阿尔及利亚BETHIOUA矿业码头工程沉箱安装施工技术

◎ 林建明 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

1.工程概况

阿尔及利亚BETHIOUA港矿业码头工程项目位于奥兰省BETHIOUA 港石油化工区内，是Arzew港务局为土耳其Tosyali钢铁厂配套的铁矿石卸料码头。

矿业码头设计靠泊能力1 5 万吨，呈突堤式布置，采用并排双圆筒沉箱结构，码头面高程+4.0m，宽26.0m，码头前沿水深-20m。沉箱共54件，为圆筒型结构，单件重量约为1900T。沉箱安装采用半潜驳进行水上运输，起重船配合进行沉箱定位安装的施工方式[1]。

2.施工难点

2.1 沉箱安装精度要求高

码头下部结构由东西两排底板结构不对称的细高型无隔仓圆桶沉箱并列形成，沉箱安装设计缝宽仅5cm，两排沉箱的安装误差需同步控制，安装的技术及精度要求高、难度大。

2.2 周围环境复杂

工程施工区为无掩护海域，受地中海气候影响，每年有5个月的季风期，这期间风浪大，施工期间确保大型船组安全作业、在计划工期内完成作业。

3.施工方案

沉箱安装采用半潜驳进行水上运输，起重船配合进行沉箱定位安装的施工方式。沉箱安装的总体施工顺序由引堤连接处朝外侧安装。因本工程沉箱采用双排布置，且施工海域恶劣天气时主浪向为西向，因此，拟先行安装西侧沉箱，待西侧沉箱安装长度对东侧基床整平及沉箱安装施工可起到掩护作用后，再安装东侧沉箱。沉箱安装过程，始终保持西侧对东侧的掩护作用。安装顺序示意图见图1。

图1 沉箱安装施工顺序图

3.1 沉箱偏心受力及浮游稳定性计算

参数设定：

①海水密度1.025t/m3；②混凝土密度2.5t/m3。

3.1.1 沉箱偏心受力配载计算

本工程沉箱底板结构形状不对称，安装时存在偏心受力情况，导致沉箱吊环及钢丝绳受力不均，存在安全隐患，同时对沉箱着床控制也会造成影响。为解决这一问题，可根据力矩平衡原理，在沉箱偏心受力一侧加载配重块，以达到力矩平衡目的，尽量减小偏心受力对沉箱安装的影响。

受海水浮力影响，沉箱下沉过程所受偏心力为一变值，计算假设状态定为沉箱着床前，即距离基床顶面约30cm左右时。

G1：沉箱八边形底板8m边侧部分水下重量；G2：沉箱八边形底板6.63m边侧部分水下重量；G3：单个配重块的水下重量G3=4m3×2.5t/m3=10t，水下重量6t（扣除浮力）。L1：沉箱八边形底板边长8m侧重心至底板中心的距离（力臂长度）；L2：沉箱八边形底板边长6.63m侧重心至底板中心的距离（力臂长度）；L3：配重的中心至底板中心的距离（力臂长度）。根据力矩平衡原理：G1×L1=G2×L2+n×G3×L3。

偏心受力计算如下：①沉箱八边形底板8m 边侧部分水下重量：G1=121.28m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3）=187.83t；②沉箱八边形底板6.63m边侧部分水下重量:G2=111.63m2×1.05m×（2.5t/m3-1.025t/m3)=172.89t；③配重块单块重量:4m3×2.5t/m3=10t，水下重量G3=6t（扣除浮力）；④沉箱八边形底板8m 边侧部分重心至底板中心的距离：L1=4.10 5m(累加和求重心法)；⑤沉箱八边形底板6.63m边侧部分重心至底板中心的距离:L2=3.938m(累加和求重心法)

图2 受力分析示意图

则：L3=(G1×L1-G2×L2)/(n×G3)

式中:n为加载配重块块数;L3为配重块力臂长度。

n取3，G3=6t，可得L3=5.01m。

3.1.2 浮游稳定性计算

本工程沉箱安装采用半潜驳运输，起重船配合安装，浮游稳定计算主要考虑沉箱浮游时的吃水深度[2]。

根据阿基米德原理，浮力与重力平衡时，沉箱重量等于其排开水的体积乘以水的密度，即：

式中：m为沉箱重量；ρ为液体的密度（海水取1.025）；V为沉箱排开水的体积。

依据此公式，沉箱浮游稳定性计算参数如下：

1）沉箱加平台重量及配重块重量：T=1916.68t+10t（工作平台计10t）+3×10t（3个配重块）=1956.68t；

2）浮游稳定时排水体积：V排=T/ρ海水=1956.68/1.025=1908.956m3；

3）底板体积：V底板=232.91m2×1.05m=244.56m3；

4）倒角桶身外侧倒角部分体积：

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

5）平衡时桶身提供的体积数：

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

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

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

浮游稳定时沉箱吃水深度10.33m＞沉箱重心高度7.861m（沉箱底为计算原点），故沉箱浮游稳定时，沉箱重心位于水面以下，整体稳定性较好，在起重船配合安装的情况下，可不加载压仓水。

3.2 施工工艺流程

3.2.1 沉箱水上运输

沉箱采用半潜驳进行水上运输。沉箱完成上驳施工后，半潜驳脱离出运码头，由拖轮托运至安装下潜位置抛锚定位。

3.2.2 半潜驳下潜

起重船预先在半潜驳下潜位置抛锚定位。不加载压仓水情况下，半潜驳下潜位置最下水深要求为17.0m。将根据沉箱安装位置水深情况，就近选择水深合适区域下潜，同时应注意半潜驳不得在沉箱安装基床处下潜。半潜驳托运至指定下潜位置后半潜驳水仓注水下潜，在达到沉箱浮游稳定吃水深度前，安装沉箱顶部吊环挂钩（吊环在沉箱预制时预埋，共设8处），沉箱达到浮游稳定状态后，起重船吊运沉箱出半潜驳，半潜驳撤离[3]。

3.2.3 沉箱安装

沉箱安装施工前需于岸侧设立水尺，结合沉箱桶身标尺(标尺精度20cm)以控制沉箱下沉深度。沉箱达到浮游稳定状态后，由起重船结合陆上全站仪进行粗定位。定位完成后，打开沉箱进水口，往沉箱圆筒内注水，期间起重船维持80 T吊力不变，沉箱缓慢下沉，至抛石基床面顶以上约30cm高度时，关闭沉箱进水口，沉箱停止下沉，进行沉箱精定位，沉箱着床。

4.施工要点

4.1 沉箱着床过程控制要点

沉箱着床为沉箱安装最为关键的环节，需从以下几方面进行控制：

（1）沉箱安装状态的选择。受多方面因素影响，沉箱安装时顶面不同部位高程可能不一致，将出现两种不同的安装状态：

状态1，与已安装沉箱对接一侧高程低于另一侧，如图3所示。

图3 沉箱安装状态1示意图

在此状态进行沉箱着床时，沉箱顶端已率先紧靠，无法继续移动，但此时其底板并未靠拢，随着起重船继续落勾，沉箱安装缝宽将不断张大，在此种状态下进行着床施工，难以将沉箱缝宽控制在规范允许范围内。

状态2，与已安装沉箱对接一侧高程高于另一侧，如图4所示。

图4 沉箱安装状态2示意图

此种状态下进行沉箱着床施工时，沉箱底部先靠拢，此时沉箱顶部虽未完全靠拢，但随着起重船继续落勾，沉箱顶部也将逐渐靠紧，此种状态利于沉箱着床时安装缝宽的控制。

因此，沉箱着床施工前，应事先进行高程测量，选择高程较高一侧作为对接靠拢侧，使沉箱底板先靠拢，如此将有利于沉箱安装的缝宽控制。

（2）沉箱防撞措施。沉箱着床过程，碰撞的发生难以避免，尤其对于圆筒型沉箱，因其底板结构为正八边形而上部筒身结构为圆筒形，加大了防撞的难度。为减少碰撞的发生和减轻碰撞的危害，可采取以下几方面措施：

1）沉箱准备着床前，与已安装沉箱保持一定的安全距离，防止沉箱受风浪等原因产生摆动时发生碰撞。

2）沉箱棱角的碰撞，危害最大。因此，沉箱靠拢操作时，应保证沉箱底板平行于已安装沉箱，否则不得靠拢，以避免沉箱棱角碰撞的发生。

3）沉箱靠拢时，船机移动应缓慢，同时，应使用软木板于两沉箱间作为缓冲保护，防止沉箱直接碰撞接触。

（3）沉箱着床精度控制。沉箱着床过程，受外界因素及安装船机自身的影响，着床过程沉箱容易发生摆动，造成沉箱偏位，因此，在不剐蹭基床的情况下，应尽量降低沉箱临着床时距离基床顶面的高度（30cm左右为宜），如此可缩短沉箱着床过程的时间，一方面可降低沉箱发生偏位的概率，另一方面也可减少沉箱碰撞的发生。

沉箱准备靠拢时，应以倒滤井为参照，对齐两沉箱倒滤井位置并使其平行后再进行靠拢，否则，若沉箱已发生接触后再进行位置的调整，因两沉箱间的相互影响，将导致调整难以进行。

采取多次着床的方法逐渐提高沉箱安装的精度。沉箱一次着床安装精度即符合要求的可能性小，因此沉箱粗定位后可先进行一次着床，一次着床可为再次着床提供必要参数，指导再次着床施工，同时也可起到压实基床可能存在的虚石的作用，利于再次着床时沉箱安装精度的控制。

沉箱精确着床后，打开进水阀往沉箱内注水并再次测量沉箱偏位情况，当符合规范要求时，继续往沉箱内注水，沉箱安装结束。

4.2 船机定位方式

与已安装沉箱对接过程，将主要需要调整沉箱左右方向位置。垂直于轴线定位，左右方向可通过起重船大臂变幅来实现左右方向的微调，利于沉箱精确定位，因此，沉箱安装时起重船拟垂直于沉箱安装轴线方向定位，进行沉箱安装施工。

5.结语

阿尔及利亚BETHIOUA港矿业码头工程项目位于阿尔及利亚奥兰省BETHIOUA港区域，地处无掩护海域，受地中海气候影响较大，每年有5个月的季风期，这期间风浪大，工程施工过程中采取一系列技术措施，克服了季风期施工的难题，降低了工程施工风险，对重力式码头沉箱安装工程具有较好借鉴意义。