半潛駁下潛區(qū)深水不滿足沉箱浮游穩(wěn)定要求的解決方法

半潛駁下潛區(qū)深水不滿足沉箱浮游穩(wěn)定要求的解決方法

在過去10年中，中國(guó)北方港口使用半潛收箱運(yùn)輸工程的數(shù)量有所增加。半潛駁在沉箱下水和浮運(yùn)施工中均具有明顯優(yōu)勢(shì)。半潛駁沉箱下水工藝既適用于臨時(shí)沉箱預(yù)制廠,又可用于固定預(yù)制廠,是滑道、干塢、浮船塢等沉箱工藝的必要補(bǔ)充。海上運(yùn)輸沉箱時(shí),采用半潛駁可以較好應(yīng)對(duì)狀態(tài)復(fù)雜的海洋環(huán)境,特別適合運(yùn)輸大型的或因重心高導(dǎo)致浮游穩(wěn)定性不足的沉箱。然而,2008年大連港鯰魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)原油碼頭工程遇到半潛駁下潛到極限深度后沉箱仍不能正常起浮的問題,同期營(yíng)口港30萬噸級(jí)原油碼頭工程也遇到類似難題。2009年9月1日實(shí)施的JTS167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(簡(jiǎn)稱規(guī)范)增加了應(yīng)對(duì)這種工況的條文:半潛駁最大潛深不滿足下潛區(qū)水深要求時(shí),沉箱應(yīng)減少壓載,可采用起重船或浮筒助浮。但目前起重船或浮筒助浮半潛駁出運(yùn)沉箱的工程實(shí)例很少。半潛駁出運(yùn)沉箱工藝亟需完善。本研究以大連港鯰魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)碼頭工程為實(shí)例,詳細(xì)介紹了半潛駁下潛區(qū)水深不滿足沉箱浮游穩(wěn)定要求時(shí)的問題解決方法,并與營(yíng)口港30萬噸級(jí)原油碼頭工程中的解決方法進(jìn)行對(duì)比。1引橋結(jié)構(gòu)沉箱安裝大連港鲇魚灣港區(qū)22#碼頭為30萬噸級(jí)進(jìn)口原油接卸碼頭,泊位設(shè)計(jì)年通過能力為1900萬t,是目前國(guó)內(nèi)最大的原油接卸碼頭,由1個(gè)工作平臺(tái)、4個(gè)靠船墩、6個(gè)系纜墩、1座引橋組成。這種海中孤立墩式碼頭常優(yōu)先采用鋼筋混凝土圓沉箱作為重力墩。碼頭部分共安裝大型沉箱14個(gè),各沉箱的位置、直徑、高度和質(zhì)量列于表1,立面和剖面見圖1。受周圍沉箱預(yù)制場(chǎng)設(shè)備、海流及風(fēng)速環(huán)境狀態(tài)影響,鲇魚灣港區(qū)自質(zhì)量3000t以上的沉箱一直采用8#半潛駁下水和浮運(yùn),該船工作參數(shù)為:長(zhǎng)度58m,寬度36m,型深5.5m,甲板支撐梁高1.1m,工作吃水3.8m,最大舉力50MN,最大潛深23.5m,主甲板最大沉深18m,甲板荷載80kPa,滿載水線至最大潛深時(shí)間2.25h。2下潛區(qū)地下水深度根據(jù)8#半潛駁性能,沉箱質(zhì)量為3800t時(shí),重心距甲板允許高度為12m,由表1沉箱重心高度和表2甲板支撐梁高度數(shù)據(jù),浮運(yùn)過程中14個(gè)沉箱的重心高度最大值為11.42m,滿足半潛駁浮運(yùn)對(duì)沉箱重心高度的要求。依據(jù)規(guī)范,沉箱靠自身浮游穩(wěn)定時(shí),必須按方程(1)驗(yàn)算沉箱浮游穩(wěn)定性,同時(shí)下潛區(qū)水深需滿足方程(3)要求。沉箱浮游穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果列于表2,計(jì)算示意見圖2,下潛區(qū)水深計(jì)算結(jié)果見表3,計(jì)算示意見圖3。式中:為沉箱定傾半徑,為圖2中定傾中心M至浮心C的距離;m為定傾高度,為圖2中M至中心G的距離;a為圖2中G至C的距離;I為沉箱在水面處的斷面對(duì)縱向中心軸的慣性矩;i為第i箱格內(nèi)壓載水的水面對(duì)該水面縱向中心軸的慣性矩;V為沉箱的排水量;H為下潛區(qū)水深;T為沉箱的浮游穩(wěn)定吃水深度;h1為半潛駁的型深;h2為甲板支撐梁高度;h3為墊塊與沉箱底面間的富裕水深,取0.3m;h4為半潛駁與下潛區(qū)基面的最小富裕水深,取0.5m;α為沉箱起浮時(shí)半潛駁甲板面與水面的夾角,本次計(jì)算取α=10°;l1為沉箱底面對(duì)應(yīng)的半潛駁長(zhǎng)度,如圖3所示。表2和表3計(jì)算結(jié)果表明:14個(gè)沉箱的定傾高度均不小于0.2m,滿足規(guī)范中關(guān)于沉箱近程浮運(yùn)的浮游穩(wěn)定性要求;但此時(shí)1#,4#,5#,6#,7#,8#,11#墩沉箱要求的下潛區(qū)水深大于碼頭前沿水深,施工中即使半潛駁下潛至極限深度,這10個(gè)沉箱也無法正常起浮。采用常規(guī)半潛駁沉箱出運(yùn)工藝已經(jīng)不能滿足工程要求,如果采取港池挖泥措施或換用其它沉箱出運(yùn)方法,則需另行租用船只或改造碼頭,這都將大幅增加沉箱出運(yùn)成本。從經(jīng)濟(jì)和安全兩方面考慮,采用起重船助浮大型沉箱半潛駁出運(yùn)工藝值得研究和試驗(yàn)。3船尾固沉箱半埋面運(yùn)輸技術(shù)研究3.1繩直徑和角度首先進(jìn)行沉箱吊浮計(jì)算,確定吊點(diǎn)數(shù)量和吊環(huán)直徑、鋼絲繩直徑和角度等,計(jì)算結(jié)果列于表4。根據(jù)計(jì)算,偏于安全的采用700t起重船助浮大型圓沉箱、φ94的壓制鋼芯鋼絲繩、φ75的圓鋼吊環(huán),配套使用φ80的卡環(huán)。3.2主要施工方法根據(jù)氣象資料,確定出運(yùn)時(shí)滿足:風(fēng)速≤6級(jí),流速≤1.0m/s,波高≤1.5m,視程>1000m。1．拖輪系纜拖航沉箱在預(yù)制場(chǎng)經(jīng)平移上半潛駁后,半潛駁8#上浮,拖輪系纜拖航。在拖運(yùn)過程中要注意觀察半潛駁的縱橫傾變化情況,及時(shí)調(diào)整壓載水,確保半潛駁及沉箱平穩(wěn),并注意通過調(diào)整航向來降低半潛駁的搖擺度。2半潛和下潛沉箱隨半潛駁拖運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)半潛駁下潛區(qū),下錨駐位后即可開始下潛。要求半潛駁“跨流駐位、順流出箱”,半潛駁拋錨時(shí)用民船配合作業(yè)。3防止重心位置變化半潛駁下潛淹沒沉箱進(jìn)水孔時(shí),沉箱開始自然壓水。沉箱壓水過程中重心位置可能發(fā)生較大變化,要注意調(diào)整半潛駁各艙室進(jìn)水速度克服由于沉箱重心位置變化及不平衡壓載所造成的傾翻力矩。4建造一座沉重的船起重船順流方向開始駐位,船尾下八字錨,船首通八字纜到浮鼓。5下潛口調(diào)查,檢查進(jìn)水孔沉箱艙內(nèi)水深達(dá)到計(jì)算壓水高度,沉箱滿足浮游穩(wěn)定壓水后,半潛駁停止下潛,起重人員關(guān)閉進(jìn)水孔,沉箱停止壓水,檢查進(jìn)水孔是否漏水。若漏水,潛水人員水下封堵。64開始沉重的船，幫助沉沒的盒子起重船拖兩根纜上沉箱拖環(huán),鉤頭正對(duì)沉箱中心,起重人員將起重船鉤頭的鋼絲扣和沉箱吊環(huán)用80t卡環(huán)連接,起重船做吊浮準(zhǔn)備。7拖帶纜繩,先平衡后沉箱半潛駁開始繼續(xù)下潛,起重船按表4吊浮計(jì)算數(shù)據(jù)施加荷載。半潛駁下潛達(dá)到沉箱穩(wěn)定吃水2/3高度時(shí)拖輪靠前,系好拖帶纜繩,注意拖輪不允許碰靠沉箱。當(dāng)沉箱實(shí)際吃水接近穩(wěn)定吃水高度即沉箱快要浮起時(shí),半潛駁調(diào)平(縱傾和橫傾均為零)。半潛駁繼續(xù)下潛0.5～1.0m時(shí)沉箱離開半潛駁,半潛駁可加速下潛,至最大下潛深度23.5m時(shí)停止,起重船逐漸給力到設(shè)計(jì)值,使沉箱與半潛駁脫離30～50cm,吊浮過程中嚴(yán)格控制吊船吊重,禁止超過限制吊重。8沉箱和漂浮時(shí)的穩(wěn)定沉箱順流出箱、被帶出半潛駁后,起重船下落鉤頭,逐步解除吊重,讓沉箱自然漂浮。9綁起鋼纜起重船解開船頭八字纜,第1個(gè)拖輪進(jìn)入沉箱和半潛駁之間,引3根纜和沉箱綁在一起。起重人員解開鉤頭的鋼絲扣,起重船摘掉沉箱拖環(huán)上的兩根纜,起重船絞后錨撤走。在塔樓上的起重人員解除沉箱掛在半潛駁上的另兩根纜繩,第2個(gè)拖輪靠近,捆好拖纜后,兩個(gè)拖輪傍拖沉箱到儲(chǔ)存場(chǎng)儲(chǔ)存或現(xiàn)場(chǎng)安裝。3.3營(yíng)口港工程與大連港魚灣港區(qū)工程的對(duì)比與大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)原油碼頭工程同期施工的營(yíng)口港30萬噸級(jí)原油碼頭工程也采用了鋼筋混凝土圓沉箱,并用半潛駁出運(yùn)沉箱,同時(shí)也遇到了類似的難題:1)沉箱重心高度超出半潛駁許用極限重心高度,導(dǎo)致平潛作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性不能滿足規(guī)范要求;2)沉箱浮游穩(wěn)定吃水17.53m,但半潛駁下潛至最大潛深后沉箱最大吃水也只有13.2m。最終營(yíng)口港工程中采用半潛駁艏傾下潛加起重船吊扶出運(yùn)的方法解決了問題。大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)原油碼頭工程與營(yíng)口港30萬噸級(jí)原油碼頭工程的主要不同之處在于:1)鲇魚灣港區(qū)工程鋼筋混凝土圓沉箱的質(zhì)量更大、高度更高,其中,4#,5#,7#,8#墩沉箱質(zhì)量為營(yíng)口港圓沉箱質(zhì)量的1.35倍,高度高了近2m;最輕的9#和10#沉箱質(zhì)量也超過了2800t,比營(yíng)口港圓沉箱重70t,因此該工程起重船助浮施工難度更高;2)鲇魚灣港區(qū)工程不存在沉箱重心高度超出半潛駁許用極限重心高度的問題,因此施工安全性更高。大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)原油碼頭工程和營(yíng)口港30萬噸級(jí)原油碼頭工程是兩個(gè)解決大型沉箱半潛駁出運(yùn)問題的成功實(shí)例,兩者既可相互印證,又可以相互補(bǔ)充。兩個(gè)工程均完善了特殊工況下現(xiàn)有的半潛駁出運(yùn)沉箱工藝的不足,擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍,同時(shí)為JTS167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中指出的“采用起重船或浮筒助浮”沉箱工藝積累了翔實(shí)的數(shù)據(jù)。4現(xiàn)有技術(shù)對(duì)基本粒子沉箱浮運(yùn)的影響在大連港鲇魚灣港區(qū)使用起重船助浮大型沉箱半潛駁出運(yùn)工藝可以解決半潛駁下潛區(qū)水淺導(dǎo)致的沉箱浮游穩(wěn)定性不足問題。起重船助浮大型沉箱半潛駁出運(yùn)工藝進(jìn)一步完善了現(xiàn)有的半潛駁出運(yùn)沉箱工藝的不足,并擴(kuò)展了半潛駁出運(yùn)沉箱工藝應(yīng)用范圍。同時(shí),鲇魚灣港區(qū)30萬噸級(jí)原