星海湾大沉箱方案.doc

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23m×18m×17m。 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69m×44m×17m； 根据丹麦大贝尔特东桥锚碇沉井（平面尺寸为121.5×54.5m）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。- 24 -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4260×4040mm。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：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： P=Awv22gKA=D(T+)，式中：P拖带力（KN）A沉箱受水流阻力的面积（m2）水的重度（KN/m3），w=10.25KN/m3v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，=0.6×H1/10=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：D=4T1=4×444.5×10003.14×60=97.15mm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：2T2cos20°=T1=444.5KN T2=T12cos20°=236.51KN 安全系数K=3.5，根据港口工程手册，选择直径为50mm的6×61钢丝绳，工作时的破断力为297.14KN>236.51KN，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：A=3F2nfy=3×222.25×10002×210=1587.5mm2 拖环直径： D=4A=44.97mm 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：G=BLh海水=44m×69m×0.2m×1.025 t/m³=622.38tF=Gg=622.38×9.8=6099.33KN式中：B沉箱宽度；L沉箱长度；h最大吊高；海水 取1.025t/m³B.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： A=3F2nfy=3×6099.33×10002×6×210=7261.1mm2 吊环直径 D=4A=96.17mm 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：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2580，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： z1+p11g+1v122g=z2+p22g+2v222g+hx 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：v2=2g（z1-z2） 令z1-z2=H，得： v2=2gH 式中：v2为通过进水孔时，水流的流速。则，流量： Q=v2×S=24d2gH 沉箱落地所需要增加的压力为：G=BLh海水=44m×69m×6.8m×10.25 KN/m³=211609.2KN沉箱内压水高程为： h=GS海水=8.01m 压水体积为：V=S·h=20644.8m³按施工要求，需要3小时将水压完，所需保证的最小流量为: Qmin=V/t=1.92m3/s 沉箱沉底之后，内外水头差为： H'=6.8-8.01-7.2=5.99m 由式，初始流速和终止流速分别为： Q初始=24d2gH=0.163m³/s Q终止=24d2gH'=0.153m³/s 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0.150m³/s,结合式，所需压水孔数目为： N=Qmin/Q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)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285m³，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： G=BLh上浮海水=9335.7KN 1h内将水下降30cm需要水泵的数量为（不考虑涨潮影响）： N=GP=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：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72m×47m=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。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：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：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)½+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。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（224m×7m），保证土工布平整，搭接长度为1m。在土工布上浇筑宽为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）。 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)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。 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1t/，即为9.8KN/m³考虑：沉箱底板面积为：S=69+3×44+3=3384m³粘结力为：F=3384×9.8=33163.2KN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：h=FBL海水=33163.244×69×10.25=1.066m综合上述三个因素，如图进行计算：L=l12+(l2+h)2=70.432+5.2062=70.62m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：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。大沉箱安放示意图沉箱位置安装偏差在200mm以内。如不合格，则利用1300t吊船及事先布置在沉箱上的吊点进行起吊，初步确定起吊高度为10cm（不超过20cm）；或采用水泵进行抽水重新安装。四、沉箱物模、数模试验1、物理模型试验沉箱在船坞预制后，沉箱起浮、拖运、安装时的运动状态关系到沉箱及船坞的安全，已委托中交天津港湾工程研究院进行物模试验进行研究。研究的内容包括： 沉箱起浮试验研究沉箱在船坞预制后要把沉箱起浮后拖出船坞，然后再进行海上拖运到安装现场，沉箱起浮时的运动状态关系到沉箱及船坞的安全，为了保证沉箱及船坞的安全，研究沉箱起浮后的运动状态是非常必要的。此项试验有二项研究内容：自由起浮时沉箱的运动状态（包括上下运动及平面运动）系缚起浮时沉箱的运动状态及系缆力 海上浮运试验研究沉箱出坞后，要进行海上浮运把沉箱运到安装现场。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。由于此航线特别是老铁山水道的海况较为复杂恶劣，海上浮运的安全必须保证，所以海上浮运试验研究是非常重要的。此项试验有二项研究内容：在不同拖带方式状态下，沉箱在浮运过程中的运动状态（包括：浮运过程中、在波浪、水流的作用下，沉箱的运动状态及运行轨迹）；在不同拖带方式状态下，沉箱在浮运过程中的拖缆力。 沉箱定位安装试验研究沉箱定位安装将采用两个小沉箱加系缆安装工况，即在沉箱位置处安装两个小沉箱，把超大型沉箱系在两个小沉箱上进行安装。此项的试验研究内容为：采用两个小沉箱加系缆安装工况，在沉箱定位安装过程中，测定在风、浪、流联合作用下，沉箱的运动状态及系缆力。2、数学模型试验数学模型试验的内容包括：(1)拖运工况拖运过程中在不同拖带方式下拖点的受力情况，计算拖点的应力大小及分布情况。分析在拖运工程中受到波浪力作用，最不利情况下的沉箱结构应力大小及分布。 (2)锚锭施工阶段、悬索施工阶段分析锚锭施工、悬索施工过程中在锚锭重力、悬索拉力等最不利情况下的沉箱结构应力大小及分布。