鄧應(yīng)橋，陶立雙

（中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200030）

0 引言

沉箱的預(yù)制、出運(yùn)、安裝是一個(gè)工程的關(guān)鍵施工工序。小型沉箱安裝可以采用大型起重設(shè)備直接進(jìn)行安裝，大型沉箱一般采用半潛駁或浮船塢進(jìn)行浮運(yùn)安裝。對(duì)于結(jié)構(gòu)特殊的高大型沉箱需要采用半潛駁和起重設(shè)備配合進(jìn)行安裝[1]。

1 工程背景

中緬30 萬t 原油碼頭項(xiàng)目位于緬甸西海岸皎漂馬德島，孤島作業(yè)，施工條件惡劣，社會(huì)資源匱乏。本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式為重力式沉箱碼頭，采用獨(dú)立墩式蝶形布置。沉箱為直徑18m 的圓形結(jié)構(gòu)[2]，內(nèi)部采用“井字形”薄壁隔艙，底部為八角形底板，趾長為1.5 m。沉箱高度分為3 種：30.05 m、27.8 m 和19.3 m，具體規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 沉箱規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specifications of caisson

沉箱預(yù)制采用現(xiàn)場籌建大型預(yù)制場地和出運(yùn)碼頭，沉箱安裝采用中國調(diào)遣半潛駁現(xiàn)場安裝。

2 原安裝方案

以CX1 沉箱首次安裝為例，沉箱在項(xiàng)目現(xiàn)場籌建的預(yù)制場預(yù)制完成，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，采用氣囊運(yùn)輸?shù)桨霛擇g上，半潛駁利用錨艇和拖輪配合從出運(yùn)碼頭移動(dòng)至下潛坑位置，半潛駁打開灌排水系統(tǒng)開始下潛，沉箱同步注水，待沉箱滿足浮游穩(wěn)定條件后，利用200 t 起重船配合出駁和安裝[3-4]。沉箱安裝采用定制的半潛駁（三航工5）進(jìn)行浮運(yùn)、下潛、安裝。三航工5 型長為100 m，型寬為40 m，型深為7 m，最大下潛深度為26.5 m，最大舉力為15 000 t。

通過對(duì)沉箱進(jìn)行浮游穩(wěn)定計(jì)算，當(dāng)壓載水深度為5.8 m 時(shí)，沉箱吃水深度為19.5 m，沉箱底部墊木厚度為0.35 m，半潛駁型深為7 m，下潛深度為26.85 m，定傾高度為0.003 m，沉箱浮游穩(wěn)定處于臨界狀態(tài)，沉箱無法直接拖帶出駁。

當(dāng)壓載水深度為6.2 m 時(shí)，沉箱吃水深度為19.85 m，沉箱底部墊木厚度為0.35 m，半潛駁型深為7 m，下潛深度為27.2 m，定傾高度為0.22 m，沉箱浮游穩(wěn)定滿足規(guī)格要求，但下潛深度超過半潛駁的最大下潛深度，需要起重船配合出駁。

根據(jù)沉箱首次安裝實(shí)際情況，當(dāng)半潛駁下潛到7 m，甲板淹沒到水面的時(shí)刻，半潛駁出現(xiàn)大角度的橫向搖擺，現(xiàn)場通過控制下潛速度和調(diào)整船舶姿態(tài)無法改變船舶橫搖現(xiàn)象，見圖1。為了避免橫搖導(dǎo)致沉箱在船舶甲板出現(xiàn)滑動(dòng)或傾覆，項(xiàng)目部當(dāng)即停止了下潛，組織專家團(tuán)隊(duì)對(duì)現(xiàn)場出現(xiàn)的情況進(jìn)行原因分析和尋找對(duì)策。

圖1 半潛駁發(fā)生橫搖Fig.1 Rolling of semi-submersible barge

3 原因分析

針對(duì)半潛駁下潛出現(xiàn)橫搖情況，項(xiàng)目部組織工程專家、船舶操作專家、船舶設(shè)計(jì)院對(duì)半潛駁狀態(tài)、施工條件及下潛工況進(jìn)行分析，導(dǎo)致出現(xiàn)橫搖的原因如下：

1）半潛駁下潛時(shí)船首和船尾保持水平，當(dāng)下潛到7 m 時(shí)，船身甲板入水時(shí)刻，半潛駁與水面接觸的面積由整個(gè)船體突變?yōu)榍昂? 個(gè)塔樓，提供給船舶的穩(wěn)性慣性矩突然變小，導(dǎo)致船舶浮游穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，出現(xiàn)失穩(wěn)情況。

2）半潛駁在現(xiàn)場下潛坑位置下潛時(shí)，船舶與現(xiàn)場水流存在一定夾角，導(dǎo)致半潛駁下潛后，受水流外力影響較大，使得半潛駁出現(xiàn)晃動(dòng)。

3）本項(xiàng)目沉箱為高大結(jié)構(gòu)，重心較高，雖然半潛駁的舉力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉箱重量，但是沉箱和半潛駁形成一個(gè)整體后，浮游穩(wěn)定需要重新考慮。

4）半潛駁壓載艙灌排水設(shè)備是受艙內(nèi)的壓力傳感器控制，由于水艙排氣閥出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致壓力傳感器數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，水艙內(nèi)水位實(shí)際高度與顯示器高度不一致，出現(xiàn)壓載水不夠的情況。

5）半潛駁頂部甲板上擺放很多重物、下潛之前半潛駁上吊車沒有放平，導(dǎo)致半潛駁的重心偏高，影響到處于極限狀態(tài)下的整體穩(wěn)定性。

4 應(yīng)對(duì)措施

按照專家要求，針對(duì)出現(xiàn)橫搖的原因，對(duì)沉箱安裝采取以下措施：

1）在三航工5 號(hào)艉部塔樓兩邊外側(cè)甲板向上各增加1 個(gè)鋼浮箱，長12 m、寬1.2 m、高4.5 m。鋼浮箱底部設(shè)排水閥、頂部設(shè)置排氣管和進(jìn)水管。

2）三航工5 號(hào)采用縱傾1?進(jìn)行下潛，直到整體定傾高度值滿足設(shè)計(jì)要求。

3）制定半潛駁下潛工作流程，確定壓載艙加載順序與操作要求，經(jīng)船舶設(shè)計(jì)院復(fù)核后實(shí)施。項(xiàng)目部依據(jù)下沉全過程確定幾種最不利工況（如：甲板全部沒水、沉箱底部開始沒水、浮箱頂部沒水、沉箱內(nèi)灌水、塔樓變截面處沒水等），請(qǐng)船舶設(shè)計(jì)驗(yàn)算穩(wěn)性高度是否滿足規(guī)范要求。

4）調(diào)整沉箱橫向平面位置，位置偏差在±50 mm 以內(nèi)，減少沉箱偏心力矩，降低船體搖擺幅度。

5）三航工5 號(hào)卸下船上塔樓頂面及機(jī)艙內(nèi)多余貨物；更換調(diào)試有故障的設(shè)備、儀器、儀表；下潛前要檢查船體油艙、生活水艙實(shí)際艙位情況；對(duì)CX1 位置的甲板結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行檢查；嚴(yán)格按確定工作流程、壓載艙灌排水順序進(jìn)行操作。

6）在幾種不利工況下，塔樓起重吊架應(yīng)處于擱置放平狀態(tài)。

7）優(yōu)化三航工5 號(hào)錨位，減少水流對(duì)沉箱下沉的影響。

8）暫停澆筑沉箱頂部牛腿，將已經(jīng)澆筑的混凝土鑿除，鑿除的混凝土碎渣作為沉箱的固體壓載物，降低結(jié)構(gòu)物重心。

9）沉箱下沉前，應(yīng)對(duì)沉箱內(nèi)水位進(jìn)行檢查，積水不超過30 cm。減小沉箱入水前積水自由液面對(duì)沉箱的影響。

10）沉箱下沉實(shí)施前應(yīng)掌握氣象情況，測量沉箱下潛位置處全斷面的水流流速，并考慮水流力對(duì)沉箱就位的影響，以便指導(dǎo)沉箱安裝。

5 處理方法及效果

5.1 半潛駁船尾兩側(cè)增加浮箱

根據(jù)專家意見，在半潛駁船尾塔樓的外側(cè)增加2 個(gè)長12 m、寬1.2 m、高4.5 m 的浮箱[5]，見圖2，浮箱的頂面布置4 根高度為1 m、直徑150 mm的鋼管作為自動(dòng)進(jìn)水口，當(dāng)水位超過浮箱頂面1 m 后能自動(dòng)進(jìn)水，然后在浮箱頂面做1 個(gè)排氣管，直接固定在半潛駁的塔樓上，高度到半潛駁塔樓的頂甲板上，管頂安裝1 個(gè)閥門，控制是否放氣；在浮箱底板安裝1 個(gè)DN200 的排水閥門，當(dāng)半潛駁上浮出水面時(shí)，打開排水閥門將浮箱內(nèi)的水排出，減小箱內(nèi)海水的影響。

圖2 半潛駁船尾安裝浮箱Fig.2 Installation floating tank to stern of semisubmersible barge

浮箱與半潛駁的連接方式：在半潛駁的塔樓外側(cè)每隔2 m 有一道塔樓結(jié)構(gòu)龍骨，先將制作好的三角托架與半潛駁的龍骨焊接，采用雙面焊接4 段焊縫，每段焊縫長度22 cm，然后用1 條通常的槽鋼將7 個(gè)托架連接成一個(gè)整體，然后將浮箱吊裝到托架上面，浮箱與托架和半潛駁塔樓焊接，再用7 個(gè)三角架從浮箱頂面反壓下來，與底部的托架對(duì)稱，最后用槽鋼將上下2 個(gè)三角架外口連接成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，將浮箱包裹在中間，確保浮箱的穩(wěn)定性。

經(jīng)計(jì)算，浮箱長12 m，寬1.2 m，高4.5 m，安裝在尾塔樓兩邊上，安裝高度范圍為7.0～11.5 m，在船舶下潛7.0～11.5 m 的過程中起作用，相當(dāng)于增加了12 500 t·m 的慣性矩，相當(dāng)于在7.0～11.5 m范圍內(nèi)增加了0.45 m 的定傾高度值。

5.2 半潛駁保持縱傾姿態(tài)下潛

原安裝方案中考慮到半潛駁為15 000 t，沉箱約為4 000 t，安裝的富裕量較大，所以第一次沉箱安裝時(shí)半潛駁采用的水平狀態(tài)下潛，出現(xiàn)嚴(yán)重橫搖情況。通過專家組討論，考慮到本次安裝的沉箱重心較高，水平下潛時(shí)船舶與水接觸面發(fā)生突變，浮力的慣性矩突然變小，導(dǎo)致出現(xiàn)失穩(wěn)，因此，要求半潛駁保持縱傾1?下潛[6]，船尾先下潛，始終與船首保持2.0～2.5 m 的高差，避免出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)與水面的慣性矩發(fā)生突變，整體定傾高度由0.33 m 增加到0.85 m，提升了半潛駁和沉箱在最不利情況下的整體穩(wěn)定性。

5.3 通過整體穩(wěn)定性計(jì)算指導(dǎo)半潛駁灌水下潛

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)院提供的穩(wěn)性計(jì)算書，半潛駁兩側(cè)增加浮箱后的下潛各種工況的整體穩(wěn)定性情況，用于指導(dǎo)半潛駁下潛時(shí)各個(gè)水艙的灌水順序和速度，LOAD2-A 至LOAD2-J 為加浮箱后的典型工況[7]：

1）LOAD2-A 為半潛駁無縱傾，舉升甲板被淹沒時(shí)的工況，此時(shí)沉箱沒有淹沒水面，修正后定傾高度GM=0.33，穩(wěn)性雖然足夠，但并不大，考慮到外部施工條件，建議半潛駁采取帶縱傾角度下潛。

2）LOAD2-B 為舉升甲板剛被淹沒的帶縱傾工況，在主甲板完全淹沒時(shí)，沉箱底部也已經(jīng)接觸水面，此時(shí)沉箱提供了慣性矩，修正后定傾高度GM 值達(dá)到0.85 m。此時(shí)半潛駁NO.3（P1，S1,P2，S2），NO.4（P1，S1，P2，S2），NO.5（P1，S1，P2，S2）和NO.6（P1，S1）14 個(gè)壓載艙水已灌滿，可以利用NO.2（P1，S1），NO.6（P2，S2）進(jìn)行船體平衡調(diào)節(jié)，半潛駁各艙位編號(hào)見圖3。

圖3 半潛駁壓載艙平面圖Fig.3 Plan of ballast compartments of semi-submersible barge

由于本項(xiàng)目沉箱重心高度較高，沉箱自身提供的慣性矩較少，LOAD2-B 工況是本船相對(duì)比較危險(xiǎn)的工況。因此，下潛時(shí)需要集中裝載壓載水，盡量消除自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響。根據(jù)船舶操作要求，壓載艙灌滿或者空艙情況下無需考慮自由液面影響，其它情況下每個(gè)艙的最大自由液面將使船舶定傾高度GM 值大約減少0.04 m。如：LOAD2-B 工況將7 對(duì)艙裝滿，這7 對(duì)艙則無需考慮自由液面。其他艙原則上可以為空艙，但考慮到可操作性問題，將在其他艙內(nèi)注水，則需要考慮自由液面影響，因此，LOAD2-B 工況在考慮一半艙的自由液面后，GM 值達(dá)到了0.85 m。

3）LOAD2-C 為船舶下潛深度為8.1 m 的工況，此時(shí)沉箱基座被淹沒，沉箱接觸水面的部分半徑從10.5 m 變成了9 m，修正后定傾高度GM值為0.71 m。

4）LOAD2-D 為船舶下潛到11.5 m 前的工況，此時(shí)浮箱還沒淹沒，修正后定傾高度GM 為1.14 m。

5）LOAD2-E 為船舶下潛到11.5 m 后的工況。此時(shí)浮箱淹沒于水下，浮箱所起作用消失，此時(shí)提供船舶慣性矩的為塔樓和沉箱。修正后定傾高度GM 為0.73 m。

6）LOAD2-F 為船舶下潛到12.5 m 前的工況。此時(shí)浮箱尚未開始進(jìn)水，修正后定傾高度GM 為0.82 m。

7）LOAD2-G 為船舶下潛到12.5 m 后的工況。此時(shí)浮箱進(jìn)滿水，修正后定傾高度GM 為0.83 m。

8）LOAD2-H 為船舶下潛深度為15.2 m 的工況，此時(shí)除了NO.2（P2，S2）和NO.7（P2，S2），其他艙都已經(jīng)裝滿。

9）LOAD2-I 和LOAD2-J 表示沉箱開始注水，與半潛駁同步下潛到最大深度的工況。

5.4 降低半潛駁及沉箱重心高度

根據(jù)現(xiàn)場情況，對(duì)半潛駁和沉箱均采取了降低結(jié)構(gòu)重心的措施，首先將半潛駁操作平臺(tái)頂部的重物，如鋼絲纜繩、船舶備件等吊上岸邊暫存，半潛駁下潛至15 m 前，塔樓上的2 臺(tái)吊車把桿平放，處于不工作狀態(tài)，待下潛到15 m 后，開始使用吊車工作，配合施工。對(duì)于已經(jīng)完成預(yù)制的沉箱，將沉箱頂部的牛腿混凝土鑿除，做為沉箱的固定壓載物，對(duì)于沒有完成預(yù)制的沉箱，暫停牛腿施工，待沉箱安裝就位后，進(jìn)行水上現(xiàn)澆牛腿混凝土，降低沉箱重心高度。

5.5 排查半潛駁艙位儀表設(shè)備

根據(jù)船舶專家意見，對(duì)半潛駁灌排水系統(tǒng)，包括水泵、管道、閥門和儀表進(jìn)行檢查和復(fù)核，發(fā)現(xiàn)在半潛駁操作平臺(tái)外的壓載艙排氣閥出現(xiàn)故障，導(dǎo)致進(jìn)行壓載時(shí)，壓載艙進(jìn)水時(shí)，艙內(nèi)空氣無法排出，導(dǎo)致儀表顯示水位已滿，但實(shí)際里面封閉了大量空氣，水位并未達(dá)到實(shí)際高度。通過更換排氣閥后，壓載艙水位滿艙后，排氣閥會(huì)有水柱噴出，即表示壓載艙已滿。

5.6 現(xiàn)場測量潮位和水流，確定半潛駁下潛時(shí)機(jī)

為了了解沉箱安裝施工水域的流速變化規(guī)律，項(xiàng)目部利用LS1206B 流速儀每隔0.5 h 測量1 次5 m、10 m、15 m、20 m 不同深度的流速情況。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析：同一個(gè)測量點(diǎn)隨水深越深流速越大，靠近工作船碼頭距離越近的基坑位置流速越大，小潮汛的流速比大潮汛的流速要小，即使在平潮時(shí)刻，基坑上下的流速也不相同[8]。

因此，沉箱安裝選擇每個(gè)月2 次小汛潮期間（每次時(shí)間窗口為4～5 d），從最低潮位為開始漲潮時(shí)，流速開始變小，半潛駁開始下潛，高平潮時(shí)流速最小，起重船配合沉箱出駁，移運(yùn)至安裝位置，沉箱注水下沉至20 m，等待落潮，在低平潮前沉箱注水下沉至距離基床頂面2 m 位置，最后在低平潮時(shí)沉箱安裝就位。

5.7 起重船配合沉箱出駁、安裝

根據(jù)重力式碼頭施工技術(shù)規(guī)范要求，浮游穩(wěn)定的定傾高度m＞0，沉箱即可穩(wěn)定，m≥0.2 m，沉箱滿足近程拖帶要求。

根據(jù)現(xiàn)場對(duì)沉箱注水后的浮游穩(wěn)定性計(jì)算，該沉箱壓載水高度為5.3 m 時(shí)，定傾高度m＞0，沉箱處于穩(wěn)定臨界狀態(tài)，沉箱吃水深度為19.10 m，墊木高度為0.35 m，半潛駁型深7.0 m，半潛駁下潛深度為26.45 m，半潛駁下潛的最大深度26.5 m，沉箱與半潛駁甲板的距離為5 cm，兩者間距太小，無法拖帶沉箱出駁。因此，必須利用起重船助浮，施加100 t 吊力，沉箱吃水可減少38 cm，沉箱底板距離半潛駁甲板面43 cm，此刻可將沉箱吊裝移出半潛駁甲板面，見圖4。當(dāng)沉箱完全移出半潛駁后，繼續(xù)往沉箱內(nèi)注水，當(dāng)壓載水高度為6.5 m 時(shí)，定傾高度m＞0.2 m，沉箱滿足浮游穩(wěn)定要求，起重船可以慢慢釋放吊力，讓沉箱自身保持平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 起重船配合沉箱出駁Fig.4 Unloading a caisson with assistance of a floating crane

6 結(jié)語

通過對(duì)第一次沉箱安裝出現(xiàn)的橫搖狀況進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)利用半潛駁安裝高大沉箱時(shí)，不能只考慮沉箱的自身浮游穩(wěn)定，而是在下潛過程中需要把沉箱和半潛駁做為一個(gè)整體，考慮整體的浮游穩(wěn)定。針對(duì)影響整體穩(wěn)定的各種因素，制定了相應(yīng)的對(duì)策，解決了高大大型沉箱下潛安裝的難題。同時(shí)在境外實(shí)施項(xiàng)目要因地制宜，結(jié)合現(xiàn)有的施工船舶條件，采用半潛駁+起重船配合的安裝方式，解決了半潛駁下潛極限問題，從而確保了中緬30 萬t 原油碼頭項(xiàng)目的順利完工，為打通中國西部能源通道奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。