坐底式大型半圓型沉箱安裝專(zhuān)用船的研制

坐底式大型半圓型沉箱安裝專(zhuān)用船的研制

1半圓型鋼筋混凝土沉箱長(zhǎng)江口深水運(yùn)河處理b段和nb段的主要結(jié)構(gòu)為半圓沉箱。該結(jié)構(gòu)的水庫(kù)全長(zhǎng)為10780m，總使用量為544mm。單個(gè)長(zhǎng)度為19.94m的半圓鋼筋混凝土沉淀池重量約為100噸，分為4個(gè)規(guī)格。采用半圓型沉箱結(jié)構(gòu)的堤身典型斷面如圖1所示，在工程中的區(qū)段部位如圖2中粗黑線所示。全部沉箱的特征數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1，沉箱結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。2開(kāi)發(fā)半圓沉箱安裝所需的船舶2.1傳統(tǒng)沉箱安裝技術(shù)的介紹2.1.1潮落下纜安裝順岸式和突堤式沉箱碼頭，多由一排矩形沉箱組成，沉箱一般由一端開(kāi)始向另一端安裝。當(dāng)沉箱進(jìn)入安裝位置時(shí)，系上纜，待潮落至沉箱底距基床頂0.3～0.5m時(shí)，通過(guò)滑輪組用人力收、放纜，陸上設(shè)經(jīng)緯儀直接觀測(cè)安裝軸線偏差，沉箱隨潮落自沉或打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)注水下沉，邊下沉邊收攬對(duì)位。沉箱落在基床后，檢測(cè)偏位、縫寬，如不合格應(yīng)抽水、起浮，重新安裝。2.1.2重型懸掛法對(duì)于墩式碼頭的矩形沉箱或圓形沉箱(指水平截面)，一般在沉箱頂面預(yù)埋吊耳，采用起重船———吊裝架的方法吊安沉箱。2.1.3收、放定位方駁隨著沉箱的大型化，方駁定位安裝沉箱工藝得到應(yīng)用。在沉箱安裝位置附近，用纜繩將沉箱綁定在定位方駁的一側(cè)，通過(guò)收、放定位方駁的錨纜調(diào)整船位，使沉箱準(zhǔn)確就位。上述3種安裝工藝比較適合于碼頭工程海況條件較好、安裝強(qiáng)度較低(數(shù)天安裝1個(gè)或1天安裝1～2個(gè))的情況，經(jīng)分析論證，均不能滿足長(zhǎng)江口深水航道治理二期工程對(duì)工期和質(zhì)量的要求。2.2日本制約下的wlp結(jié)構(gòu)本工程采用的半圓型沉箱結(jié)構(gòu)是一種結(jié)合長(zhǎng)江口工程條件，對(duì)自日本引進(jìn)的半圓堤進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，數(shù)量多達(dá)544個(gè)。為適應(yīng)半圓型沉箱獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工現(xiàn)場(chǎng)惡劣的工況條件，有必要研制開(kāi)發(fā)半圓型沉箱安裝專(zhuān)用船。2.2.1吊點(diǎn)吊索安裝從半圓型沉箱的斷面看，其頂部是回繞水平軸旋轉(zhuǎn)的半圓，沉箱頂呈圓弧面，而其趾腳寬2.2m。由于半圓型沉箱獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的沉箱安裝工藝定位十分困難。1）滑輪組安裝存在的問(wèn)題由于半圓型沉箱頂面呈圓弧狀，使滑輪組纜索定位和箱頂人工操作均極為困難，而且，沉箱在飄浮狀態(tài)不可避免的縱傾和橫傾很難直觀發(fā)現(xiàn)，略微傾斜的沉箱在箱頂軸線準(zhǔn)確定位后落坐到水平的基床上軸線將發(fā)生偏移，再次起浮糾偏難度極大。加之長(zhǎng)江口工程施工現(xiàn)場(chǎng)工況惡劣，大汛潮時(shí)，水流流速較快，采用滑輪組安裝辦法使沉箱難以控制，存在的安全隱患多。2）起重船吊安存在的問(wèn)題起重船吊安存在的主要問(wèn)題是吊點(diǎn)布置困難。由于單個(gè)沉箱長(zhǎng)19.94m，質(zhì)量約1100t，吊架必須有足夠的大小、強(qiáng)度和剛度，吊點(diǎn)也需足夠多。如果吊點(diǎn)布置在圓弧頂面上，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要加大，從而進(jìn)一步增大沉箱質(zhì)量或增加工程費(fèi)用；如果吊點(diǎn)布置在趾腳上，安裝后解扣需要潛水員水下作業(yè)。沉箱安裝完成后吊鉤的處置也是難題，如果吊鉤割除后的防腐蝕處理不當(dāng)，或者水下的吊鉤不割除，吊鉤的腐蝕將引起沉箱的局部破壞，成為沉箱的薄弱環(huán)節(jié)。如果采用一期工程吊安半圓體(圖4)的方法，在沉箱上設(shè)置吊孔，使用專(zhuān)用吊具進(jìn)行吊安，由于沉箱質(zhì)量大，需設(shè)置6～8個(gè)吊孔，專(zhuān)用的吊架、吊具將很龐大，同時(shí)需要使用更大噸位的起重船(1500t左右)。由于施工現(xiàn)場(chǎng)海況惡劣，起重船穩(wěn)定性差，作業(yè)效率低，不僅沉箱在安裝過(guò)程中容易碰損，而且起重船臺(tái)班費(fèi)昂貴，施工成本加大。3）使用定位方駁安裝存在的問(wèn)題由于半圓型沉箱的側(cè)面為圓弧，趾腳又較長(zhǎng)，因此不能像矩形沉箱那樣將沉箱綁定在定位方駁側(cè)面，通過(guò)移動(dòng)定位方駁使沉箱準(zhǔn)確就位。而只能先固定船位，通過(guò)收、放沉箱與定位方駁間的纜繩，使沉箱逐步就位，因此，安裝效率低，受風(fēng)浪影響大，而且形成堤身后整體外觀質(zhì)量較差。2.2.2設(shè)計(jì)進(jìn)出水水量及時(shí)間施工區(qū)域?yàn)橥夂?，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)大、浪高、流急。在N10丁壩壩頭和壩中位置，設(shè)計(jì)采用的施工期5年一遇的E向設(shè)計(jì)波要素為：設(shè)計(jì)高水位4.12m時(shí)，H1%=5.70m,Ts=6.87s；設(shè)計(jì)低水位0.06m時(shí)，H1%=4.89m,Ts=6.87s?，F(xiàn)場(chǎng)流速最大2.0m/s，潮差達(dá)4.38m，比一期工程的施工條件更加惡劣。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，如采用傳統(tǒng)的沉箱安裝工藝，NIIB、NⅡC-2標(biāo)段工程的有效工作天數(shù)為12d/月。如果按每有效工作天安裝2個(gè)沉箱的工效計(jì)算，安裝544個(gè)沉箱需要有效工作天272d，折合工期約為23個(gè)月。考慮到工序間的影響、船機(jī)設(shè)備的故障、臺(tái)風(fēng)期和大風(fēng)天往返避風(fēng)拖航等因素造成實(shí)際有效工作天的減少或?qū)嶋H工效的降低，2年內(nèi)完成544個(gè)半圓型沉箱的安裝是極難實(shí)現(xiàn)的。3技術(shù)方案的總體思路為了在施工海域惡劣的工況條件下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模半圓型沉箱的快速安裝，中港一航局研制和建造了半圓型沉箱安裝專(zhuān)用船“安定1號(hào)”。半圓型沉箱安裝技術(shù)方案的總體思路為：浮運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的半圓型沉箱由拖輪協(xié)助靠在已就位的“安定1號(hào)”船上。沉箱注水下沉，當(dāng)沉箱底距基床頂面30～50cm時(shí)，停止注水，“安定1號(hào)”調(diào)節(jié)導(dǎo)向桿位置，使沉箱達(dá)到預(yù)定軸線，導(dǎo)向桿內(nèi)套管放下，直至到達(dá)基床頂面，核實(shí)沉箱位置無(wú)誤后，繼續(xù)注水，沉箱后端貼已安沉箱前端并做縫，沉箱側(cè)趾貼導(dǎo)向桿下滑，坐落于基床面上?！鞍捕?號(hào)”的技術(shù)構(gòu)思充分考慮了適應(yīng)半圓型沉箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和海域工況。3.1海上施工穩(wěn)定性保障中港一航局在研究解決機(jī)械化基床拋石整平時(shí)采用的坐底作業(yè)方式，為在長(zhǎng)江口遠(yuǎn)離陸域、海況惡劣的條件下進(jìn)行安全、優(yōu)質(zhì)、高效施工取得了成功經(jīng)驗(yàn)。為解決半圓型沉箱安裝船在海上施工的穩(wěn)定性問(wèn)題，同樣采用坐底定位方式，確保安裝船抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，定位準(zhǔn)確，不產(chǎn)生側(cè)移。只有解決了安裝船的穩(wěn)定問(wèn)題，安裝精度、安裝效率、施工安全才能得到保證。3.2導(dǎo)向桿橫向垂直度在安裝船坐底產(chǎn)生偏位、縱傾和橫傾時(shí)，根據(jù)安裝船上定位系統(tǒng)及測(cè)距儀顯示數(shù)據(jù)，分別調(diào)節(jié)每組2個(gè)導(dǎo)向桿的上、下共4個(gè)水平液壓缸的行程，即調(diào)節(jié)每個(gè)導(dǎo)向桿的橫向距離和垂直度，使2個(gè)導(dǎo)向桿成為一與導(dǎo)堤軸線平行的垂直面。在進(jìn)行半圓型沉箱安裝作業(yè)時(shí)，半圓型沉箱的外趾緊貼導(dǎo)向桿下沉，并保持穩(wěn)定，不受安裝船因坐底偏位及橫傾和縱傾的影響。專(zhuān)用的沉箱安裝導(dǎo)向裝置自動(dòng)化程度高，沉箱定位精度高。為了提高沉箱安裝的效率，在右舷舷外桁架上設(shè)6個(gè)導(dǎo)向桿，每2個(gè)導(dǎo)向桿用于1個(gè)半圓型沉箱的安裝，因此，安裝船坐底定位一次可完成3個(gè)沉箱的安裝。3.3測(cè)量?jī)x器及檢測(cè)船位控制采用GPS衛(wèi)星定位測(cè)控系統(tǒng)，包括2套高精度雙頻GPS接收機(jī)，6臺(tái)高精度測(cè)距儀，6套U形水平測(cè)量管及差壓變送儀，1套數(shù)據(jù)合成及數(shù)據(jù)鏈，1套船體四角吃水儀以及專(zhuān)用的施工軟件，確保安裝質(zhì)量。3.4半圓型沉箱的收、放染色安裝船在右舷舷外桁架上設(shè)6臺(tái)絞車(chē)，沉箱接靠、就位、安裝方便快捷。每2臺(tái)絞車(chē)用于1個(gè)半圓型沉箱的安裝，每個(gè)半圓型沉箱頂部有2根鋼絲繩與2臺(tái)絞車(chē)相連，通過(guò)收、放鋼絲繩控制半圓型沉箱的軸向和徑向平面位置。導(dǎo)向滾輪的設(shè)置滿足絞車(chē)與半圓型沉箱拉力點(diǎn)連接鋼絲繩轉(zhuǎn)向角度的需要。4半圓型沉箱安裝在風(fēng)力≤7級(jí)，波高≤1.5m，流速≤2.0m/s，水深≤13.5m時(shí)進(jìn)行半圓型沉箱安裝作業(yè)。在8級(jí)≤風(fēng)力≤10級(jí)時(shí)，就近坐底抗風(fēng)。在風(fēng)力>10級(jí)時(shí)，異地坐底抗風(fēng)。5沉箱安裝平臺(tái)“安定1號(hào)”船長(zhǎng)70m，型寬25m，型深5.5m，工作甲板型深15.5m，在船右舷設(shè)用于半圓型沉箱安裝的舷外桁架，有15.5m、12.5m和9.8m三層工作平臺(tái)。15.5m平臺(tái)設(shè)3個(gè)安裝位置，每個(gè)安裝位置配備2個(gè)導(dǎo)向桿，2臺(tái)15t卷?yè)P(yáng)機(jī)，另外設(shè)沉箱注水閥門(mén)8個(gè)；12.5m甲板設(shè)導(dǎo)纜器6個(gè)；9.8m平臺(tái)未設(shè)設(shè)備。在左舷桁架與右舷桁架間設(shè)連接橋，作為敷設(shè)充砂管系及人行道使用。6坐底沉放和調(diào)整安裝沉箱安裝作業(yè)時(shí),沉箱側(cè)趾的直立面貼緊導(dǎo)向桿，沉箱后端貼近已安沉箱前端并做縫，調(diào)準(zhǔn)位置后注水下沉坐床。在潮位不滿足安裝要求時(shí)，安裝作業(yè)也可分成坐底沉放和調(diào)整安裝2個(gè)步驟，即沉箱靠安裝船后先注水下沉坐落在基床上，然后等待下一個(gè)低潮起浮調(diào)整。沉箱安裝工藝流程如下：安裝船拋錨定位→安裝船注水坐底→沉箱靠安裝船→沉箱安裝→安裝船起浮移位。6.1工程專(zhuān)業(yè)和實(shí)踐6.1.1．安裝船拖輪和壓倉(cāng)水半圓型沉箱安裝船就位于導(dǎo)堤北側(cè)，就位前，計(jì)算安裝船坐底位置的控制坐標(biāo)，校核無(wú)誤后，輸入微機(jī)，生成安裝船坐底位置的電子海圖，由于考慮到船位在注水下沉過(guò)程中可能發(fā)生偏差，因此要給2個(gè)導(dǎo)向桿的調(diào)整位置留有富余距離，在計(jì)算船位坐標(biāo)時(shí)一并考慮在內(nèi)。1）根據(jù)“安定1號(hào)”的定位參數(shù)計(jì)算安裝船坐底位置的控制座標(biāo)，校核無(wú)誤后，輸入微機(jī)，生成安裝船坐底位置的電子海圖。2）拖輪在電子海圖的指導(dǎo)下，將半圓型沉箱安裝船拖至預(yù)定的坐底位置拋錨。下錨時(shí)注意應(yīng)將錨下在軟體排外側(cè)。3）船舶大致就位后，在電子海圖指導(dǎo)下，通過(guò)操作中央集控室內(nèi)4臺(tái)錨機(jī)的主令控制器，操縱錨機(jī)，調(diào)整錨纜，移動(dòng)船位，使“安定1號(hào)”的顯示船位與設(shè)定船位重合，準(zhǔn)備注水壓載(在此過(guò)程中如遇大流需要拖輪在一側(cè)頂推協(xié)助)。4）船舶注水下沉?xí)r，操作人員通過(guò)中控臺(tái)上的壓載監(jiān)控系統(tǒng)向壓載艙注水，船體下沉直到坐底。由于考慮到船位在注水下沉的過(guò)程中容易產(chǎn)生偏差，因此，在操作過(guò)程中，操作人員必須密切注意顯示屏上船位的變化，隨時(shí)調(diào)整船位以確保準(zhǔn)確定位坐底(為滿足沉箱的安裝要求，要求船體軸線偏差小于0.5m，方位偏差小于0.5°，橫傾小于1°)。坐底后，當(dāng)船位各參數(shù)不再有較大變化時(shí)，坐底完成，打開(kāi)海底閥門(mén)，松開(kāi)錨纜，并作好記錄。5）由于該施工地段地基較軟弱，安裝船坐底期間要不斷監(jiān)視坐底后的情況，特別是高程變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)下沉，應(yīng)及時(shí)調(diào)整壓倉(cāng)水，使船體對(duì)排體的壓力小于30kPa，并不再下陷，以免造成對(duì)排體的損傷。6）坐底完成后潛水員乘平潮下水檢查基床完好情況、回淤情況和安裝船坐底后的實(shí)際情況，無(wú)異常時(shí)方可進(jìn)行沉箱安裝。6.1.2．沉箱拖航沉箱拖運(yùn)的航線選擇在北導(dǎo)堤丁壩壩頭連線與主航道北邊線之間，航道寬度300m，天然水深均在-5.0m以下。沉箱拖運(yùn)選擇在落潮時(shí)間，順流而下，航速可達(dá)5～7kn，整個(gè)航程約4～5h。沉箱拖航期間，主拖輪在前面牽引，輔助拖輪在沉箱后面頂推，到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)下游1nmile，主拖輪減速，收緊拖纜，沉箱與主拖輪的距離由120m縮短為80m，此時(shí)，主拖輪轉(zhuǎn)向成逆流拖航（施工現(xiàn)場(chǎng)主拖輪轉(zhuǎn)向位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)流速而定），在轉(zhuǎn)向過(guò)程中拖帶沉箱逐漸向安裝船靠攏。當(dāng)沉箱到達(dá)安裝位置時(shí)，主拖輪停車(chē)，安裝拖輪橫向頂推沉箱靠安裝船。安裝船放下纜繩與沉箱上的帶纜扣連接，主拖輪和輔助拖輪解纜離開(kāi)。安裝船收緊纜繩使沉箱貼近，施工人員將安裝船注水管放入沉箱充砂孔，準(zhǔn)備進(jìn)行安裝。6.1.3沉沒(méi)箱的安裝和控制6.1.3.導(dǎo)向桿的下降安裝船坐底后沉箱接靠前，根據(jù)泥面高程、基床高程和潮位計(jì)算出導(dǎo)向桿下降至基床頂面的深度，按照導(dǎo)向桿上的刻度尺下降導(dǎo)向桿至基床頂面以上5～10cm處鎖緊；根據(jù)沉箱安裝軸線計(jì)算出導(dǎo)向桿自安裝船向舷外伸出的長(zhǎng)度，啟動(dòng)縮在舷外桁架內(nèi)的2個(gè)導(dǎo)向桿的4個(gè)液壓缸，按照外伸長(zhǎng)度控制液壓缸行程，使2根導(dǎo)向桿形成一個(gè)與導(dǎo)堤軸線平行的垂直面，該面即沉箱安裝的控制面。6.1.3.安裝船澆注閥門(mén)安裝船上的施工人員通過(guò)活動(dòng)跳板登上沉箱，連接8根準(zhǔn)100彈簧膠管至沉箱注水孔后，打開(kāi)安裝船上的注水閥門(mén)開(kāi)始注水，當(dāng)沉箱吃水線超過(guò)沉箱上的通水閥門(mén)位置后，打開(kāi)通水閥門(mén)注水，關(guān)閉安裝船注水閥門(mén)。當(dāng)沉箱底部距離基床頂面50～70cm時(shí)，調(diào)節(jié)纜繩，使半圓型沉箱外趾貼緊導(dǎo)向桿。6.1.3.沉箱調(diào)整和移裝通過(guò)架設(shè)在已安裝沉箱上的全站儀控制沉箱軸線偏位情況，加縫板做縫，收緊纜繩，使沉箱緊靠已安沉箱并調(diào)整沉箱軸線和縱橫傾斜。發(fā)現(xiàn)偏差要及時(shí)調(diào)整,用纜繩和縫板進(jìn)行糾正，確保沉箱的平面位置無(wú)誤后繼續(xù)注水，保持沉箱均勻、平穩(wěn)下沉，直至坐在基床上，半圓型沉箱落實(shí)并保持穩(wěn)定后，請(qǐng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理工程師驗(yàn)收。然后準(zhǔn)備下一個(gè)沉箱的安裝。6.1.4坐底機(jī)重新調(diào)整由于施工現(xiàn)場(chǎng)海況變化較大，如沉箱拖至現(xiàn)場(chǎng)時(shí)海況變差，無(wú)法準(zhǔn)確安裝時(shí)，必須緊急坐底存放，待天氣好轉(zhuǎn)后重新調(diào)整；再者，合龍口施工部位的7～10個(gè)沉箱需要快速擺放，然后重新調(diào)整。發(fā)生上述兩種情況，都需要對(duì)坐底后的沉箱重新起浮調(diào)整。其工藝可采用存放場(chǎng)起浮沉箱的辦法，關(guān)閉沉箱兩端的通水閥門(mén)后，使用4～8臺(tái)6英寸潛水泵排水，使沉箱浮起后重新進(jìn)行調(diào)整安裝，安裝方法同前。6.1.5砂體充砂機(jī)組半圓型沉箱安裝船在設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮了沉箱安裝與下一道工序———沉箱充砂的緊密配合，在安裝船上配備8臺(tái)準(zhǔn)150mm充砂泵及相應(yīng)的動(dòng)力和管線。運(yùn)砂船靠安裝船左舷，在沉箱安裝完成、驗(yàn)收合格后，隨即進(jìn)行沉箱充砂施工，充砂高度要滿足設(shè)計(jì)要求。6.1.6控壓載監(jiān)控系統(tǒng)的排水上浮操作當(dāng)完成3個(gè)半圓型沉箱安裝和充砂作業(yè)后，操作人員在中控臺(tái)上遙控壓載監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行排水上浮操作。當(dāng)船底高程變化到一定差值(0.8m)時(shí)，停止排水上浮作業(yè)，輸入下船位坐標(biāo)生成新的電子海圖，在其指導(dǎo)下，移船至下一船位進(jìn)行半圓型沉箱安放作業(yè)。7半圓壓箱的安裝效率、質(zhì)量和安全7.1機(jī)械效率和作業(yè)時(shí)間的延長(zhǎng)由于本船實(shí)現(xiàn)了半圓型沉箱注水、安裝和質(zhì)量檢測(cè)一體化，將復(fù)雜的人工作業(yè)轉(zhuǎn)化為水上機(jī)械化操作，安裝速度快；再加上采用了坐底定位作業(yè)方式，提高了船體抗風(fēng)浪能力和定位的穩(wěn)定性；各種機(jī)械設(shè)備性能好，GPS系統(tǒng)又可以全天候作業(yè)，自動(dòng)化程度高，操作方便、簡(jiǎn)單，具有24小時(shí)連續(xù)作業(yè)的能力。因而，本船除機(jī)械效率高外，有效作業(yè)時(shí)間大大延長(zhǎng)。2003年12月24日開(kāi)始典型施工段N42+140～N42+300的沉箱安裝，至2004年11月19日，完成了全部544個(gè)半圓型沉箱的安裝作業(yè)。實(shí)際施工效率：每月安裝數(shù)量在60個(gè)左右，單船在每個(gè)有效工作日可安裝4～5個(gè)沉箱，2004年6月23日創(chuàng)下單日安裝8個(gè)沉箱的記錄。7.2沉箱