繩、氣囊回收等收尾工作。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福建漳州古雷熱電廠循環(huán)水工程，箱涵的氣囊出運(yùn)及助浮安裝施工進(jìn)行探討和研究，獲得了經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)成果如下：

1）因地制宜，將現(xiàn)場(chǎng)細(xì)砂地質(zhì)作為預(yù)制場(chǎng)及出運(yùn)通道，箱涵預(yù)制施工工藝上可行，質(zhì)量方面可控，施工過(guò)程安全有保障，本技術(shù)與硬化預(yù)制場(chǎng)及出運(yùn)通道相比，降低了施工成本。

2）與傳統(tǒng)的浮吊安裝施工工藝相比，投入大型設(shè)備少，費(fèi)用低，降低施工成本。

3）利用氣囊柔韌性及助浮性的特點(diǎn)，協(xié)助箱涵進(jìn)行海上運(yùn)輸及安裝，安裝時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)氣囊充放氣，調(diào)控箱涵起浮及下沉，操作簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量可靠。

4）本工藝施工不受狹窄海域限制，在大型浮吊船無(wú)法進(jìn)場(chǎng)時(shí)，可采用本工藝施工。

5）通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牧W(xué)驗(yàn)算和工程實(shí)踐，推動(dòng)氣囊輔助安裝箱涵的施工工藝從理論到實(shí)踐的發(fā)展，為今后類似工程施工提供新的施工方法。

[1]章廣斌.大型沉箱氣囊出運(yùn)安裝工藝研究與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007. ZHANG Guang-bin.The installation technology research and application of large caisson transportation by airbag[D].Ji′nan: Shandong University,2007.

[2]黃金龍.沉箱出運(yùn)安裝的安全控制研究[D].天津：天津大學(xué)，2013. HUANG Jin-long.Research on safety control during transportation and installation of large-scale caisson[D].Tianjian:Tianjin University,2013.

[3]蔣愛春，張亞萍.沉箱氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工程應(yīng)用[J].中國(guó)水運(yùn)，2013，13（9）：344-345. JIANGAi-chun,ZHANG Ya-ping.The application of airbag transit technology of caisson[J].China Water Transport,2013,13(9):344-345.

[4]JTS 167-2—2009，重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[5]宋建東.大型預(yù)制構(gòu)件出運(yùn)及水上安裝施工技術(shù)[D].成都：西南交通大學(xué)，2005. SONG Jian-dong.The large precast components conveying& installation construction technique on water[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2005.

[6]JTJ/T 239—1998，水運(yùn)工程土工織物應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S]. JTJ/T 239—1998,Technical specifications for geotextile applications of port and waterway engineering[S].

Study and application of construction technology during transport and auxiliary floating installation process of box culvert using airbag

JIA Yan-cai
（CCCC.TDC Yantai Environmental Protection Dredging Co.,Ltd.,Yantai,Shandong 264000,China）

To study the transport and installation of box culvert which is utilized on circulating water system of a coal power plant project in Gulei Town,Zhangzhou City,Fujian Province.By analyzing the theoretical feasibility of the auxiliary airbag method assisting the installation of box culvert,we proposed the methodology of transport and installation process of box culvert from a new perspective.Combined with engineering practice,the construction cost is saved,which has practical application value,provides a new idea for the construction of similar hydraulic components in future,and promotes the further development of the installation technology of hydraulic components.

box culvert;airbag;auxiliary floating;installation of box culvert;floating stability

U655.4

B

2095-7874（2017）08-0107-04

10.7640/zggwjs201708025

2017-02-25

2017-05-07

賈延財(cái)（1982—），男，山東濟(jì)南人，碩士，工程師，港口、航道及近海工程專業(yè)。E-mail：215170116@qq.com