箱涵的气囊出运助浮及安装工艺探讨与应用

贾延财

箱涵的气囊出运助浮及安装工艺探讨与应用

贾延财

（中交烟台环保疏浚有限公司，山东烟台264000）

以福建省漳州市古雷镇热电厂循环水工程箱涵出运安装为研究对象，通过对箱涵的气囊出运及助浮安装工艺的研究，分析气囊辅助安装箱涵的工艺理论可行性，从新的角度提出箱涵出运安装的施工工艺，并结合工程实践，在一定程度上节约施工成本，具有实际应用价值，为今后类似水工构件的施工提供新的思路，促进水工构件安装工艺的发展。

箱涵；气囊；助浮；箱涵安装；浮游稳定

0 引言

在港口工程及大型市政工程中，箱涵施工工艺应用越来越广泛。目前箱涵安装普遍采用半潜驳与浮吊的施工工艺，气囊辅助安装箱涵的施工工艺属于新工艺，工程应用较少。

本文以实际工程为例，进行箱涵的气囊出运移位、助浮、海上拖运、安装以及浮游稳定、拖带力、下沉起浮等环节的验算，并详细阐述了气囊辅助安装操作步骤。

1 工程概况

福建省漳州市古雷半岛热电厂循环水工程位于东山湾附近，设计高潮水位+2.07 m，设计低潮水位-1.37 m，需要安装双孔箱涵，长度14 m，宽度7.2 m，高度2.8 m，壁厚40 cm，净重约297 t。

现场土质为细砂，具有良好的地基承载力，整平后可直接进行箱涵预制[1]。箱涵出运前，预先布置地锚、卷扬机、牵引索具、气囊、支垫枕木等[2]。

箱涵出运坡道长62 m，坡顶标高+4.0 m，下水平台标高-0.5 m，坡比由1∶30过渡为1∶12。

就地取材，利用现场细砂经过整平、修坡后，形成预制场、箱涵出运坡道及下水平台，如图1所示。

2 箱涵的气囊顶升及出运

2.1 气囊选择

1）气囊规格为：直径D=1.0 m，有效长度为Lo=12 m，总长度为L=13.6 m；许可工作压力0.2 MPa，出厂检验压力0.25 MPa。

2）出运前，进行气囊密闭性检查，充气0.1 MPa，12 h后气压不低于0.08 MPa；

图1 箱涵结构及出运坡道Fig.1Box culvert structure and shipment ramp

2.2 气囊顶升出运

经过计算[3]，箱涵顶升采用4条气囊，箱涵出运采用5条气囊，出运高度设定40~50 cm，气囊工作气压保持0.1~0.11 MPa。

3 箱涵的气囊助浮及海上拖运

3.1 箱涵的气囊助浮及浮游稳定验算

助浮气囊采用直径1 m和1.5 m两种规格，经自浮验算，箱涵起浮需要配置8条直径1.5 m气囊和6条直径1 m气囊，每个箱涵孔安装4条直径1.5 m气囊，箱涵每侧外挂3条直径1 m气囊，箱涵起浮时，外挂的气囊每侧各有半条在水位以上，干舷为0.38 m，实际没入水中的外挂气囊按5条计，具体布置见图2所示。

图2 助浮气囊布置Fig.2Airbag filling layout of auxiliary floating

箱涵浮游稳定验算，根据JTS 167-2—2009《重力式码头设计及施工规范》，附录F-沉箱定倾半径计算[4]，如表1所示。

表1 箱涵重心及浮心验算Table 1Calculation of gravity center and buoyancy center of box culvert

浮游稳定验算：

重心到浮心距离：α=0.15 m；

定倾半径：ρ=（I-∑i）/V=1.42 m；

定倾高度：m=ρ-α=1.26＞0.2 m；

根据规范规定[4]，近程浮运，m≥0.2 m；经验算箱涵起浮后浮游稳定。

3.2 箱涵的海上拖带力验算

箱涵海上运输采用浮运拖带法，将定位驳上的钢丝缆带至箱涵上，通过绞锚拖运箱涵，拖带力计算根据《重力式码头设计及施工规范》，第9.3.14条规定[4]，按照下式计算：

式中：F为拖带力标准值，kN；A为沉箱受水阻力时的面积，m2，A=D（T+δ）；rW为水的重度，kN/m3，取10.0 kN/m3；α为箱涵宽度，m，取7.2 m；T为箱涵吃水，m，经计算为2.41 m；δ为箱涵前涌水高度，m，取0.6倍波高；v为箱涵相对水流速度，m/s；K为挡水系数，矩形取1.0。

箱涵出运安装时风速不超过6级，露出水面高度约38 cm，受风力影响小，因此，箱涵出运不考虑风力影响。

总阻力F总=F+F风=27.35 kN

带缆方式如图3所示，考虑6倍安全系数，选取φ28钢丝绳作为拖缆。

图3 箱涵助浮拖运Fig.3Box culvert auxiliary floating and hauling

3.3 箱涵的气囊助浮步骤

1）在出运前，先将箱涵孔内的8条气囊安装完成，即利用卷扬机及人工配合，每个箱涵孔预先安放4条气囊，分两层叠放，先充上层气囊至0.02 MPa，再充下层气囊至0.03 MPa，然后根据气囊填充均匀度调整气囊气压，直至气囊均匀饱满的填充箱涵孔（见图2），最后将上层气囊充气至0.12MPa，下层气囊充气至0.13MPa；

2）低潮位时，箱涵出运至下水平台，后牵引系统保持不变，在箱涵两侧安装剩余的6条助浮气囊，用绑带将3条外挂气囊捆绑在箱涵侧面，纵向每隔1 m捆绑一道，在箱涵安装时，用最底层外挂气囊调节箱涵起浮，最底层外挂气囊需单独用绑带捆绑。捆绑完成后，进行气囊充气，先充上层气囊至0.02 MPa，再充下层气囊至0.03 MPa，然后调整气囊成三角形均匀布局，最后将每侧的外挂气囊充气至0.12 MPa，如图2所示；

3）安装外挂气囊同时，进行前牵引系统安装，潜水员将驳船上的细缆带至箱涵，并绕过箱涵上的转向滑轮后，返回到驳船上，然后启动驳船卷扬机用φ28钢丝缆替换细缆；

4）牵引系统及助浮气囊安装完成后，检查每条气囊气压及牵引系统是否正常，将每条气囊的充气管（长度约3 m）编号后绑在一起，统一固定在箱涵顶部，检查完成后，收紧箱涵前后牵引钢丝缆，等待高潮位；

5）当潮位达到+1.9 m时，箱涵在气囊助浮作用下开始起浮，此时启动前牵引系统，同时松放后牵引系统，将箱涵拖拽入海至安装位置[5]。

4 箱涵海上安装

4.1 箱涵下沉起浮验算

经表2验算，箱涵悬浮状态时，需配置8条直径1.5 m气囊和2条直径1 m气囊，每个箱涵孔安装4条直径1.5m气囊，每侧各挂1条直径1m气囊，外挂气囊通过调节气压进行控制。

表2 箱涵悬浮状态验算Table 2Calculation of the suspended state of box culvert

4.2 箱涵的气囊辅助安装步骤

箱涵的气囊辅助安装步骤如下：

1）箱涵安装前，潜水员事先安放接缝处的土工布[5-6]，并将供气系统放置在驳船上；箱涵拖运至安装位置上方后，使驳船与箱涵保持30 m左右距离，将定位测杆安装到箱涵顶；再次检查各气囊气压变化情况及前后牵引系统是否正常，一切准备工作就绪后，等待平潮位。

2）首先进行初步定位，使箱涵定位于安装位置上方，距离对接的箱涵1 m左右，如图4所示；

3）潜水员按照指令，给两侧外挂气囊同时放气，先进行上层的气囊放气，再进行底层气囊放气。当箱涵顶面刚好与水面基本平齐时，停止放气，箱涵接近悬浮状态；

图4 箱涵气囊辅助安装Fig.4The auxiliary airbag installation of box culvert

4）箱涵下沉，箱涵顶上的2名潜水员到交通船上，继续对外挂气囊放气，此时控制放气速率，当箱涵开始缓慢下沉时，停止放气，另外2名潜水员分别在箱涵对接口两侧观察箱涵下沉情况，确保下沉过程中不碰撞已安装的箱涵，具体位置安排（见图4）；

5）轴线定位，箱涵下沉到底后，首先将待装箱涵与已安装箱涵之间的距离缩短为0.5 m左右，然后再根据箱涵偏移情况，进行轴线定位，每次箱涵移位，均需要充气重新起浮，并控制起浮高度0.2~0.5 m为宜，轴线定位是最关键的工序，定位采取双控，一方面由岸边测量员进行校核控制，另一方面由潜水员根据水下控制线进行校核；

6）箱涵对接，箱涵轴线定位完成后，再次起浮箱涵至悬浮状态，离地不超过0.2 m，然后启动后牵引系统，使箱涵与已安装箱涵相互靠拢接触，但不压缩止水带；

7）对接校核，箱涵靠拢对接完成后，再次进行轴线校核，当轴线方向有偏移时，重新起浮进行纠偏，直至达到设计要求；

8）箱涵对接密封并校核完成后，收紧后牵引系统，同时松放前牵引系统，使箱涵相互挤压，压缩止水带，拉紧后箱涵间距不大于2 cm，保证箱涵缝隙密封，达到设计要求；

9）箱涵安装完成，检验合格后，潜水员进行解除钢丝绳、气囊回收等收尾工作。

5 结语

通过对福建漳州古雷热电厂循环水工程，箱涵的气囊出运及助浮安装施工进行探讨和研究，获得了经验及技术成果如下：

1）因地制宜，将现场细砂地质作为预制场及出运通道，箱涵预制施工工艺上可行，质量方面可控，施工过程安全有保障，本技术与硬化预制场及出运通道相比，降低了施工成本。

2）与传统的浮吊安装施工工艺相比，投入大型设备少，费用低，降低施工成本。

3）利用气囊柔韧性及助浮性的特点，协助箱涵进行海上运输及安装，安装时，通过调节气囊充放气，调控箱涵起浮及下沉，操作简单，施工质量可靠。

4）本工艺施工不受狭窄海域限制，在大型浮吊船无法进场时，可采用本工艺施工。

5）通过严谨的力学验算和工程实践，推动气囊辅助安装箱涵的施工工艺从理论到实践的发展，为今后类似工程施工提供新的施工方法。

[1]章广斌.大型沉箱气囊出运安装工艺研究与应用[D].济南：山东大学，2007. ZHANG Guang-bin.The installation technology research and application of large caisson transportation by airbag[D].Ji′nan: Shandong University,2007.

[2]黄金龙.沉箱出运安装的安全控制研究[D].天津：天津大学，2013. HUANG Jin-long.Research on safety control during transportation and installation of large-scale caisson[D].Tianjian:Tianjin University,2013.

[3]蒋爱春，张亚萍.沉箱气囊搬运技术的工程应用[J].中国水运，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，重力式码头设计与施工规范[S]. JTS 167-2—2009,Design and construction code for gravity quay [S].

[5]宋建东.大型预制构件出运及水上安装施工技术[D].成都：西南交通大学，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，水运工程土工织物应用技术规程[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

贾延财（1982—），男，山东济南人，硕士，工程师，港口、航道及近海工程专业。E-mail：215170116@qq.com