星海湾大沉箱方案

- 1 -大沉箱设计施工方案一、 引言1、原设计要求 锚碇基础沉箱：单个锚碇基础由 6 个沉箱组成，按矩形布置，单个沉箱尺寸23m18m17m。 止水要求：沉箱企口间浇筑水下混凝土，沉箱所围区域浇筑水下封底混凝土，抽水保证干地施工条件。 整体性：沉箱间安装工字钢及浇筑混凝土连接成整体。锚体钢骨架下卧3m（底标高为-1.0m） ，浇筑胸墙混凝土。胸墙混凝土与沉箱间设竖向工字钢连接。 安装精度：沉箱位置 x=50mm, y= 50mm, z=100mm。 混凝土要求：预制沉箱混凝土 C35F300，有型钢相连接的仓格现浇混凝土为C35F300，胸墙现浇混凝土为 C40F350。 混凝土防腐：沉箱采用硅烷浸渍和环氧涂层双重防护方案，混凝土防腐涂装体系设计使用年限为 20 年。2、主张变更 锚碇基础采用大沉箱，沉箱尺寸 69m44m17m； 根据丹麦大贝尔特东桥锚碇沉井（平面尺寸为 121.554.5m）的安装精度，沉箱安装精度定为 x= 200mm，y= 200mm，z=100mm； 锚体、胸墙及沉箱间连接基本不变（沉箱内升浆块石以上，与胸墙连接的混凝土高度可能减小） ； 预制沉箱混凝土 C35F300，在水位变动区和浪溅区建议提高为 C45 高性能混凝土，仓格内现浇混凝土 C35F300、胸墙现浇混凝土为 C40F350 保持不变； 混凝土防腐设计不变。变更理由主要有：有效的保证了锚碇基础整体性；不存在止水风险；受恶劣海况影响较小，缩短了海上施工工期；具备预制场地（在船坞内预制） 。但是，超大沉箱的结构设计，预制、起浮、拖运、安装施工在国内尚属首次，没有可借鉴的经验。2二、大沉箱设计1、沉箱结构设计超大型沉箱尺寸规格为：长 69m，宽 44m，高 16.8m；底板厚度为 1000mm，外壁厚度 450mm，隔墙厚度为 300mm。仓格尺寸为 42604040mm。超大型沉箱平面图按照锚碇墩上部结构的设计要求及施工期的安装要求，本工程超大型沉箱隔墙顶部下卧 3000mm，最外侧仓格维持设计高度。大沉箱效果图如下：3超大沉箱效果图沉箱的构造已委托中交天津港湾工程设计院有限公司设计，在此不再作详细介绍。2、沉箱结构细部要求 预埋吊环、拖环根据最新的沉箱设计图纸，大沉箱吃水高度为 8.2m，在预制过程中要预埋将来拖运、安装时需要用到的拖环、系缆环及吊环等，使用 HPB235 圆钢，防腐拟采用水下环氧沥青保护层（具体实施暂未确定） 。布置位置及数量如下：拖环及拖缆：采用预埋拖环，每侧 4 个共 8 个（考虑并拖方式）,布置在沉箱 44m 宽侧墙上，拖环布置在沉箱吃水线上 0.5m 位置，并应保证沉箱在拖运的过程中不发生前倾。A.系缆力计算：拖运时为避免水流流速的影响，拖运相对流速取 34 kn。根据 4kn（2.06m/s）相对流速计算，以及重力式码头施工与设计规范（JTS 167-2-2009）中关于沉箱浮运的相关规定，拖缆力按下式计算：4=22，式中：=(+)P拖带力（KN）A沉箱受水流阻力的面积（m 2）水的重度（KN/m 3） ， w=10.25KN/m3Wv沉箱对水流的相对速度（m/s） ，V=2.06m/s(拖航时取 4kn)K挡水形状系数，矩形取 1.0。D沉箱宽度（m） ，取 44mT沉箱吃水（m） ，取 8.2m箱前涌水高度（m） ，取 0.6 倍航程中可能出现的波高H1/101.5m，=0.6H 1/10=0.9m。求得：沉箱受水流阻力的面积 A=400.4；拖缆力 P=889KN。拖带力为 889KN，设置两组拖环，每组两个，由两艘拖轮配合拖运，单个拖轮系船柱的系缆力要大于 444.5KN（具体系数不确定） 。 拖缆示意图B.拖缆选择：拖缆使用尼龙缆，单个拖缆承受的拉力为 444.5KN，尼龙缆的抗拉强度按60MPa 考虑，则需要的拖缆的规格为：5=41=4444.510003.1460 =97.15根据以上计算结果，选用 120mm 的尼龙拖缆，长度在 200m 以上。C.龙须缆选择：龙须缆采用钢丝缆，按夹角 70考虑，根据拖缆示意图，龙须缆一侧受力为：2220=1=444.52= 1220=236.51安全系数 K=3.5，根据港口工程手册 ，选择直径为 50mm 的 661 钢丝绳，工作时的破断力为 297.14KN236.51KN，并委托具有资质的厂家进行加工。D.拖环选择：单个拖环承受的拖带力为 222.25KN，根据港口工程混凝土结构设计规范中有关吊环的规定：=32=3222.2510002210 =1587.52拖环直径： =4=44.97选用 60mm 的圆钢加工拖环。系缆环：沉箱四周布置细缆环，44m 宽侧每边设置 4 个，69m 宽侧每边设置 6 个，共计 20 个。考虑沉箱吃水，布置高度比拖轮前端带缆点高出 1m 左右（需落实拖轮带缆点高度） 。根据沉箱吃水 8.2m 计算，高度为距离沉箱底11.7m（以下称中部系缆环） ；此外，在沉箱顶部 44m 宽侧，也需要布置 8 个系缆环，每边 4 个（以下称顶部系缆环） ，目的是在压水过程中，中部系缆环被淹没之后，所有的缆绳均需换到顶部系缆环。系缆环采用 60mm 圆钢。吊环：按最大 20cm 吊高考虑，采用预埋吊环，设置在沉箱顶部，69m 长侧，单侧布置 4 个，共 8 个，吊环之间沉箱外壁需要采取加固措施。A.吊环吊重计算：6=海水 =44690.21.025 /=622.38=622.389.8=6099.33式中：B沉箱宽度；L沉箱长度；h最大吊高；取 1.025t/m海水B.吊环选择：8 个吊环按 6 个受力计算，根据港口工程混凝土结构设计规范中关于吊环的规定：=32=36099.33100026210 =7261.12吊环直径 =4=96.17吊环采用 110mm 圆钢进行加工。拖环、吊环及系缆环的设置详见下图： 拖 环17040 中 部 系 缆 环顶 部 系 缆 环吊 点690单 位 ： 毫 米大沉箱预埋件布置 进水孔、过水孔布置 进水孔计算及设置沉箱内部共有 150 个仓格，单个仓格的面积为 17.20，总计面积为72580，沉箱吃水暂按 8.2m 考虑，初始水头差为 7.2m，施工水位 0.0m，需要使沉箱下沉 6.8m，方可落到基床上，设计用时在 3 小时以内，如图示：大沉箱压水之前 大沉箱压水之后根据公司印发的沉箱盲板使用管理办法 ，进水孔的直径按 134mm 计算，假设施工潮位不变（0.0m） ，沉箱内水位均匀上升，依据水力学伯努利方程：= 1+11+12122+22+2222+其中，箱内和箱外压力都应为 0，令 v1=0，1=2=1，hx=0 则原式可以写为：2=2（ 12）令 z1-z2=H，得： 2=2式中：v2 为通过进水孔时，水流的流速。则，流量：=2=242沉箱落地所需要增加的压力为： =海水 =44696.810.25 /=211609.2沉箱内压水高程为：8= 海水 =8.01压水体积为： =20644.8按施工要求，需要 3 小时将水压完，所需保证的最小流量为: =/=1.923/沉箱沉底之后，内外水头差为： =6.8（ 8.017.2） =5.99由式，初始流速和终止流速分别为：初始 =242=0.163/终 止 =242=0.153/由、式知，流速随着水头差的减小而减小，压水过程中的最小流速为0.150m/s,结合式，所需压水孔数目为：=/终 止 =12.54个 13个考虑施工时潮位的变化，以及沉箱内水位并非均匀上升的特点，布置 16 个进水孔，69m 方向每边 8 个，对称布置，进水孔距离沉箱底面 2.5m，整个沉箱共计 14 个单元，每个进水孔对应一个单元。单元与单元间进水完全独立，单元以内仓格间设置过水孔。 过水孔设置沉箱起浮、拖运过程中，不考虑仓格内液面对浮游稳定性的影响（不压水） 。过水孔尺寸暂时按 20mm 考虑，经过计算，确定单面墙上设置 12 个过水孔，分三排设置，分别在距离底板 1m，3m，5m 高处，每排 4 个，可以最大限度的保证液面均匀上升。进水孔、进水单元、过水孔布置及单元平面过水示意图，如下图示：大沉箱进水、过水示意图(neijiemen)9进水孔预埋件、盲板及相应配件按公司沉箱盲板使用管理办法中附件1、2、3 中要求进行加工和使用。具体图纸见以下 3 图：进水孔图盲板图10零件大样图 水泵布置沉箱安放过程中，为了便于上浮调整，在沉箱的四周，需要布设一定数量的水泵，初步准备使用 8 寸泵，每小时流量为 285m，水流重量相当于2921.25KN。调整沉箱位置上浮 30cm，所需卸除的压力为：=上浮 海水 =9335.71h 内将水下降 30cm 需要水泵的数量为（不考虑涨潮影响）：=9335.72921.25=3.19台 4台在平潮或涨潮过程中抽水，在 30min 内完成沉箱上浮 30cm 的要求，使用 8台 8 寸泵满足要求。但是考虑到沉箱进水单元为 14 个，最终确定使用 14 台 8寸水泵进行降水施工，每台水泵的额定功率为 37KW，总计用电功率为 518KW。详见沉箱顶部设备布置图。 沉箱盖板大沉箱预制完毕之后，将沉箱全部仓格加钢盖板（结合考虑升浆期施工荷载再细化） 。盖板形式见下图：11沉箱盖板示意图 卷扬机布置在大沉箱 4 个角点位置安放 10t 卷扬机，面向小沉箱的两台在安装大沉箱过程中与小沉箱拉环（小沉箱侧墙上设置拉环设计）连接。在沉箱出坞过程中，需要使用沉箱尾部两台卷扬机连接在船坞系船柱上调节沉箱的位置，防止其左右摆动，碰撞坞墙。详见沉箱顶部设备布置图。沉箱顶部设备布置图 塔吊布置为了在沉箱拖运、安装过程中吊装方便，以及锚体施工时更加便捷，在预制沉箱过程中，考虑将锚体施工用的塔吊提前安放到沉箱上，塔吊需要配备两台 200KW 发电机，防止发电机故障影响施工。发电机处布置详见下图，塔吊平面位置见沉箱顶部设备布置图。塔吊及发电机配置13三、大沉箱施工方案1、预制场建设 底胎布置底胎布置在中远旅顺 2#船坞坞底板上，承载力满足施工需要（单个沉箱重为 25493.82t，沉箱底面积为 72m47m=3384m2，单位面积重量为25493.82/3384=7.53t/m2，满足坞底板承载力 9t/m2的要求） ，底胎纵向中心线与 2#船坞坞底板中心线相重合。 5045031502504807302底胎布置平面图在底胎施工前，先在坞底板上铺设两层土工布，防止底胎对坞底板造成破坏。底胎采用混凝土+袋装混凝土+碎石+隔板型式。底胎四周浇注 3m 宽钢筋混凝土。混凝土强度为 C25（配置直径 12mm 的钢筋网片，上下两层，保护层为5cm） ，最小厚度为 30cm，标高为-9.16m。混凝土底胎在纵向设 4 道 20 槽钢、横向设 3 道 20 槽钢与船坞底板的预埋槽钢焊接在一起，防止沉箱起浮时底胎与沉箱底板粘结在一起。具体见下图：14预埋槽钢平面布置图在底胎混凝土围边内侧，纵向铺设宽度为 40cm 的袋装混凝土，间距为4.5m。其他间隙铺设碎石层，碎石顶部铺砂找平。在混凝土围边每隔 2m 设置一道 20cm 预留孔，用砂填筑。保证放水时，海水可以进入沉箱底部，克服沉箱底板的粘结力。在混凝土围边埋设 10#槽钢，共沉箱模板加固使用。埋设槽钢深为 20cm，露出围边 20cm。一250C35m302612底胎剖面图沉箱底板钢筋施工前，在砂子顶部依次铺设刨花板、牛皮纸，并采用水泥钉将其固定在底胎上。 塔吊布置15塔吊选型A吊距计算内芯模板重量不大于 10t，最远格舱模板距塔吊中心为 25.33m。见下图：350605 35060570501470 17021301m 230150塔吊工作范围图B塔吊高度计算如上图，计算公式如下：1.5m（吊钩）+7 （钢丝绳） (4.26/2)2 (模板宽度) +5m（模板高度）+17m（沉箱高度）+1m （预留高度） =31.168m。故塔吊高度取 32m 以上。根据查阅塔吊性能表，选用型号为 S260K16 的塔吊，臂长 40m，轨距为6m，满足使用要求。塔吊设置 3 台，2#船坞西侧设置两台，东侧设置 1 台。- 16 -163.2.489.082.0.46.92.7.68.3.405.932.375.024.56.284.53.74.41503.2.952.857.602.5.3562.72.10tm3.170m164.9.6201.429.058.2727306.91.86.32.4.035.8175.2840.94.57.324.9503.792.523.67.120.962.85tm3.165m16.53201.720.159.278.03.67.1.87.532.46.853.75.940.652.194.274.50.324.035.8573.60tm3.160m167.3.21210.9510279.238.0.7.42356.957.693.3415.96.45.357.0849.451.613tm3.15m167.84.201.721.540.269.8.9530817.653438.46.79.5406.1825.4.56tm3.150m168.3.621.31.250.379.482.79318.0.67.34.9.485.67.1436.719.48tm3.145m168.4.62013.2140.9261.89.308.6328.04.17.537.8tm3.140m4.5.2648506.1235.84.063.84二二 二二二二Standr toley 2/4fal(when usig subtrac 0.3 from the loads )二 Load Digrms塔吊性能图塔吊基础船坞底板两侧各设置 2 条塔吊行走轨道，轨距为 6m。首先在坞底板上铺设两层土工布（224m7m） ，保证土工布平整，搭接长度为 1m。在土工布上浇筑- 17 -宽为 0.6m，高为 0.3m 的塔吊基础。在轨道间设置井字撑，宽度为 0.6m，高度0.3m。每 2 个井字撑间距为 6m。如下图：塔吊基础平面布置图塔吊基础断面图塔吊基础为 C25 钢筋混凝土结构，上下两层钢筋网片（12 螺纹钢，间距为150mm，保护层为 50mm） 。 - 18 -2、沉箱预制 分层、分段大沉箱分四层预制，分别为：底板及二、三、四层，其中底板部分厚度1m，外墙施工缝位于底板上方 1m 的墙上。底板分两块浇筑，中间预留 1m 宽后浇带，后浇带浇筑微膨胀混凝土。如图 1 所示：底板分块浇筑图二、三、四层每层高 5m，每层分 3 块浇筑，每次浇筑 50 个仓格。本工程锚碇沉箱平面尺寸较大，箱内仓格达 150 个之多，水平面内预制难以一层预制完成，需分块预制。合理分块预制是本工程施工的难点和重点，如何进行水平面上的分块施工、施工缝处理及其连接是本工程最关键性的技术难点。 底板浇注顺序锚碇沉箱底板较厚，可能会产生温度裂缝，如何避免底板产生裂缝也是本工程的质量和安全的技术难点。沉箱底板面积为 3384m2，底板厚度为 1m，分为两大块浇筑。每块浇筑方量- 19 -约为 1692m3。设置两个 2 m3拌和站，每块底板用两台泵车浇筑，所以每个泵车一次浇筑混凝土量为 846m3。假设 2 m3拌和站每小时搅拌混凝土为 60m3。所以每台罐车浇筑一块底板的时间约为 14 小时。底板分层浇筑，每层 50cm。为防止混凝土出现冷缝，必须保证第一层混凝土浇筑完毕后 18.5 小时内（初凝时间）浇筑第二层混凝土。把每块底板分为 2 大块，每大块由一台泵车所负责浇筑。把每个泵车所负责浇筑的区域分为 7 小块，每小块每层的浇筑时间约为 1 个小时。浇筑顺序及分块如下图（此为一块底板的分块及浇筑顺序图）：14 度(冬季施工措施) XX123579146804123579146804单块底板分块及浇筑顺序示意图3、沉箱起浮、出坞沉箱预制完毕后，直接向 2#坞内灌水起浮。起浮过程中，需要将沉箱顶部系缆环与船坞系船柱连接，限制沉箱的横向移动，防止碰撞坞墙，保证沉箱和船坞的安全。- 20 - 绳缆选择水平距离沉箱起浮时，要在吊环位置设置交叉缆，与船坞的系船柱连接，如下图所示：沉箱带缆示意图根据上图，确定拖缆在平面上投影最长为 l1=70.43m。垂直距离预制沉箱底胎标高为-9.16m，顶部标高为 7.64m，船坞顶标高为+3.5m，则沉箱吊环与船坞系船柱之间的垂直距离 l2=4.14m，如下图示：沉箱与系船柱垂直距离示意图沉箱跳跃富余长度沉箱起浮过程中，由于沉箱与底胎之间存在粘结力，沉箱脱离底胎的一瞬间，会出现“跳跃”现象，根据马耳他 7000t 沉箱的相关经验，底板粘结力按- 21 -1t/，即为 9.8KN/m考虑：沉箱底板面积为： =（ 69+3） （ 44+3） =3384粘结力为： =33849.8=33163.2沉箱自重暂时按 25000t 考虑，吃水按 8.2m 考虑，沉箱浮起后，合外力即为粘结力（浮力重力） ，此时沉箱会向上跳跃，跳跃的高度为：= 海水 = 33163.2446910.25=1.066综合上述三个因素，如图进行计算：=21+(2+)2=70.432+5.2062=70.62最终确定沉箱起浮时带缆的长度为 70.62m，实际取 71m 合成纤维绳缆。 沉箱出坞沉箱起浮之后，由拖轮将龙须缆和拖缆连接好，缓慢地将沉箱拖运出坞。为了防止沉箱在出坞过程中左右摆动碰撞坞墙，利用设置在沉箱后侧的两台卷扬机，连接在船坞的系船柱上，出坞过程中随时控制沉箱横向的偏移，直到顺利出坞为止。卷扬机固定在沉箱的盖板上，为了防止后侧系缆力将盖板掀起，初步准备按下图对卷扬机盖板进行加固：盖板上卷扬机加固方法4、沉箱拖运此次的浮运航线为：由旅顺羊头洼中远 2#船坞，经老铁山水道，到达星海湾桥址，浮运距离约 30 海里。拖运共有并拖和串拖两种方式，根据物模试验结果优化。如下图所示：- 22 -串拖示意图并拖示意图5、沉箱安装在进行沉箱安装时，预先安装 2 个小型沉箱（长 20.8m，宽 12.5m，高16.2m）定位，1300t 吊船辅助进行安装（主要使用 1300t 吊船上的锚机） 。超大型沉箱到达指定区域之后，44m 宽侧通过系缆环与拖轮相连；事先安放在大沉箱上的卷扬机也通过锚缆连接在小沉箱拉环上；1300t 吊船抛八字锚，驻位在两个小沉箱之间，将吊船上锚机与沉箱系缆环相连；在另一侧由两艘拖轮或锚缆（大贝尔特东桥锚桩承载力 90t，现场应根据物模试验结果选定）与沉箱系缆环进行连接，如下图。 超 大 型 沉 箱 小 沉 箱小 沉 箱 20t锚 机13T吊 浮傍 拖 拖 轮傍 拖 拖 轮 卷 扬 机卷 扬 机傍 拖 拖 轮大沉箱安放示意