青島永泰長(zhǎng)榮
標(biāo)題: 高壓氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù) [打印本頁]
作者: 永泰長(zhǎng)榮 時(shí)間: 2023-12-30 17:38
標(biāo)題: 高壓氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)
摘要：高壓氣囊及半潛駁搬運(yùn)大型沉箱突破了大型重力式沉箱碼頭工程施工的技術(shù)瓶頸，為遠(yuǎn)離港工專業(yè)預(yù)制廠的地區(qū)建 造大型沉箱碼頭創(chuàng)造了必要的技術(shù)條件，是港口工程建設(shè)的一大技術(shù)進(jìn)步。就多個(gè)重力式沉箱碼頭工程采用高壓氣囊搬運(yùn)大 型沉箱技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的總結(jié)。
關(guān)鍵詞：高壓氣囊：沉箱搬運(yùn)：技術(shù)研究
目前我國港口重力式碼頭的單個(gè)沉箱重量已超過1000t 甚至在2000t 以上。采用傳統(tǒng)的預(yù)制、出運(yùn)、 安裝工藝受到投資成本、工期、場(chǎng)地條件等多方面的制約。為突破大型沉箱陸上運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)瓶頸，尋求科 學(xué)、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)工藝，中港第三航務(wù)工程局近年來對(duì)高壓氣囊(下簡(jiǎn)稱氣囊)搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)進(jìn)行了重 點(diǎn)的應(yīng)用研究。至今已通過在多個(gè)工程項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)踐，技術(shù)上日趨成熟與完善，搬運(yùn)的沉箱最重達(dá)2000t 以上，搬運(yùn)沉箱個(gè)數(shù)已達(dá)1206個(gè)(次),移動(dòng)行程約44360 m, 形成了一套比較完整的、適應(yīng)于多種規(guī) 格沉箱和重型構(gòu)件出運(yùn)的氣囊搬運(yùn)技術(shù)。
1 氣囊搬運(yùn)技術(shù)的內(nèi)容
氣囊搬運(yùn)技術(shù)的主要內(nèi)容包括：氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場(chǎng)的平面布置、沉箱搬運(yùn)牽引 和充氣系統(tǒng)、搬運(yùn)的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場(chǎng)和運(yùn)輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟(jì)效益分析及推廣應(yīng)用價(jià) 值評(píng)估等。
到目前國內(nèi)氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)并無相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，國外也未見有此技術(shù)應(yīng)用的公開 報(bào)道。為此，我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為：氣囊搬運(yùn)技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于200～3000t 的沉箱或其他重型構(gòu)件的施工，必須滿足現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制場(chǎng)的場(chǎng)地條件；確定氣囊搬運(yùn)技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)和主要參 數(shù)：制定技術(shù)規(guī)程和安全事項(xiàng)；研究并設(shè)計(jì)與氣囊搬運(yùn)技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場(chǎng)平面布置、預(yù)制沉箱的底模、 通道、堆場(chǎng)、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動(dòng)速度、沉箱上駁的碼頭設(shè)施、半潛駁的改造等。
2 技術(shù)工藝簡(jiǎn)介
氣囊搬運(yùn)沉箱的工作原理是在需要移動(dòng)的大型沉箱或重件下面，放置經(jīng)計(jì)算后確定的若干個(gè)圓柱型的 氣囊，氣囊通過供氣系統(tǒng)充氣后將沉箱頂升，開啟牽引系統(tǒng)，氣囊滾動(dòng)使沉箱實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)。
2.1 氣囊的結(jié)構(gòu)型式
氣囊囊體骨架材料為錦綸簾子布，囊嘴為鋁合金鑄體。其結(jié)構(gòu)如圖1。
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圖1 氣囊結(jié)構(gòu)型式
2.2 氣囊的規(guī)格及其性能
氣囊的類別有中壓氣囊、高壓氣囊、超高壓氣囊三種。目前常見的氣囊規(guī)格、性能見表1。
2.3 氣囊搬運(yùn)大型沉箱工藝
2.3.1 預(yù)制場(chǎng)平面布置
采用氣囊及半潛駁搬運(yùn)大型沉箱工藝的預(yù)制場(chǎng)布置應(yīng)根據(jù)提供的預(yù)制場(chǎng)地大小及施工進(jìn)度要求，合理
布置沉箱預(yù)制底模、沉箱堆放場(chǎng)地、鋼筋綁扎場(chǎng)地等，并配置相應(yīng)的起重設(shè)備(用于鋼筋模板及砼吊運(yùn)), 以滿足沉箱預(yù)制要求。同時(shí)，又須考慮如何將預(yù)制好的沉箱通過氣囊搬運(yùn)到堆放場(chǎng)和通過碼頭平移至半潛 駁上。為此，預(yù)制場(chǎng)的布置要根據(jù)氣囊搬運(yùn)的特點(diǎn)設(shè)置沉箱出運(yùn)通道，以及相應(yīng)的供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)的 位置，以實(shí)現(xiàn)沉箱在規(guī)劃的范圍內(nèi)水平移動(dòng)。下圖為汕頭廣澳港區(qū)一期碼頭水工工程的碼頭構(gòu)件預(yù)制場(chǎng)的 平面布置圖(見圖2)。
表1 常見的氣囊類別、規(guī)格及性能
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巨電房
圖2 汕頭廣澳港區(qū)一期碼頭水工工程預(yù)制場(chǎng)平面布置
2.3.2 預(yù)制場(chǎng)地的地基處理
要對(duì)預(yù)制場(chǎng)地的地基進(jìn)行相應(yīng)的處理，以滿足承載力要求。沉箱的出運(yùn)通道要求平整，承載能力要相 對(duì)均勻，且大于使用氣囊工作壓力的兩倍以上，同時(shí)左右水平度、坡度均應(yīng)滿足要求。
2.3.3 沉箱預(yù)制底胎模
沉箱預(yù)制底胎模應(yīng)考慮到氣囊能夠放置到沉箱的底部，沉箱搬運(yùn)時(shí)底胎?？刹鸪?，實(shí)現(xiàn)沉箱的水平移 動(dòng)。為此，沉箱的預(yù)制底胎模應(yīng)設(shè)計(jì)為活動(dòng)式結(jié)構(gòu)。
2.3.4氣囊的選擇及校核
先根據(jù)沉箱的出運(yùn)邊寬選擇單根氣囊的長(zhǎng)度，再確定出運(yùn)(頂升)高度，由此計(jì)算出承載面積，并按 氣囊的許用壓力計(jì)算出氣囊所需最短總長(zhǎng)度，最后確定氣囊根數(shù)及擺放位置。
氣囊承載面寬度B與氣囊直徑D和氣囊工作高度H有關(guān)。氣囊受壓變形后，其截面可看作由直徑為H的 2個(gè)半圓和長(zhǎng)、寬分別為BH 的方形組成，如圖3示。
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圖3 受壓氣囊橫截面
1)氣囊直徑：選擇氣囊不僅要考慮安全可靠，同時(shí)也要考慮其經(jīng)濟(jì)性，氣囊的直徑愈大，價(jià)格愈高， 搬運(yùn)沉箱的成本也高；反之，氣囊的直徑愈小，允許的氣囊工作壓力愈大，但對(duì)配套設(shè)施(如空壓機(jī)、壓 力表、充氣管、連接件等)要求高，操作安全性低。 一般的重型構(gòu)件可選用直徑為800至1000 mm 的高
壓氣囊。
2)氣囊工作高度：氣囊的工作高度過高或過低均不利于沉箱的搬運(yùn)。工作高度過高，搬運(yùn)時(shí)沉箱穩(wěn) 性差；工作高度過低時(shí)囊體容易損壞，影響了氣囊的使用壽命，沉箱移動(dòng)時(shí)所需的牽引力也較大。另外， 施工工藝要求氣囊工作高度必須高于活動(dòng)底?？蚣芨叨群蛪|木高度。綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性， 一般選用 氣囊工作高度 H=400mm 為宜。
3)氣囊長(zhǎng)度：氣囊長(zhǎng)度的選擇是根據(jù)氣囊的承載面長(zhǎng)度和氣囊公稱直徑而定，氣囊的承載面長(zhǎng)度與 沉箱的底板尺寸有關(guān)。同時(shí)，應(yīng)考慮氣囊囊頭伸出沉箱部分不宜過長(zhǎng)， 一般伸出的長(zhǎng)度略大于氣囊直徑即 可。
氣囊長(zhǎng)度的計(jì)算公式為：
L=L?+2×0.866D (1)
式中：L為氣囊總長(zhǎng)(m);L? 為氣囊承載面長(zhǎng)度(m);D 為氣囊公稱直徑(m)。
4)工作氣囊中心距、凈距：為操作方便和沉箱墊木施工的需要，各氣囊間要有一定的距離。以直徑D
=1000mm 氣囊為例，其中心距、凈距應(yīng)滿足：中心距：1.842m≤A≤3m, 凈距： S≥0.5。
5)搬運(yùn)沉箱所需滾動(dòng)氣囊數(shù)量：根據(jù)搬運(yùn)的沉箱重量并考慮安全系數(shù)及氣囊性能，即可計(jì)算出搬運(yùn)
單個(gè)沉箱時(shí)所需氣囊數(shù)量。計(jì)算公式如下：
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式中：N為滾動(dòng)氣囊數(shù)量(條);K 為安全系數(shù)，K=1.2～1.3;G (kN/m)
? 為氣囊承載面長(zhǎng)度(m)。
6)氣囊工作壓力的校核
氣囊工作時(shí)承受的最大工作控制壓力可按下式計(jì)算：
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(2)
為沉箱重量(kN);q 為每米氣囊體承載力
(3)
式中： K 為安全系數(shù)， K=1.2～1.3;G 為沉箱重量(kN);N 為滾動(dòng)的氣囊數(shù)量(條);B 為承載面寬度(m), B=π(D-D/2;L? 為氣囊承載面長(zhǎng)度(m);D 為氣囊公稱直徑(m);H 為氣囊工作高度(m)
為工作控制壓 力(MPa)。
計(jì)算得出的最大工作壓力要小于氣囊的容許壓力。
2.3.5 供氣系統(tǒng)
供氣系統(tǒng)由空壓機(jī)、供氣管道、接頭、閥門、壓力表等組成?？諌簷C(jī)的選用主要考慮氣囊的總?cè)萘亢?充氣的時(shí)間以及壓力要求等。此外，空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐應(yīng)安裝可調(diào)節(jié)的限壓閥：若需多個(gè)氣囊同時(shí)充氣時(shí)，
應(yīng)設(shè)置具有多管路接頭的空氣分配器。
2.3.6 牽引系統(tǒng)
牽引系統(tǒng)由地錨、卷揚(yáng)機(jī)、滑輪組、固定架及鋼絲繩等組成。牽引時(shí)由兩臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)通過滑輪組在沉箱 兩側(cè)同步進(jìn)行，為確保沉箱移動(dòng)過程的平穩(wěn)、安全，在沉箱移動(dòng)的反方向上用同樣的牽引系統(tǒng)進(jìn)行沉箱移 動(dòng)保護(hù)(見圖4)。
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圖4 轉(zhuǎn)揚(yáng)機(jī)牽引沉箱示意
牽引系統(tǒng)中卷揚(yáng)機(jī)的選用主要考慮沉箱的重量和移動(dòng)的速度，同時(shí)，移動(dòng)時(shí)應(yīng)避免氣囊沖擊荷載。以 1000噸級(jí)的沉箱為例，牽引卷揚(yáng)機(jī)可選用額定牽引力P=8t 、 平均繩速 V=9m/min 的慢速卷揚(yáng)機(jī)，通過 滑輪組實(shí)現(xiàn)沉箱搬運(yùn)所需的牽引力。
1)牽引力
①橫移時(shí)牽引力
沉箱橫移時(shí)無坡度、夾角，故牽引力為：
F=KQgf+K?QWT (4)
式中：F 為搬運(yùn)沉箱的牽引力(kN); Q 為沉箱自重(t);g 為重力加速度(m/s2),g=10m/s2;f 為氣囊與地
面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，與地面情況和氣囊的工作高度有關(guān)， 一般取 f=0.05;V 為沉箱移動(dòng)速度(m/s);T 為起 動(dòng)時(shí)間(從0至設(shè)計(jì)移動(dòng)速度); B 為安全系數(shù)， =1 . 2～1 . 5,取k=1.2。
②縱移時(shí)牽引力
沉箱縱移時(shí)，由于坡度影響，故縱移牽引力為
F=±KQgsina+KQgfcosa+KOV /T
當(dāng)出運(yùn)通道與鋼絲繩夾角為β時(shí)，則
縱向牽引力為：[attach]8158[/attach]
式中： a 為縱移出運(yùn)通道傾角(°);β為出運(yùn)通道與鋼繩夾角(°)
沉箱上坡時(shí)KQgsina 值為正，相反則為負(fù)。
2)鋼絲繩
根據(jù)計(jì)算的牽引力、滑輪組倍率，計(jì)算卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩受力并選擇所需的鋼絲繩。 3)地錨
地錨必須滿足在最大牽引力的作用、并要有一定的安全儲(chǔ)備要求(安全系數(shù)可取1.5~2.0)。
2.3.7 沉箱出運(yùn)碼頭
沉箱出運(yùn)碼頭的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)爻彼乃蛔兓闆r，出運(yùn)碼頭的荷載受力分布大小、地基承載能力、 碼頭與半潛駁的對(duì)接方式等因素，并通過設(shè)計(jì)計(jì)算確定碼頭的型式、結(jié)構(gòu)尺寸和標(biāo)高。
2.3.8沉箱上駁工藝
當(dāng)潮水上漲至能使半潛駁的異型船艉搭上出運(yùn)碼頭的水位時(shí)(該水位稱為上駁工作水位),將半潛駁 的異型船艉搭置在出運(yùn)碼頭前沿的臺(tái)口上，這時(shí)利用半潛駁上的牽引系統(tǒng)將已經(jīng)用氣囊滾至碼頭前沿的沉 箱牽引滾動(dòng)上駁，通過調(diào)節(jié)半潛駁的壓艙水，保持半潛駁的平衡度，并利用潮水上漲的浮托力使半潛駁離
開出運(yùn)碼頭。圖5為福建廈門嵩嶼電廠碼頭3號(hào)泊位2015t 沉箱上駁示意圖。
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圖5 廈門港嵩嶼電廠碼頭3號(hào)泊位沉箱上駁工藝圖
3 氣囊搬運(yùn)技術(shù)的特點(diǎn)
利用氣囊搬運(yùn)大型沉箱避免了傳統(tǒng)施工工藝的不足，解決了在無大型專業(yè)沉箱預(yù)制廠條件下的重力式 碼頭工程施工的關(guān)鍵技術(shù)問題。該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)為：
1)無需大型專業(yè)預(yù)制廠和大型起重設(shè)備，也無需占用較長(zhǎng)的碼頭岸線。利用現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)制場(chǎng)及簡(jiǎn)易的起 重設(shè)備和配套設(shè)施即可進(jìn)行大型沉箱的預(yù)制，對(duì)堆放場(chǎng)地及運(yùn)輸通道的適應(yīng)性強(qiáng)，工程成本低，工期也容 易得到保證。
2)氣囊的承載力大，耗能小。從表1可得：氣囊承載力最大可達(dá)352kN/m, 且氣囊是利用壓縮空氣作 為工作介質(zhì)，消耗的能量低。
3)易于操作，安全可靠。只需對(duì)氣囊充氣，頂升沉箱，開啟牽引系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)沉箱的水平移動(dòng)。
4 結(jié) 語
1)綜合多個(gè)工程項(xiàng)目的實(shí)踐情況，高壓氣囊搬運(yùn)沉箱技術(shù)的應(yīng)用是非常成功的。該技術(shù)是一項(xiàng)技術(shù) 先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的工程技術(shù)。解決了大型沉箱的陸上運(yùn)輸和上駁的技術(shù)難題。也為在現(xiàn)場(chǎng)建造大型沉箱預(yù) 制場(chǎng)掃除了關(guān)鍵的技術(shù)障礙，使遠(yuǎn)離大型港工預(yù)制廠的地區(qū)建造深水重力式碼頭的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。
2)從經(jīng)濟(jì)角度來看，采用高壓氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)可使重力式沉箱結(jié)構(gòu)的碼頭建設(shè)成本大幅度降 低。從沉箱預(yù)制直到安裝，其費(fèi)用僅為其他方案的60%～85%。它的應(yīng)用也大大降低了利用軌道平車運(yùn)輸沉 箱上船的技術(shù)難度和工程費(fèi)用。
3)根據(jù)該技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)成本方面的優(yōu)勢(shì)，可推廣應(yīng)用至碼頭工程的其他大型預(yù)制構(gòu)件的搬運(yùn)，以 及其他行業(yè)的重型構(gòu)件、設(shè)備的陸上搬運(yùn)或裝駁。因此，高壓氣囊搬運(yùn)大型沉箱技術(shù)具有很好的應(yīng)用和發(fā) 展前景。
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