張寶昌，付大偉

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著碼頭、防波堤等海工建筑物不斷向深海區(qū)域延伸，高度27m及以上的6 000噸級大型沉箱逐漸被新的海上建筑物采用。但因國內沉箱出運能力僅限3 000噸級，設計者一般不得不采用兩個3 000噸級沉箱組合成一個沉箱墩，以保證結構物的穩(wěn)定性。青島董家口港深水碼頭及某海軍深水防波堤工程對6 000 t以上大型沉箱都有迫切需求，其他地區(qū)也有類似需求信息。因此，研發(fā)一種出運6 000 t以上大型沉箱新工藝迫在眉睫。

在充分調研國內外各類沉箱出運工藝的基礎上，按照“沉箱頂升、運移合二為一，取消臺座千斤頂溝，能夠出運6 000 t以上大型沉箱，基本實現機械化、自動化操作，且適合在固定的沉箱預制場推廣應用”的方案設計原則，研發(fā)了“膠囊臺車頂升、運移大型沉箱工藝”，并在青島膠南貢口新建的沉箱預制場成功出運了3 000 t、4 800 t和6 000 t大型沉箱。

1 工藝簡介

該工藝主要由膠囊臺車系統(tǒng)、膠囊注水系統(tǒng)、液壓頂推系統(tǒng)三部分組成。其中，高壓膠囊注水頂升沉箱是開發(fā)的核心技術，高壓注水膠囊與臺車共同組成頂升、運移系統(tǒng)，從而使頂升和運移合二為一，是這項技術研發(fā)的主體，與之配套的膠囊注水系統(tǒng)和大推力液壓夾軌器頂推系統(tǒng)，則是研發(fā)的技術工藝系統(tǒng)能正常、自動運轉的動力保證。

1.1 膠囊臺車系統(tǒng)

膠囊臺車系統(tǒng)由臺車和高壓注水膠囊兩部分組成，如圖1所示。

1.1.1 臺車

臺車系統(tǒng)由活塞、支撐墊塊、活塞腔和車架4部分組成。當滿足頂升、運移6 000 t及以上大型沉箱的工藝要求，以及高壓注水膠囊的結構尺寸要求，臺車按單元結構進行設計，每節(jié)長2 800mm，設計正常使用荷載300 t，最大使用荷載500 t，如圖2所示。

圖1 膠囊臺車系統(tǒng)示意圖

圖2 膠囊臺車單元結構車架組裝斷面圖

根據沉箱不同重量和尺寸，由多節(jié)臺車單元進行組合，并通過螺栓連接成兩列，實現頂升和運移沉箱合二為一的目的。其中車架主要作用是承擔上部荷載運移沉箱?；钊患盎钊M成一個密閉的空箱，把一個特制膠囊置于空箱內，通過向膠囊注水而把水壓力轉化為頂升力實現頂升沉箱的目的；為了使每節(jié)臺車受力均勻及適應運移軌道可能存在的微小高差，活塞頂面粘貼15mm橡膠板。沉箱頂升之后，支撐墊塊迅速移入活塞翼板下，實現沉箱重量轉由支撐墊塊承受，確保沉箱在運移過程中平穩(wěn)，避免注水膠囊受動荷載作用，減少其承受高壓的時間。

1.1.2 高壓注水膠囊

沉箱頂升是通過向置于活塞腔內的特制膠囊注水膨脹來實現的，所以膠囊能否耐受高壓膨脹而不破壞最為關鍵。為確保膠囊的可靠性，首先對多種不同材料組分的橡膠進行抗疲勞拉伸試驗，在初步確定膠囊的材料組分、結構尺寸、加工工藝等后，按1∶1比例摸擬膠囊實際工作狀態(tài)進行試驗。

1.2 膠囊注水系統(tǒng)

膠囊注水系統(tǒng)由電控部分、水動力保障部分和注水管路3部分組成。其中電控部分主要功能是有效控制系統(tǒng)注水、放水及顯示系統(tǒng)內工作水壓力、工作電壓和電流，對頂升過程實施集中監(jiān)控。水動力保障部分是注水系統(tǒng)的核心，如圖3所示，位于移動控制車內，主要由4臺并聯(lián)高壓柱塞泵、2個串聯(lián)的2m3水箱、4個分水器、多個聯(lián)絡和放水閥構成。該系統(tǒng)可以全面實現向所有臺車、任意臺車組合同時注水、放水。注水管路部分由主管線和橡膠高壓軟管連接組成，為實現任何臺車可單獨注水，每個單元臺車通過分水器由單獨1根管線供水，并附設在每節(jié)臺車活塞腔側壁上，出運不同重量沉箱每列臺車組的單元臺車節(jié)數不同，但都可實現單線供水。

圖3 注水系統(tǒng)核心部分示意圖

1.3 液壓頂推系統(tǒng)

液壓頂推系統(tǒng)用來驅動膠囊臺車水平運移沉箱上船，取代傳統(tǒng)的卷揚機牽引系統(tǒng)，主要由夾軌器油缸頂推裝置、液壓泵站和電控儀表3部分構成，如圖4所示。其中頂推裝置由油缸和夾軌器前后鉸接成一體，每套裝置設計最大頂推力100 t，運行速度1.5 m/min。夾軌器專門為QU100斜面軌設計，最大頂推力100 t，具有自調功能以保證齒條與鋼軌兩側斜面有效接觸，實現止退自鎖以頂推臺車。液壓泵站和電控儀表與注水系統(tǒng)都裝置于同一個控制車內，與臺車組同時進退，統(tǒng)一協(xié)調操作整個頂升、運移作業(yè)。

圖4 液壓頂推系統(tǒng)示意圖

2 技術方案

“膠囊臺車頂升、運移大型沉箱工藝”于2009年9月首次應用于青島膠南貢口新建沉箱預制場。預制場位于青島市膠南董家口港區(qū)，現布置2條平行沉箱預制生產線，每條線臺座長240m，寬28m。

整個工藝實施首先按照膠囊臺車標準節(jié)和調節(jié)段長度，根據沉箱重量及平行臺座尺寸確定每列臺車組裝節(jié)數，沉箱頂升時每列臺車對稱布置在沉箱下面，一般出運3 000噸級沉箱每列需6節(jié)，6 000噸級沉箱每列需11節(jié)。

為方便、有效控制膠囊臺車頂升和運移沉箱，將水泵、水箱、液壓泵站及電控系統(tǒng)操作臺等動力系統(tǒng)統(tǒng)一安裝在專用移動控制車內，水、油管線分別與溝內膠囊臺車和油缸連接，構成完整的作業(yè)動力系統(tǒng)。移動控制車安放在與每列臺車組后端連接的支撐架上，且隨沉箱同步前移至臺座前沿座底半潛駁7號船上，該工藝如圖5所示。

圖5 沉箱出運新工藝示意圖

2.1 工藝流程

采用膠囊臺車頂升、運移大型沉箱即是將在臺座上預制完成的沉箱運移至臺座前沿座底半潛駁7號船上，具體工藝流程為：膠囊臺車組裝、就位→膠囊注水第一次頂升沉箱→移動支撐墊塊沉箱座落在支撐墊塊上→運移沉箱至半潛駁7號就位→第二次注水頂起沉箱→移動支撐墊塊回原位→沉箱座落在船甲板墊梁上→膠囊臺車回程吊移溝蓋板進入下一個出運沉箱底部就位→循環(huán)往復。

2.2 膠囊臺車組裝、就位

按照確定的節(jié)數將臺車單元組裝成相同的兩列臺車組，同時將各臺車單元的支撐墊塊通過連接板連接成整體?？刂栖囍渭芗皧A軌器頂推裝置安裝好后，牽引臺車組至擬出運的沉箱底部就位，連接好水、油管線等待頂升沉箱。

2.3 沉箱第一次頂升

通過電控系統(tǒng)設好膠囊壓力，操作人員同時啟動4臺水泵，通過分水器分別向各臺車活塞腔內的膠囊注水，活塞升起，沉箱連同溝蓋板一起被頂升，當沉箱頂起離開臺座地坪90mm左右時，即臺車活塞翼板支撐點高出支撐墊塊頂面10mm以上時停止注水，利用每列臺車組前后兩端設置的液壓手動千斤頂推拉裝置整體移動支撐墊塊至活塞翼板支撐點下方，放水卸載，沉箱回落由臺車墊塊支撐，此時沉箱離開臺座地坪70mm左右，完成沉箱第一次頂升全過程。

2.4 沉箱頂推運移

沉箱第一次頂升完成后，利用安裝在每列臺車后端的夾軌器油缸頂推裝置在電動液壓泵站的驅動下以1.0m/min的速度將沉箱從臺座向前運移至坐底半潛駁上。其中頂推3 000 t以內沉箱采用2套頂推裝置，頂推6 000 t及以上沉箱采用4套頂推裝置。

2.5 第二次頂升

沉箱第二次頂升是在船上進行，目的是撤出臺車，實現膠囊臺車陸上頂升、運移沉箱和船舶海上運載沉箱下水各自獨立作業(yè)，提高出運效率。

操作人員再次啟動水泵向膠囊注水，當沉箱被頂起15 mm左右時，即膠囊臺車所有活塞支撐點離開滑塊頂面超過10mm以上時，停止注水，啟動臺車后端推拉裝置，將支撐墊塊移回原位，打開電動放水球閥放水，沉箱回落至半潛駁的墊梁上，二次頂升結束。

2.6 膠囊臺車回程

拔開移動控制車和膠囊臺車之間水管線快速接頭，利用專用吊架將移動控制車吊移到臺座上。安放夾軌器下方的回程移動小車，利用臺座后端的卷揚機將兩列臺車及夾軌器油缸頂推裝置從船上沉箱下面牽引至臺座內，至此整個實施過程結束。

3 工藝實施效果

2009年9月本工藝在青島膠南貢口新建沉箱預制場首次重載試車成功后，即進入工程實用階段。工藝系統(tǒng)經過了不斷改進、優(yōu)化，運行過程監(jiān)控表明，各系統(tǒng)協(xié)調聯(lián)動狀況良好，設備運轉正常，施工按流程順利銜接運行，被運沉箱構件穩(wěn)定安全。

至2010年6月25日，采用該工藝為魯能集團在建碼頭成功出運2 700 t沉箱25個，1 550 t沉箱16個，為某海軍工程出運4 800 t沉箱14個，為青島港集團出運6 000 t沉箱15個，證明“膠囊臺車頂升、運移大型沉箱工藝”是成功的。

4 主要成果和創(chuàng)新點

1）該工藝首創(chuàng)高壓注水膠囊及配套臺車，取消了臺座千斤頂溝，將膠囊和臺車合二為一，使頂升和運移兩項作業(yè)由一套設備連續(xù)完成，從而改變了由聯(lián)動的多臺千斤頂頂升、撬車運移裝船的傳統(tǒng)工藝。

2）創(chuàng)新地采用齒型滑動墊塊支撐結構實現了荷載在膠囊與墊塊之間的快速轉移，保證了沉箱運移的穩(wěn)定性和安全性。

3）首次采用在移動控制車內集中控制大型構件頂升、運移、上船三大作業(yè)，實現了構件出運機械化、自動化。

4）解決了頂升、運移設備不需隨船下水的關鍵技術問題，提高了沉箱出運效率和預制場周轉率。且投入人員和設備少、自動化程度高、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、效率高、成本低。

5）提升了各類超大型沉箱等構件的預制、出運重量，在普通沉箱預制場可預制、出運百噸級至萬噸級沉箱等各類預制構件，促進了港口、海岸和海洋工程結構向大型化發(fā)展，對于提高外海深水建筑物建設水平具有重要意義。

5 推廣應用前景

膠囊臺車頂升、運移大型沉箱工藝是沉箱出運工藝的一次質的飛躍，對縮短各類沉箱構筑物的建設工期和提高運移安全穩(wěn)定性提供了重要的技術保證，推廣應用前景廣闊。

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