沉箱移运上船牵引工艺优化

摘 要：沉箱通常在预制场预制，然后移运至半潜驳进行出运安装。沉箱气囊滚运上船时，通常采用钢丝绳捆绑法或预埋拖环工艺，由卷扬机牵引沉箱上船。在日照钢铁通用泊位水工工程10万吨码头沉箱出运时，采用了一种新的牵引沉箱上船的工艺，在沉箱侧墙预留牵引孔，用钢销插入预留孔牵引沉箱上船，成功牵引滚运了2200吨的沉箱，对后续大型混凝土构件的水平移动具有一定的借鉴意义。

关键词：沉箱 滚运 溜放 拖环 销孔

1.工程概况

日照钢铁通用泊位水工工程位于日照市岚山区，码头总长度1720m，为重力式沉箱结构。共预制沉箱60个，其中D型沉箱长×宽×高=19.95m×14.25m×19.1m，单个沉箱重2229吨。A型沉箱长×宽×高=19.95m×13.25m×17.4m，单个沉箱重2054吨。沉箱预制在日照钢厂沉箱预制场预制，预制场共布置两条生产线，每条生产线可布置9个沉箱，具备同时生产18个沉箱的能力。

2.沉箱水平移运工艺介绍

沉箱预制完成后，在沉箱底部穿入滚运气囊，沉箱在滚运气囊的支垫下，在卷扬机及滑轮组的牵引作用下实现水平移运。前端牵引钢丝绳起到提供牵引力作用，后溜钢丝绳起到控制滚运速度和防止沉箱溜坡的作用。

3.工艺优化与方案确定

3.1牵引力、保险力计算

（1）水平移运时最大牵引力

沉箱自重Q=2229t，沉箱移运时前沿高500mm，后沿高200mm，经计算沉箱后倾角α=1.21°，详见图1。

最大牵引力： Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa

式中：Fd—卷扬机前拉力；Q—重物自重t； G—重力加速度；A—坡道倾角；u—坡道磨擦系数取0.03。

Fd=Q×g×sina+u×Q×g×cosa=2229×10×sin1.21°+0.03×2229×10×cos1.21°=1139kN

沉箱牵引点一般设置2个，每个牵引点最大牵引力约570kN，沉箱水平滚运期间，后溜钢丝绳处于松弛状态，即保险力Fb=0，不得出现与前拉钢丝绳出现对拉的情况。

（2）沉箱下坡道最大保险力

根据现有预制场情况计算，预制台座与半潜驳接岸为斜坡结构，沉箱溜放下坡时前倾角α=1.833°，此时牵引力Fd为零，沉箱在保险力作用下缓慢溜放的过程，摩擦力与沉箱重力沿坡道向下的分力方向相反，见图2。根据实际测算，卷扬机额定放绳速度为0.5m/s，动滑轮8股变速后作用在沉箱上的移动速度为0.0625m/s，刹车时间受到气囊缓冲，停稳时间为0.2s。Fb=Q×g×sina-u×Q×g×cosa+mv/t=2229×10×sin1.833°-0.03×2229×10×cos1.833°+2229×0.0625/0.2=1098kN ，每个牵引点最大保险力约550kN。

3.2沉箱上船工艺比选

3.2.1传统工艺介紹

（1）钢丝绳捆绑法

钢丝绳捆绑是牵引点的原始做法，即用一根受力满足计算要求的长钢丝绳沿着构件围绕一周或数周，然后分别在沉箱前进方向的两侧既定位置预留出外伸琵琶扣作为牵引点，见图3。此法虽可行，但操作极为不便，钢丝绳缠绕与解缠工作耗工耗时，需要动用大型起重设备配合，钢丝绳与沉箱四角的接触部位经常相互磨损，在质量与安全管理方面埋下较多隐患。

（2）预埋拖环法

鉴于钢丝绳捆绑法的上述缺点，埋设拖环法被普遍应用，此法安全可靠，但钢材消耗较大。预埋拖环法见图4。

根据上述牵引力的计算数据配备拖环：

A = 3F/2nfy

式中： F—最大牵引力，取570kN；

fy—HPB300材质圆钢的抗拉强度设计值，取300 MPa，计算中进行以下折减：拖环弯曲后的应力集中对强度的折减系数取为1.4，动力系数取为1.5；n—计算拖环肢数，取2。

拖环设计截面积A = 3F/2nfy=3×57×1000×10/（2×2×300/1.4/1.5）=2993mm2

根据拖环截面积计算拖环直径D=62mm ，则拖环采用直径65mm圆钢加工，每个拖环长度6m。

3.3预留销孔牵引技术方案的提出

针对以上两种牵引沉箱水平移运连接方式的缺点，需研究一种操作简单、成本较低、能够保证质量和安全的新的连接装置。

大型沉箱一般底板混凝土厚度较大，钢筋布设较密集，能够承受较大的剪切力。在借鉴小型构件采用预留孔吊装的基础上，提出了预埋销孔法水平牵引移运沉箱的技术方案。

销孔法牵引沉箱水平移运就是在沉箱底板四周预埋销孔，用于沉箱纵横向水平移运，钢销插入沉箱预埋的销孔中，利用钢销的抗剪性能由卷扬机牵引沉箱水平移运，并对钢销重复利用。该方法只需加工4根圆钢做牵引钢销，在沉箱预制时预留4个牵引孔即可，即节约成本又方便施工。

3.4钢销制作及预埋孔布置

钢销采用HPB300圆钢加工，选用直径140mm圆钢，长度1100mm，钢销插入预埋销孔中，插入混凝土内部1000m，外露长度为100mm。

沉箱预制时预埋直径150mm钢套管，套管壁厚4mm，保证钢销与套管的接触面积，利于操作；销孔布置在沉箱底板钢筋密集处，并局部加强，能够保证沉箱混凝土满足压强要求。

预埋钢销孔与牵引钢丝绳方向成75°夹角，保证在牵引过程中，钢丝绳自动向内锁紧，防止钢丝绳和钢销在牵引力作用下滑脱。

3.5钢销受力验算：

（1）受弯验算

钢丝绳作用点在钢销外漏部分中部，距离沉箱墙壁悬臂长度50mm。

悬臂长度L=0.05m，钢销最大拉力F=570KN，钢销固定端力矩Mo=PL=570×0.05=28.5KNm

钢销抵抗矩W=πd3/32=269cm3弯应力σ=Mo/ W=28500000/269000=106Mpa<[σ]=270Mpa，满足要求。

（2）受剪切验算

钢销截面积A=15386mm2，剪应力

τ=570000/15386=37Mpa<[τ]=150Mpa，满足要求。

4.工艺实施及操作要点

4.1施工工艺流程

预留孔设置→钢销加工→安装钢销牵引→钢销撤回、牵引下一个沉箱

4.2预留孔设置

牵引孔的设置要考虑以下几点：①牵引孔的直径和深度问题，要保证钢销插入后，四周富余量不大，减少钢销活动空间。另外孔深度要足够，保证钢销足够的锚固深度；②预留孔壁周围混凝土抗压强度要足够，本沉箱底板厚度50cm，销孔选在沉箱底板厚度的中心，钢筋密集，无需在销孔四周另外配加强筋；③要考虑地牛埋设与牵引孔的夹角问题，保证在牵引过程中，钢丝绳自动往内收，防止钢丝绳和钢销在牵引力作用下滑脱。

根据前面计算，钢销直径140mm，销孔预留内直径为150mm，斜埋入Ф150mm×4mm钢套管1000mm形成销孔，为防止钢丝绳滑脱，钢套管的埋设方向与牵引钢丝绳方向成75°夹角，见图5。钢丝绳牵引时，受夹角影响，自动滑向钢销根部，防止钢销出现悬臂发生滑脱事故。

4.3钢销加工

钢销加工原则是既要满足抗弯、抗剪强度要求，也要有防止钢丝绳滑脱的措施。根据前面计算，直径Ф140×1000mm钢销即可满足要求，为防止牵引过程中钢絲绳从钢销端部滑脱，在钢销外侧焊接一圈挡沿，挡沿厚度10mm，凸起高度10mm。为防止钢销挡沿对气囊表面磨损，挡沿四周要做钝化处理，见图6。

4.4安装钢销牵引沉箱

沉箱滚运前，预先将前沿钢销和后沿钢销插入牵引孔，套上牵引钢丝绳，工人用锤子将钢销往里轻轻敲打，使钢丝绳紧贴沉箱外墙，见图7。

开启4台卷扬机牵引沉箱缓缓前移，前面2台卷扬机牵引，后面2台卷扬机溜放。保证前后钢丝绳不出现对拉的情况。沉箱下坡时，前面钢丝绳处于松弛状态，后面钢丝绳松放，沉箱在自重分力作用下缓缓溜放。沉箱水平移运见图8。沉箱上船就位后，人工将钢丝绳和钢销取下，安装到下一个沉箱预留孔上，准备下一个沉箱的滚运。

4.5预埋销孔法牵引沉箱移运注意事项

在沉箱水平滚运和溜放下坡时，要有专人查看钢销悬臂长度变化，钢丝绳是否紧贴沉箱外墙，牵引孔周边混凝土破损情况等。如果出现钢丝绳滑脱或悬臂长度超出设计长度的现象，在水平滚运时，应暂停牵引，进行处理后再恢复。如果在下坡溜放时，在立即暂停溜放的同时，用垫木支垫沉箱，沉箱坐在垫木上后再进行处理。

5.工艺实施效果

5.1取得的经验

在本工程中已用预留销孔法成功出运2200吨沉箱60个，未出现任何质量和安全隐患。在滚运期间对该工艺各项指标进行了检查，检查结果如下：①在牵引钢丝绳停停走走的反复作用下，钢销无丝毫外移迹象；②牵引钢销的钢丝绳自锁在钢销与沉箱侧墙的夹角内，无跳槽、滑脱迹象；③销杆整体完好，无任何弯曲或局部受压变形迹象；④销孔边缘混凝土（尤其是钢销作用挤压一侧）未出现混凝土裂缝及严重脱落，仅个别沉箱表皮混凝土出现轻微脱落的现象。

5.2存在问题及经验教训

本工程沉箱设计钢套管的埋设方向与牵引钢丝绳方向成75°夹角，由于工人施工时不精心，技术人员疏于检查，个别沉箱钢套管的埋设方向与牵引钢丝绳方向小于70度，其中一个沉箱达到60°，钢销在沉箱溜放下坡时，受钢销挤压，表层混凝土薄弱出现破损现象。正常埋设的预留套管尚未出现该现象。因此，在后续施工过程中，夹角不易过小并加强对销孔埋设质量的检查。

6.结束语

预埋销孔法牵引沉箱水平移运技术与传统技术相比具有以下优势：

（1）预留销孔法和拖环法相比，主要是节约钢材用量，经济划算。以本工程为例，沉箱移运若采用预埋拖环法，需采用直径65mm圆钢加工，每个拖环长度6m。采用预埋销孔法牵引沉箱水平移运与之相比，可节约钢材约38t。

（2）预留孔法对成品保护效果好，销孔周围均未出现破损现象发生，既解决了捆绑法对混凝土四角磨损的问题，又避免了拖环法后期防腐处理难的问题。

（3）该技术施工难度小，操作便捷。由于预留孔法耗钢材少，成本低廉，可适当扩大预留孔直径，增加沉箱移运安全系数。

在日照钢铁通用泊位水工工程中对沉箱移运上船牵引连接工艺进行了优化，发明了预埋销孔法牵引沉箱水平移运技术，成功出运60个2200吨沉箱，该技术可推广应用到其他大型钢筋混凝土构件的移运，具有良好的经济和社会效益。

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