第１４卷 第６期 ２０１４仨 中 国水运 Ｖｏ１．１４ Ｊｕｎｅ Ｎｏ．６ ２０１４ ６月 Ｏｈ ｉ ｎａ Ｗａｒｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ２００ｔ起重船助浮圆沉箱安装技术 殷诗昌 （中交第一航务Ｚ－程勘察设计院有限公司，天津３００２２２） 摘要： 重力式码头设计与施工规范 中有允许用起重船助浮的相关条文，但如何选取吊力Ｐ和核算浮游稳定性 未作规定。结合工程实际，参考了 港口工程施工手册 中提出的计算式，计算起重船助浮情况下浮游稳定性，并 且成功进行了沉箱安装，丰富了起重船助浮沉箱安装工艺的实践经验。 关键词：圆沉箱；惯性矩；浮游稳定；浮船坞；助浮；起重船 中图分类号：ｕ１６９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—７９７３（２０１４）０６—０２９１—０４ 表１ 沉箱体积和体积矩计算表 圆沉箱外径１８ｍ、高度３０．０５ｍ，高度之高在重力式圆 沉箱结构码头工程中都十分罕见。沉箱高度高，重心高度也 高，浮游稳定不易得到满足，同时沉箱安装的难度更大。本 文结合工程实例，介绍在浮船坞下潜深度有限、沉箱用海水 压载浮游稳定不满足要求的情况下，用２００ｔ起重船成功助 浮圆沉箱安装。 一、工程概况 图１ ３０．０５ｍ高圆沉箱结构图 某一３０万吨级原油码头工程位于周围有岛屿掩护、风 浪条件较好的湾内，２年实测港区最大波高在０．３ｍ左右， 港池区天然水深一般为一３３－一３８ｍ。码头采用重力式圆沉箱 墩式结构，沉箱高３０．０５ｍ，外径１８ｍ，Ｃ４０混凝土，重量 接近３，８００ｔ。沉箱外壁厚４５０ｍｍ，内壁厚２５０ｍｍ，底板 厚７００ｍｍ；沉箱外壁与底板抹角５００ｒａｍｘ ５００ｍｍ，外 壁、内壁与底板抹角均为２００ｒａｍ ｘ ２００ｍｍ；沉箱其它尺 寸见图１。沉箱在预制场采用高压气囊移运上浮船坞，出运 注：表中计算牛腿周长时与倒角相交部分做简化处理， 对后面浮游稳定计算结果没有影响。本表尾数误差是电脑小 数点保留位数所致，与手动计算结果会有误差，后面计算过 程中也存在同样的问题。 三、惯性矩、定倾半径、定倾高度 码头到３０万ｔ级原油码头平均距离约１ｋｉｎ。浮船坞长 ｌＯ０ｍ，宽４０ｍ，型深７ｍ，最大下潜深度２６．５ｍ（指浮船 坞底面到水面的距离），甲板最大下潜深度１９．５ｍ（指浮船 坞甲板面到水面的距离）；起重船长５６．７ｍ，宽２０．８ｍ，最 大吊重２，Ｏ００ｋＮ。 二、圆沉箱体积和重心 沉箱定倾半径：ｐ ４ 一 Ｐ：上 Ｖ 圆形沉箱：Ｉ： ”４ 坐标原点，沉箱竖向中心轴线为 定倾高度／Ｔ／ 脚＝Ｐ—ａ 式中： 为沉箱定倾半径（ｍ）；Ｚｏ为沉箱在水面处的 断面对纵向中心轴（ 一 轴）的惯性矩（ｍ ）；Ｚｉ为各 底板底面中心为 轴， 一 轴见图１。圆沉箱关于 轴对称，重心在 轴上， 计算重心位置时只计算 向的体积矩即可。 收稿１３期：２０１４—０３—１５ 作者简介：殷诗昌，中交第一航务工程勘察设计院有限公司。 ２９２ 中国水运 第１４卷 箱格内压载水对 一 轴平行的自身形心轴的惯性矩之和 浮心高度 （ｍ ）；Ｖ为沉箱的排水体积（ｍ。）； 为圆沉箱的外半 ８９．５１＋４２．９７＋３．１４×９。×（１８．８５—０．７１×（１８．８５－０．７＋０．７１ 径（ｍ）；１７７为定倾高度（ｍ）；盆为沉箱重心到浮心距离 ＝——————＿两 ——— 一＝９・２ （ｍ）。 重心到浮心的高度 现行 重力式码头设计与施工规范 （以下简称 重力式 ａ＝１，一１，＝１０．４３—９．２０＝１．２３ｍ 码头规范》）中没有给出带内壁圆沉箱 值计算式，但在《井 沉箱在水面处的断面对纵同中心轴（ 一 轴）的惯性 字内壁圆形沉箱浮游稳定计算法 ［３１一文中有详细数学推导 过程可直接采用。由于井字内壁圆形沉箱∑ 计算过程较长， 矩 ：５１５０．３９ｍ４ 且不是本文讨论的重点，只把结果列于表２。 表２箱格内压载水对 一 轴平行的 自身形心轴的惯性矩之和（ｍ ） 定倾半径ｐ＝ ＝ ＝ 罢＝ｏ 定倾高度ｍ＝Ｐ—ｄ＝０．９５一１．２３＝一０．２８ｍ，ｍ取值，在 掩护区或近程浮运时 ０．２ｍ，即沉箱各箱格内加５．４ｍ海水 压载，浮游稳定不满足规范要求。 ２．卵石压载 注：各箱格编号见图１。 如用卵石作为沉箱压载料，没有自由液面，即∑ ０且 四、浮游稳定计算 比用压载水更加降低重心。各格箱内压载卵石３．３ｍ高时， 浮船坞下潜区水域水深在３０ｍ以上，大于浮船坞最大下 与上面用海水作为压载料的计算过程相同，定倾高度 潜深度２６．５ｍ，浮船坞最大下潜深度不会受到水深限制。沉 ｍ＝Ｏ．０８ｍ＜０．２ｍ，浮游稳定也不满足规范要求。 箱未加压载下潜到浮力等于重力，吃水 １４．３２ｍ，定倾高 考虑到沉箱太高，往箱格内加卵石操作很不方便，且压 度脚—一４．３ｍ＜０．２ｍ，浮游稳定远没有达到规范要求，应考 载卵石３．３ｍ增加沉箱重量约１，１８０ｔ，出运气囊工作压力增 虑进行压载。根据 重力式码头规范 第９．３．４条，考虑沉 加约３０％，已超出了出运码头的设计荷载，所以确定选海水 箱在浮船坞上垫木高度３５ｃｍ，以及起浮时沉箱底面和垫木 作为沉箱压载，但需考虑采取其他措施保证浮游稳定计算满 顶面富裕水深３０ｃｍ，受浮船坞最大下潜深度限制，沉箱在 足规范要求。 浮船坞上最大吃水 ２６．５—７—０．３５—０．３＝１８．８５ｍ。沉箱 ３．起重船助浮 随浮船坞下潜到吃水深度１８．８５ｍ，如考虑用海水或者卵石 受浮船坞最大下潜深度限制，沉箱在浮船坞上已下潜到 作为压载料，计算出沉箱各箱格内应加压载水５．４ｍ或者压 最大深度，海水和卵石作为压载料计算的沉箱浮游稳定结果 载卵石３．３ｍ（卵石湿重度取１７ｋＮ／ｍ。），下面分别分析各 均不满足规范要求。根据 重力式码头规范 第９．３．４．２条： 箱格内加水５．４ｍ和卵石３．３ｍ两种压载状况下沉箱浮游稳 浮船坞最大潜深不满足要求时，沉箱应减少压载，可采用起 定情况： 重船或浮筒助浮，应在拖至深水处时再压载至满足沉箱自身 １．海水压载 浮游稳定要求。与该条所述有所不同，本工程遇到的情况不 依照 重力式码头规范））规定，本文沉箱钢筋混凝土重 是下潜区水深不够，而是水深足够深，但浮船坞已达该船下 度取２４．５ｋＮ／ｍ。，计算沉箱吃水时钢筋混凝土重度取 潜极限，沉箱在浮船坞上时不能再通过增加压载达到浮游稳 ２５．０ｋＮ／ｍ。；海水重度取１０．２５ｋＮ／ｍ。。 定，这种情况在工程中是不多见的，主要原因就是沉箱高度 沉箱未压载前的重力Ｇ０＝１，５４０．８２Ｘ２４．５＝３７，７５０．１８ｋＮ 太高。不过规范第９．３．４．２条提出了采取助浮措施的思路， 沉箱未压载前的重心高度 通过分析起重船助浮在技术上比浮筒或气囊助浮更简单，并 １， ＝ １９３７８．且现场本就有最大吊重２，０００ｋＮ的起重船，因此首先考虑该 １，——ｉｉ———一一一７４：１２．５８ｍ ＝ｍ ／ＣＯ 厶Ｖ １５４０．８２ … 起重船助浮的可行性。起重船最大吊重只有２，０００ｋＮ，且沉 沉箱压载后的重力Ｇ。和重心高度 （包括压载和操作平 箱和起重船随浪升沉时，有可能因升沉不同步或不相同，吊 台）： 力变大，以及沉箱出坞后继续加水至自身浮游稳定过程中要 各箱格断面面积之和为２１３．１０３ｍ。，操作平台重量取 先加水后下落吊钩，吊力会增加等因素，起重船的额定吊力 ９０ｋＮ，各箱格内压载水高度５．４ｍ。 应大干助浮吊力ＪＰ并留有较大的富裕量，本工程要求助浮吊 Ｇ。＝３７，７５０．１８＋２１３．１０３×５．４×１０．２５＋ 力Ｐ控制在１，２００ｋＮ以内，留８ＯＯｋＮ富裕量。 ９０＝３７，７５０．１８＋１ １，７９５．２５＋９０＝４９，６３５．４３ｋＮ 如何计算起重船助浮时沉箱的浮游稳定，在水运工程各 ３７７５０．１８×１２．５８＋１１７９５．２５×（娑＋０＿７）＋９０×３０．０５ 种规范中都没有相关规定。参照 港口工程施工手册 Ｉ４】中 Ｙｃ —————— ————一 。４ 相关内容的分析，假设一个起重船助浮吊力Ｐ来验算沉箱是 加载后沉箱总排水体Ｖ 否能够达到浮游稳定，然后再在工程中实施。下面的图２和 式（１）、式（２）以及各符号的定义均引用自 港口工程施 １５４０．８２ｘ２５．０＋１１７９５．２５＋９０５０４０５．８４一——：４９１７．６４ ３ 工手册 。 ／ 第６期 殷诗昌：２００ｔ起重船助浮圆沉箱安装技术 ２９３ 图２不稳定沉箱吊移过程示意图 ｚ：！： 二 （１） Ｐ＋ ＝Ｚ—ａ （２） 图２和式（１）、式（２）中： 为起吊前的定倾半径（ｍ）； Ｂ为起吊前的浮心；Ｇ、Ｃ为沉箱重（沉箱自重和初始压载 重）、重心；Ｗ、Ｂ 为用吊力Ｐ将沉箱吊起高度ｈ（ｍ）后 的浮力、浮心；Ｐ 为吊力Ｐ时的假想定倾半径（ｍ）；Ｂ 为 吊力只浮力 和假定微倾后的假想浮心（实亦即为定倾中 心）； 为浮心Ｂ 至假想浮心 的距离（ｍ）（实亦即为定倾 半径）；口 为浮心 至重心ｃ的距离（ｍ）； 为使用起重 船助浮时的定倾高度； 为海水的重度（ｋＮ／ｍ。）。 在沉箱内压载水高度５．４ｍ，浮船坞下潜到最大下潜深 度２６．５ｍ时，假设起重船用８００ｋＮ吊力来助浮，下面验算 沉箱浮游稳定情况： 加助浮吊力后沉箱的总排水体积 Ｖ：—５０４０５．８４－８００４８３９ ５９ｍ。 —：ｌ０．２５ 加助浮吊力后沉箱吃水 Ｔ：—４８３９５－．９２５５ ．７４－４４．１６——————————————一＋０．７：１８．５４ｍ ｘ９‘ 加助浮吊力后浮心Ｂ ８ ９．５１＋４Ｚ９７＋石×９ ×（１＆５４—０．７１×（１＆５４－－０．７＋０．７１ ＝——————————————————————————— Ｌ————一：９０５ｍ ．４８３９５９ 沉箱顶面到起重船吊点Ｄ垂直高度取２０ｍ ：３０．０５＋２０—９．０５：４１．０ｒｆｌ 浮心Ｂ 至假想浮心Ｂ 的距离 Ｚ：—８００ｘ４１．０＋（５１５０．３—９－４６６．８０）ｘ１０．２５：１．６０ｍ 前面已计算过沉箱重心 ：１０．４３ｍ 浮心Ｂ 至重心ｃ的距离 ａｔ Ｙ－ ＝１０・４３—９－０５＝１．３８ｍ ｃ起重船助浮时的定倾高度 ｍ ＝Ｚ一日 ＝１．６０—１．３８＝０．２２ｍ 按上述同样的计算过程，分别求出不同助浮吊力尸所对 应的 值，列于表３。 表３各箱格内压载水高度５．４ｍ时不同助浮吊力 Ｐ所对应的ｍ 值 助浮吊力Ｐ（ｋＮ） 定倾高度ｍ （ ） 从理论上定倾高度大于０就能够达到浮游稳定，考虑到 起重船和沉箱随浪升、沉时，有可能因升、沉不同步或升、 沉值不相同，吊力变小（变大），而降低沉箱的稳性， 宜取较大值，取 ０．４ ｍ。从表３可知，各箱格内压载 水高度５．４ｍ，助浮吊力尸在１，１００ｋＮ￣１，２００ｋＮ时 ｍ ０．４ｍ，可以满足沉箱浮游稳定要求，且助浮吊力也在 控制范围内。 在上面计算的计算过程中，压载水高度５．４ｍ，当浮船 坞下潜到２６．５ｍ时沉箱底面到垫木顶面是有预留３０ｃｍ的 距离，可以先不考虑预留这３０ｃｍ的距离，这样沉箱出坞前 箱格内可以压载更多水，让沉箱下潜更深一些，到垫木顶面。 计算出此时沉箱各箱格内压载水高度应为５．７６ｍ，沉箱吃水 高度为２６．５．７—０．３５＝１９．１５ｍ，定倾高度ｍ一０．０７ｍ，即 不用助浮力之前浮游稳定仍不满足要求。按照上面同样的步 骤，计算各箱格内压载水高度５．７６ｍ时不同助浮吊力尸所 对应的 值，但与压载水高度５．４ｍ时的情况不同，这里还 需考虑加助浮吊力之后沉箱底面到垫木顶面间的距离Ａｈ （规范中要求要有３０ｃｍ￣５０ｃｍ的距离），主要是考虑沉箱 起吊后受多种因素影响不可能完全呈水平状态，使沉箱底面 不是同时离开垫木。具体计算结果见表４。 表４各箱格内压载水５．７６ｍ时不同助浮吊力Ｐ所对应的ｍ ｊ｝口△南值 注：沉箱底面到垫木顶面距离Ａｈ＝２６．５—７—０．３５一沉箱吃 水深度。 从表４可知，各箱格内压载水高度５．７６ｍ时，助浮吊 力Ｐ在８００ｋＮ￣１，２００ｋＮ时ｍ ＞Ｏ．４ｍ，可以满足浮游稳定 要求，且助浮吊力也在控制范围内，同时沉箱被吊起后沉箱 底面到垫木顶面的距离大于３０ｃｍ。 五、起重船助浮沉箱安装 箱格内压载水不同，起重船助浮时需要的最小助浮力也 不同，考虑到压载水高度５．７６ｍ时需要的最小助浮力更小， 助浮力８００ｋＮ即可满足要求。实际施工中选择出坞前压载 水高度５．７６ｍ，助浮力用１，Ｏ００ｋＮ。沉箱安装时选择在风、 浪、流都较小的条件下进行作业，下面分别对沉箱下潜、起 重船助浮出坞、出坞后加水和就位等过程进行介绍。 （１）进水孔设置 进水孔预留在外壁上，直径２００ｍｍ，距离沉箱底面高 度１２ｍ，低于沉箱未加压载水下潜时吃水深度１４．３２ｍ；中 间１个箱格单独用水泵加水。 （２）沉箱第一次加压载水 浮船坞开始压水下潜到１２ｍ时（指浮船坞底到水面距