起重船助浮大型圓沉箱半潛駁出運工藝

永泰長榮

以大連港蛤魚灣港區(qū)30萬噸級碼頭工程為實例，詳細(xì)分析了半潛駁下潛區(qū)水深不滿足沉箱浮游穩(wěn)定要求的問 題解決方法，并與營口港30萬噸級原油碼頭工程中的解決方法進(jìn)行對比。實際施工結(jié)果表明，起重船助浮大型沉箱半潛駁  出運工藝是切實可行的。該方法進(jìn)一步完善了原有半潛駁出運沉箱工藝的不足，擴(kuò)展了半潛駁出運沉箱工藝應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：大型圓沉箱；起重船助浮；半潛駁出運；浮游穩(wěn)定

Shipping  of  large-scale   circular  cassion  by   semi-submersible  barge   assisted  by   crane  ship

Abstract:  Taking  the  300000  ton-class  oil  terminal  engineering  of  catfish  bay  in  Dalian  Port  as  an  example,  this paper analyzes the solution for the problem that the largest depth of semi-submersible barge could not meet the request  of  floating  stability  of  large-scale  caisson.A  comparison  with  the  method  of  300000  ton-class  oil  terminal engineering  in  Yingkou  port  is  made.The  result  shows  that  the  technology  of  semi-submersible  barge   shipping large-scale  caisson  assisted  by  crane  ship  is  feasible.This  method  is  an  improvement  of  the   original   shipping technology   for   the   large-scale   caisson   and   had   broadened   the   appliance   field   of   the   semi-submersible   barge

近10年我國北方港口采用半潛駁出運沉箱的 工程逐漸增多1-3。半潛駁在沉箱下水和浮運施工 中均具有明顯優(yōu)勢。半潛駁沉箱下水工藝既適用 于臨時沉箱預(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[14]。海 上運輸沉箱時，采用半潛駁可以較好應(yīng)對狀態(tài)復(fù) 雜的海洋環(huán)境，特別適合運輸大型的或因重心高

導(dǎo)致浮游穩(wěn)定性不足的沉箱!-9。

然而，2008年大連港鯰魚灣港區(qū)30萬噸級原 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，同期營口港30萬噸級原油 碼頭工程也遇到類似難題。2009年9月1日實施的 JTS  167-2—2009《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》         (簡稱規(guī)范)增加了應(yīng)對這種工況的條文：半潛 駁最大潛深不滿足下潛區(qū)水深要求時，沉箱應(yīng)減 少壓載，可采用起重船或浮筒助浮H。但目前起重 船或浮筒助浮半潛駁出運沉箱的工程實例很少。 半潛駁出運沉箱工藝亟需完善。

本研究以大連港鯰魚灣港區(qū)30萬噸級碼頭工 程為實例，詳細(xì)介紹了半潛駁下潛區(qū)水深不滿足 沉箱浮游穩(wěn)定要求時的問題解決方法，并與營口港 30萬噸級原油碼頭工程中的解決方法進(jìn)行對比。

1 工程概況

大連港鲇魚灣港區(qū)22°碼頭為30萬噸級進(jìn)口原 油接卸碼頭，泊位設(shè)計年通過能力為1900萬t,  是 目前國內(nèi)最大的原油接卸碼頭，由1個工作平臺、 4個靠船墩、6個系纜墩、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，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。

表1  壓載前沉箱主要技術(shù)參數(shù)

位置	重力墩編號	沉箱  直徑/m	沉箱  高度/m	沉箱  質(zhì)量/t	重心 高度/m
平臺墩	6°(4個) 1°11*	16.75 16.75	29.20 29.20	3420 3.38	10.32 10.14
系纜墩	2*,3* 9°,10*	16.75 16.75	25.00 22.00	3.060 2830	8.34 7.08
靠船墩	4*.5°,7*,8*	18.00	29.00	3735	10.29

注：加載前將沉箱視為均質(zhì)物體，形心與重心重合。計算質(zhì)量時，例筋混 凝土密度取2500kg/m2。

a)立面圖     b)剖面圖

圖1  鲇魚灣港區(qū)22°原油泊位沉箱

受周圍沉箱預(yù)制場設(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，該船工作參數(shù)為： 長度58m,  寬度36 m,  型深5.5 m,  甲板支撐梁高 1.1m,  工作吃水3.8m,  最大舉力50 MN,最大潛深

23.5m,主甲板最大沉深18m,甲板荷載80 kPa,滿載 水線至最大潛深時間2.25h。

2 沉箱浮游穩(wěn)定分析

根據(jù)8*半潛駁性能，沉箱質(zhì)量為3800t時，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)，浮運過程中14個沉箱的 重心高度最大值為11.42 m, 滿足半潛駁浮運對沉 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，必須按方程(1)驗算沉箱浮游穩(wěn)定性， 同時下潛區(qū)水深需滿足方程(3)要求。沉箱浮游 穩(wěn)定計算結(jié)果列于表2,計算示意見圖2,下潛區(qū) 水深計算結(jié)果見表3,計算示意見圖3。

m=p-a                                           (1)

             (2)

H≥T+h?cos+h?cosa+h?+h?+1;sina                (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；1為沉箱在水面 處的斷面對縱向中心軸的慣性矩；i為第i箱格內(nèi) 壓載水的水面對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； h?為半潛駁的型深； h?為甲 板支撐梁高度； h?為墊塊與沉箱底面間的富裕水 深，取0.3 m;h?  為半潛駁與下潛區(qū)基面的最小富 裕水深，取0.5m;a  為沉箱起浮時半潛駁甲板面與 水面的夾角，本次計算取α=10°; l,為沉箱底面對 應(yīng)的半潛駁長度，如圖3所示。

圖2 沉箱浮游穩(wěn)定計算示意圖

圖3  下潛區(qū)水深計算示意圖

表2和表3計算結(jié)果表明：14個沉箱的定傾高度均 不小于0.2 m,   滿足規(guī)范中關(guān)于沉箱近程浮運的浮

游穩(wěn)定性要求；但此時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個沉 箱也無法正常起浮。采用常規(guī)半潛駁沉箱出運 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工藝值得研究和試驗。

表2 壓載后沉箱浮游穩(wěn)定計算結(jié)果

位置	重力墩編號	壓載類型	壓載高度/m	7/m	V/kg	重心高度/m浮心高度/m		/m	m/m
平臺墩	6°(4個) 1°,11'	壓載水 壓載水	4.4 4.3	17.84 17.56	4139 4077	9.01 8.88	8.51 8.37	0.72 0.73	0.22 0.22
系纜墩	2°,3° 9*,10*	壓載水 壓載水	2.6 1.4	14.67 12.63	344 2990	7.59 6.72	6.94 5.93	0.86 0.99	0.21 0.20
靠船墩	4',5°,7°,8°	壓載水	4.2	17.19	4598	8.87        8.21		0.86	0.20

注：注人壓載水后沉箱形心與重心不再重合。計算時，海水密度取1.025kg/m3。

表3  半潛駁下潛區(qū)水深要求

位置	重力墩編號	H/m
平 臺 墩	6°(4個) ,11	28.85 28.57
系纜墩	2*,3° 9°,10°	25.68 23.64
靠船墩	4°,5,7”,8°	28.52

注：泊位前沿水深為27.0m。

3  起重船助浮大型沉箱半潛駁出運工藝研究

3.1 吊浮計算

首先進(jìn)行沉箱吊浮計算，確定吊點數(shù)量和吊環(huán) 直徑、鋼絲繩直徑和角度等，計算結(jié)果列于表4。 根據(jù)計算，偏于安全的采用700 t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)。

表 4 沉 箱 吊 浮 計 算 結(jié) 果

工程部位	沉箱  直徑/m	壓水/m	吃水/m	吊浮  高度/m	吊浮  質(zhì)量/t	吊點數(shù)	角度Q)	破斷力/ kN	安全系數(shù)	鋼絲繩 直徑/mm	吊環(huán)  直徑/mm
平臺墩	16.75	4.4	17.84	1.3 1.40 1.50 1.60 1,65	293.47 316.05 338.62 361.20  372.48°	6 6 6 6 6	55 55 55 55 55	597.1 643.0 689,0 734.9 757.9	5 5 5 5 5	76.62 79.51 82.30 85.00 86.32	66.70 69.21 71.64 73.99 75.14
系纜墩 (1*,11)	16.75	4.3	17.56	1.10 1.20 1.3 1.40 1.65 0.7 0.8	248.32 270.90 293.47 316.05 372.48° 182.49 208.56	6 6 6 6 6 6 6	55 55 55 55 55 55 55	505.2 551.2 597.1 643.0 757.9 371.3 424.3	5 5 5 5 5 5 5	70.48 73.6 76.62 79.51 86.32 60.42 64.59	61.35 64.08 66.70 69.21 75.14 52.59 56.23
靠船墩	18.0	4.2	17.19	0.9 1.0 1.1 1.24	234.63 260.70 286.77 323.27°	6 6 6 6	55 55 55 55	477,4 530.4 583.5 657.7	5 5 5 5	68.51 72.21 75.74 80.41	59.64 62.86 65.93 70.00

注：1.平臺墩和系纜墩吊高每增加10cm, 吊質(zhì)量增加22.6t;靠船墩吊高每增加10cm, 吊質(zhì)量增加23.2t。2.“”為本工程中700起重 船的吊質(zhì)量限制值。

3.2 主要工序施工方法

根據(jù)氣象資料，確定出運時滿足：風(fēng)速≤ 6級，流速≤1.0m/s, 波高≤1.5m, 視程>1000m。

1)沉箱平移、拖運。

沉箱在預(yù)制場經(jīng)平移上半潛駁后，半潛駁8” 上浮，拖輪系纜拖航。在拖運過程中要注意觀察   半潛駁的縱橫傾變化情況，及時調(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)半潛駁駐位、下潛。

沉箱隨半潛駁拖運至現(xiàn)場半潛駁下潛區(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”,半潛駁拋錨時用民船配合作業(yè)。

3)沉箱壓水。

半潛駁下潛淹沒沉箱進(jìn)水孔時，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)起重船駐位。

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)沉箱停止壓水。

沉箱艙內(nèi)水深達(dá)到計算壓水高度，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。

6)起重船助浮沉箱。

起重船拖兩根纜上沉箱拖環(huán)，鉤頭正對沉箱 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)半潛駁繼續(xù)下潛。

半潛駁開始繼續(xù)下潛，起重船按表4吊浮計算 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)沉箱實際吃水接近穩(wěn)定吃水高度 即沉箱快要浮起時，半潛駁調(diào)平(縱傾和橫傾均 為零)。半潛駁繼續(xù)下潛0.5～1.0 m時沉箱離開半 潛駁，半潛駁可加速下潛，至最大下潛深度23.5m  時停止，起重船逐漸給力到設(shè)計值，使沉箱與半

潛駁脫離30~50 cm,  吊浮過程中嚴(yán)格控制吊船吊 重，禁止超過限制吊重。

8)沉箱浮游穩(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)解開沉箱與起重船、半潛駁的聯(lián)系。

起重船解開船頭八字纜，第1個拖輪進(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個拖 輪靠近，捆好拖纜后，兩個拖輪傍拖沉箱到儲存 場儲存或現(xiàn)場安裝。

3.3 類似工程對比

與大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級原油碼頭工程 同期施工的營口港30萬噸級原油碼頭工程也采用 了鋼筋混凝土圓沉箱，并用半潛駁出運沉箱，同 時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 13.2 m。最終營口港工程中采用半潛駁艏傾下潛加 起重船吊扶出運的方法解決了問題。

大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級原油碼頭工 程與營口港30萬噸級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)量為營口港圓沉箱質(zhì)量的1.35倍，高度高了 近2 m;  最輕的9°和10°沉箱質(zhì)量也超過了2800 t,    比營口港圓沉箱重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)30萬噸級原油碼頭工程和 營口港30萬噸級原油碼頭工程是兩個解決大型沉 箱半潛駁出運問題的成功實例，兩者既可相互印 證，又可以相互補(bǔ)充。兩個工程均完善了特殊工 況下現(xiàn)有的半潛駁出運沉箱工藝的不足，擴(kuò)展了 其應(yīng)用范圍，同時為JTS 167-2—2009《重力式碼 頭設(shè)計與施工規(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的數(shù)據(jù)。

4  結(jié)論

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工藝進(jìn)一步 完善了現(xiàn)有的半潛駁出運沉箱工藝的不足，并擴(kuò) 展了半潛駁出運沉箱工藝應(yīng)用范圍。同時，鲇 魚灣港區(qū)30萬噸級原油碼頭工程也說明，充分 利用現(xiàn)有船機(jī)設(shè)備，大膽進(jìn)行技術(shù)實踐，可顯著 提高沉箱施工能力，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會 效益。

大連港鲇魚灣港區(qū)30萬噸級原油碼頭工程和 營口港30萬噸級原油碼頭工程中遇到的沉箱浮運 問題有相似之處，既可相互印證，又可以相互補(bǔ)

充。這兩個實例證實了JTS 167-2—2009《重力式 碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》中“采用起重船或浮筒助 浮”方法的可行性。

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