阿爾及利亞BETHIOUA礦業碼頭工程沉箱安裝施工技術

◎ 林建明 中交第三航務工程局有限公司廈門分公司

1.工程概況

阿爾及利亞BETHIOUA港礦業碼頭工程項目位于奧蘭省BETHIOUA 港石油化工區內，是Arzew港務局為土耳其Tosyali鋼鐵廠配套的鐵礦石卸料碼頭。

礦業碼頭設計靠泊能力1 5 萬噸，呈突堤式布置，采用并排雙圓筒沉箱結構，碼頭面高程+4.0m，寬26.0m，碼頭前沿水深-20m。沉箱共54件，為圓筒型結構，單件重量約為1900T。沉箱安裝采用半潛駁進行水上運輸，起重船配合進行沉箱定位安裝的施工方式[1]。

2.施工難點

2.1 沉箱安裝精度要求高

碼頭下部結構由東西兩排底板結構不對稱的細高型無隔倉圓桶沉箱并列形成，沉箱安裝設計縫寬僅5cm，兩排沉箱的安裝誤差需同步控制，安裝的技術及精度要求高、難度大。

2.2 周圍環境復雜

工程施工區為無掩護海域，受地中海氣候影響，每年有5個月的季風期，這期間風浪大，施工期間確保大型船組安全作業、在計劃工期內完成作業。

3.施工方案

沉箱安裝采用半潛駁進行水上運輸，起重船配合進行沉箱定位安裝的施工方式。沉箱安裝的總體施工順序由引堤連接處朝外側安裝。因本工程沉箱采用雙排布置，且施工海域惡劣天氣時主浪向為西向，因此，擬先行安裝西側沉箱，待西側沉箱安裝長度對東側基床整平及沉箱安裝施工可起到掩護作用后，再安裝東側沉箱。沉箱安裝過程，始終保持西側對東側的掩護作用。安裝順序示意圖見圖1。

圖1 沉箱安裝施工順序圖

3.1 沉箱偏心受力及浮游穩定性計算

參數設定：

①海水密度1.025t/m3；②混凝土密度2.5t/m3。

3.1.1 沉箱偏心受力配載計算

本工程沉箱底板結構形狀不對稱，安裝時存在偏心受力情況，導致沉箱吊環及鋼絲繩受力不均，存在安全隱患，同時對沉箱著床控制也會造成影響。為解決這一問題，可根據力矩平衡原理，在沉箱偏心受力一側加載配重塊，以達到力矩平衡目的，盡量減小偏心受力對沉箱安裝的影響。

受海水浮力影響，沉箱下沉過程所受偏心力為一變值，計算假設狀態定為沉箱著床前，即距離基床頂面約30cm左右時。

G1：沉箱八邊形底板8m邊側部分水下重量；G2：沉箱八邊形底板6.63m邊側部分水下重量；G3：單個配重塊的水下重量G3=4m3×2.5t/m3=10t，水下重量6t（扣除浮力）。L1：沉箱八邊形底板邊長8m側重心至底板中心的距離（力臂長度）；L2：沉箱八邊形底板邊長6.63m側重心至底板中心的距離（力臂長度）；L3：配重的中心至底板中心的距離（力臂長度）。根據力矩平衡原理：G1×L1=G2×L2+n×G3×L3。

偏心受力計算如下：①沉箱八邊形底板8m 邊側部分水下重量：G1=121.28m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3）=187.83t；②沉箱八邊形底板6.63m邊側部分水下重量:G2=111.63m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3)=172.89t；③配重塊單塊重量:4m3×2.5t/m3=10t，水下重量G3=6t（扣除浮力）；④沉箱八邊形底板8m 邊側部分重心至底板中心的距離：L1=4.10 5m(累加和求重心法)；⑤沉箱八邊形底板6.63m邊側部分重心至底板中心的距離:L2=3.938m(累加和求重心法)

圖2 受力分析示意圖

則：L3=(G1×L1-G2×L2)/(n×G3)

式中:n為加載配重塊塊數;L3為配重塊力臂長度。

n取3，G3=6t，可得L3=5.01m。

3.1.2 浮游穩定性計算

本工程沉箱安裝采用半潛駁運輸，起重船配合安裝，浮游穩定計算主要考慮沉箱浮游時的吃水深度[2]。

根據阿基米德原理，浮力與重力平衡時，沉箱重量等于其排開水的體積乘以水的密度，即：

式中：m為沉箱重量；ρ為液體的密度（海水取1.025）；V為沉箱排開水的體積。

依據此公式，沉箱浮游穩定性計算參數如下：

1）沉箱加平臺重量及配重塊重量：T=1916.68t+10t（工作平臺計10t）+3×10t（3個配重塊）=1956.68t；

2）浮游穩定時排水體積：V排=T/ρ海水=1956.68/1.025=1908.956m3；

3）底板體積：V底板=232.91m2×1.05m=244.56m3；

4）倒角桶身外側倒角部分體積：

V倒角=0.5m×0.5m/ 2×（2×3.14×7.75m）=6.084m3；

5）平衡時桶身提供的體積數：

V桶=V排-V底板-V倒角=1908.956m3-244.56m3-6.084m3=1658.312m3；

6）桶身吃水底面積m3/m：S桶=3.14×7.5m×7.5m+1.039m2*2=178.703m2；

7）浮游穩定吃水深度：H=V/S+1.05m=1658.312m3/178.703m2+1.05m=10.33m。

浮游穩定時沉箱吃水深度10.33m＞沉箱重心高度7.861m（沉箱底為計算原點），故沉箱浮游穩定時，沉箱重心位于水面以下，整體穩定性較好，在起重船配合安裝的情況下，可不加載壓倉水。

3.2 施工工藝流程

3.2.1 沉箱水上運輸

沉箱采用半潛駁進行水上運輸。沉箱完成上駁施工后，半潛駁脫離出運碼頭，由拖輪托運至安裝下潛位置拋錨定位。

3.2.2 半潛駁下潛

起重船預先在半潛駁下潛位置拋錨定位。不加載壓倉水情況下，半潛駁下潛位置最下水深要求為17.0m。將根據沉箱安裝位置水深情況，就近選擇水深合適區域下潛，同時應注意半潛駁不得在沉箱安裝基床處下潛。半潛駁托運至指定下潛位置后半潛駁水倉注水下潛，在達到沉箱浮游穩定吃水深度前，安裝沉箱頂部吊環掛鉤（吊環在沉箱預制時預埋，共設8處），沉箱達到浮游穩定狀態后，起重船吊運沉箱出半潛駁，半潛駁撤離[3]。

3.2.3 沉箱安裝

沉箱安裝施工前需于岸側設立水尺，結合沉箱桶身標尺(標尺精度20cm)以控制沉箱下沉深度。沉箱達到浮游穩定狀態后，由起重船結合陸上全站儀進行粗定位。定位完成后，打開沉箱進水口，往沉箱圓筒內注水，期間起重船維持80 T吊力不變，沉箱緩慢下沉，至拋石基床面頂以上約30cm高度時，關閉沉箱進水口，沉箱停止下沉，進行沉箱精定位，沉箱著床。

4.施工要點

4.1 沉箱著床過程控制要點

沉箱著床為沉箱安裝最為關鍵的環節，需從以下幾方面進行控制：

（1）沉箱安裝狀態的選擇。受多方面因素影響，沉箱安裝時頂面不同部位高程可能不一致，將出現兩種不同的安裝狀態：

狀態1，與已安裝沉箱對接一側高程低于另一側，如圖3所示。

圖3 沉箱安裝狀態1示意圖

在此狀態進行沉箱著床時，沉箱頂端已率先緊靠，無法繼續移動，但此時其底板并未靠攏，隨著起重船繼續落勾，沉箱安裝縫寬將不斷張大，在此種狀態下進行著床施工，難以將沉箱縫寬控制在規范允許范圍內。

狀態2，與已安裝沉箱對接一側高程高于另一側，如圖4所示。

圖4 沉箱安裝狀態2示意圖

此種狀態下進行沉箱著床施工時，沉箱底部先靠攏，此時沉箱頂部雖未完全靠攏，但隨著起重船繼續落勾，沉箱頂部也將逐漸靠緊，此種狀態利于沉箱著床時安裝縫寬的控制。

因此，沉箱著床施工前，應事先進行高程測量，選擇高程較高一側作為對接靠攏側，使沉箱底板先靠攏，如此將有利于沉箱安裝的縫寬控制。

（2）沉箱防撞措施。沉箱著床過程，碰撞的發生難以避免，尤其對于圓筒型沉箱，因其底板結構為正八邊形而上部筒身結構為圓筒形，加大了防撞的難度。為減少碰撞的發生和減輕碰撞的危害，可采取以下幾方面措施：

1）沉箱準備著床前，與已安裝沉箱保持一定的安全距離，防止沉箱受風浪等原因產生擺動時發生碰撞。

2）沉箱棱角的碰撞，危害最大。因此，沉箱靠攏操作時，應保證沉箱底板平行于已安裝沉箱，否則不得靠攏，以避免沉箱棱角碰撞的發生。

3）沉箱靠攏時，船機移動應緩慢，同時，應使用軟木板于兩沉箱間作為緩沖保護，防止沉箱直接碰撞接觸。

（3）沉箱著床精度控制。沉箱著床過程，受外界因素及安裝船機自身的影響，著床過程沉箱容易發生擺動，造成沉箱偏位，因此，在不剮蹭基床的情況下，應盡量降低沉箱臨著床時距離基床頂面的高度（30cm左右為宜），如此可縮短沉箱著床過程的時間，一方面可降低沉箱發生偏位的概率，另一方面也可減少沉箱碰撞的發生。

沉箱準備靠攏時，應以倒濾井為參照，對齊兩沉箱倒濾井位置并使其平行后再進行靠攏，否則，若沉箱已發生接觸后再進行位置的調整，因兩沉箱間的相互影響，將導致調整難以進行。

采取多次著床的方法逐漸提高沉箱安裝的精度。沉箱一次著床安裝精度即符合要求的可能性小，因此沉箱粗定位后可先進行一次著床，一次著床可為再次著床提供必要參數，指導再次著床施工，同時也可起到壓實基床可能存在的虛石的作用，利于再次著床時沉箱安裝精度的控制。

沉箱精確著床后，打開進水閥往沉箱內注水并再次測量沉箱偏位情況，當符合規范要求時，繼續往沉箱內注水，沉箱安裝結束。

4.2 船機定位方式

與已安裝沉箱對接過程，將主要需要調整沉箱左右方向位置。垂直于軸線定位，左右方向可通過起重船大臂變幅來實現左右方向的微調，利于沉箱精確定位，因此，沉箱安裝時起重船擬垂直于沉箱安裝軸線方向定位，進行沉箱安裝施工。

5.結語

阿爾及利亞BETHIOUA港礦業碼頭工程項目位于阿爾及利亞奧蘭省BETHIOUA港區域，地處無掩護海域，受地中海氣候影響較大，每年有5個月的季風期，這期間風浪大，工程施工過程中采取一系列技術措施，克服了季風期施工的難題，降低了工程施工風險，對重力式碼頭沉箱安裝工程具有較好借鑒意義。