箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法操作原理

箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法适用范围

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的适用范围有：

1.箱筒型结构适用于类似天津港地质泥面低于-4.0米的软土地基，此种地基上建造斜坡堤、混合堤或半圆形等结构形式防波堤可能造成地基不稳定或结构不稳定。

2.箱筒型结构采用负压沉入土体中，没有抛石基床，所以对块石、砂子等原材料紧缺的地区有较大的适应性，体现一定经济性。

3.气浮拖运与负压下沉工艺适用于箱筒型基础防波堤的施工。

箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法工艺原理

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的工艺原理叙述如下：

1.气浮拖运：箱筒型基础结构为有顶盖无底的大型构件，靠自身排水不能满足气浮要求。通过向密闭的构件内打入压缩空气。靠压缩空气与外界大气压强的压强差所产生的浮力，将箱筒型基础构件气浮后由拖轮拖运至工程位置。

2.负压下沉：箱筒型基础结构沉入土中，仅靠结构自重，无法满足沉人深度要求。需要从密闭的结构内排气抽水，使筒内外形成压差而克服摩阻力，自行沉入土体中，满足设计要求。

箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法施工工艺

天津港防波堤延伸一期工程及箱筒型防波堤试验工程均采用了气浮拖运与负压下沉施工工艺来完成箱筒型防波堤的外海施工。

• 箱筒结构

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的箱筒型基础防波堤结构由上下两部分组成，下部为箱简型基础结构，上部为直立圆筒结构。防波堤结构立体图见图1，平面图见图2。

具体结构如下：

下部基础结构：由四个形状相同的圆筒组成，圆简间用连接墙连接。四个圆筒上有顶盖板，盖板四角为圆弧状。

上部结构：则由两个单筒组成，其形状与基础筒相近，两圆简间用耳墙连接。

上部结构与基础结构间用杯口圈梁现浇混凝土结构连接为整体。

• 箱筒结构气浮拖运工艺流程

一、《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的箱筒结构气浮拖运工艺流程见图3。

二、箱筒型基础结构于浮船坞上拼接完毕后，拖运到适宜地点驻位下潜，并将载有空压机的充

气驳靠在浮船坞一侧。平面布置图见图4。

三、连接充气管道

1.将提前盘好在箱简型基础结构上的橡胶软管引向充气驳，施工过程中应避免严重磨损，及弯折现象，并保证胶管顺直地通到自航驳上。确保充气时气流顺畅。

2.将橡胶软管通到自航驳后，将带有编号的胶管与相应的空压机接口对接。连接后进行检查，保证接口气闭严密，编号对应正确。

3.充气驳试验性的将空压机按编号依次打开充气，基础结构上的指挥人员检验相应编号胶管内气体流动是否正常。发现异常时，应安排专人对胶管及管件连接处检查和维修。全部正常后，可关闭空压机，等待下步气浮施工。

四、连接控制缆绳

1.在4个下部基础结构的圆筒顶预埋的吊点上系好缆绳。并通缆到浮船坞坞墙顶部相应位置的系船柱上。

2.每个系船柱安排2人控制缆绳的收放。并配备有通信工具，与基础结构上指挥人员联系。将缆绳系紧后，应仔细检查。当4根控制缆全部连接完毕后，方可进行下步施工。

3.对浮船坞甲板进行清理工作。

五、基础结构气浮

1.掌握该海区的潮水及水深情况，必要时结构下潜与拖航施工等可乘潮作业。

2.浮船坞开始向水仓压载缓慢下沉，并注意控制好船体的平衡。下潜时应密切注意船底雷达，当浮船坞的船底钢板离泥面还有0.6米的距离时，立即停止充水下沉。

3.下潜到位后。打开空压机同时向4个下部基础结构的圆筒内充气。在向第一组基础结构内充气的同时，应向浮船坞相应的位置水仓压载，使浮船坞的甲板保持水平。

4.充气过程中，自航驳上观测人员应密切关注基础结构。在基础结构浮起的瞬间，停止向圆筒内充气，并仔细观察结构偏斜情况，然后及时指挥圆筒上人员调节阀门，再对相应基础圆筒内充气，将基础结构调平。

5.下部基础结构浮起时，浮船坞坞墙上人员应及时控制好浮船坞与基础结构连接的4根绳缆，避免基础结构在水流的推动下撞向浮船坞的坞墙。

6.当基础结构状态稳定后。则继续缓慢向构件内充气令其浮起至筒底高出浮船坞船甲板50厘米。

六、下部结构移出浮船坞

1.筒上人员将事先盘好放置在结构上的拖带缆绳给交通船，由交通船向待命拖轮通缆。

2.拖轮启动后，通过收缩基础结构上与浮船坞连接的绳缆，控制箱筒基础结构，确保拖轮缓慢并平稳的将基础结构牵出浮船坞。

箱筒牵出浮船坞平面图见图5。

3.待结构完全移出浮船坞后，基础结构上施工人员将4根控制缆松开，由浮船坞人员带回。拖轮拖运基础结构缓慢的驶向定位船。

七、基础结构的拖运

气浮拖运过程的技术参数：

为确保气浮拖运过程的安全，必须进行浮游稳定验算，确保结构吃水深度；拖带航速不宜大于2节，拖带力按F=Aγ_wV²/2g公式计算（A为迎水面积，γ_w海水容重，V航速），拖缆根据计算拖带力选择相应直径的尼龙缆，拖点位置设在筒体间竖向连接墙上，两侧各1个，采用钢板焊接。

拖运过程中基础结构两边各有1条监护船护航，观测人员注意观察基础筒壁上的水位刻度线，当发现结构倾斜严重时，应及时通过充气驳上空压机进行补气。

• 筒结构的定位及下沉工艺流程

一、《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的筒结构的定位及下沉工艺流程见图6。

二、基础结构的定位

1.采用适宜的方驳作为定位船，并在箱简型基础结构到达之前，使用GPS现场精确定位。

2.当箱筒型基础结构拖运接近定位方驳时，主拖轮解缆，由拖轮顶推基础结构向定位方驳靠拢。交通船同时通两根尼龙缆，连接基础结构与定位船的锚机或对应的卷扬机，可利用该缆绳的收放，控制基础结构靠向定位方驳。

3.箱筒型基础结构靠稳后，操作定位船的锚机或卷扬机，利用与基础结构连接的尼龙缆，精确定位基础结构的一个方向位置。另一方向根据方驳定位点进行定位。定位示意图见图7。

三、基础结构的下沉

1.当基础结构定位确认无误后，船上人员将充气橡胶软管拆除，将抽气橡胶软管接在潜水排污泵排气阀门上，并使基础结构顶板上的排气阀门处于打开状态。操作人员完成准备工作，确认无误后，全部回到定位船上，再通过控制定位船这端的排气阀门进行排气。以此实现在定位船上对排气自沉及负压下沉施工进行控制，达到减少安全隐患，提高工作效率的目的。箱筒下沉时示意图见图8。

2.由悬浮状态下沉至泥面上30厘米时，操作人员关闭排气阀门，停止排气，测量人员再次通过GPS精确定位，基础结构位置满足设计要求后，再次打开阀门排气，沉入土下。人土后将筒顶尼龙缆解开并收回船上。

3.由于原泥面的高差及土质不均，基础结构入土下沉会产生倾斜位移。仔细观察筒壁上水位刻度线，如高差超过10厘米，应关闭相应部位的阀门进行调整，确保箱筒基础结构顺直平稳的完成第一阶段自重下沉。

四、基础结构负压下沉

1.完成上述工作后，启动潜水排污泵，进行抽水负压下沉，基础结构下沉小的一侧先启动潜水排污泵，下沉大的一侧后启动，不间断的观测筒壁水位刻度线，随时反馈，通过泵系的控制，随时调整各台泵开关，确保结构的均衡下沉，直至接近设计标高。

2.当潜水排污泵出口处无水排出并有泥浆出现，即可关闭各潜水排污泵。当潮位达到日最高潮时，再次开启泵系，通过大气压力和日最大水深压力的组合作用检验基础结构是否继续下沉，维持30～60分钟，如果基础结构保持不动，则下沉结束。

• 工艺先进性和创新点

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的工艺先进性和创新点有：

一、与传统沉箱的拖航方法比较，此工艺采用气压平衡基础结构自重的拖航方法独特、新颖，有较强可操作性。

二、采用负压法来充分利用大气压力，其产生的下沉力可达到总下沉阻力的2.2~2.8倍，消耗能源少。

三、利用潜水排污泵箱系统，将负压下沉施工转移到定位方驳上。方便人员施工操作和对下沉质量的控制。

四、通过启闭设置在方驳上相应编号的潜水排污泵阀门调整箱筒基础结构下沉速率，并可以有效地调平和纠偏，达到控制（标高、倾斜、偏位）下沉。

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的工法特点是：

1.与传统防波堤比较，箱筒型基础结构防波堤有着显著的区别。箱筒结构拖航采用向构件内充气，以压缩气体平衡自重的方法浮运；此种结构为插入式新型防波堤，其基础结构部分通过负压沉入土体中。

2.针对新型结构的不同，采用的气浮拖运与负压下沉工艺为全新的施工工艺，完全自主创新。

3.箱简型结构采用在后方预制、拼接成型，通过海上气浮拖运、负压下沉一次性施工建成防波堤。与传统施工方法相比具有施工速度快，工程质量好，工程成本低等优点。

在天津港的发展规划中，需要建造大量的防波堤及围埝工程。但天津港的海底表层及浅层土为淤泥和淤泥质黏土。土体的物理力学指标较差。当防波堤和围埝工程向深水区发展时，现采用的传统抛石堤、或抛石基床和半圆体结构的混合堤对天津港软土地基的适应能力有限，随着防波堤向深水段的延伸，原结构形式防波堤的稳定性、可行性、经济性都越来越不满足发展的要求。2001年初，天津港集团公司组织天津大学建筑工程学院港口工程系、中港第一航务工程局和中交第一航务工程勘察设计院开展了新型基础防波堤结构的研究和工程试验工作，最终开发出新型插入式箱筒型基础防波堤结构。在2003年该新型结构的试验工程施工中一航局率先采用了一系列的新技术，如气浮运输技术、负压下沉技术、利用结构自身的特性进行纠偏技术等。

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》施工中未使用特殊材料，阀门管件均为国家标准铁件。

施工中使用的船机设备有4台10立方米空压机、5台潜水排污泵、1台发电机、1条自航驳、3条交通船、3条拖轮，1条定位方驳。以天津港南疆东部港区北围埝三期工程为例，其设备参数见表1。

一、施工质量标准

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的箱筒型基础结构属新型结构，还没有相应的施工规范标准。

根据工程实际施工情况看，箱简型结构气浮定位，排气自沉都能较好的控制。但在负压下沉时。由于沉入土体过程中摩阻力不均匀，会出现偏差。尽管过程中可通过阀门控制对其纠偏，但最终下沉结束后仍会有一定的偏位。

根据实际工程情况，制定并推行了箱筒型结构的外海安装施工质量标准。

二、技术组织措施

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的技术组织措施有：

1.连接充气管路后，应预先充气检测，确保气管通畅并无明显漏气。

2.气浮拖运时筒上人员用压力表适时检测筒内气压。

3.在各基础筒壁上划好刻度线，监护船随时观察浮运时结构吃水深度，低于要求时应及时补气。

4.箱简型基础结构初定位后，有专人用钢尺校核两组箱筒间的距离，保证其不大于15厘米。

5.GPS定位必须进行2次精确定位后，才能最终自沉入土。

6.箱筒结构下沉过程中密切观察筒壁刻度线，各筒水位线相差较大时，立即调节相应阀门，控制各基础结构的圆筒下沉速率，对其进行纠偏。

7.负压下沉过程中，当见有泥浆排出时，方可关闭潜水排污泵。

根据《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》工艺要求，在气浮拖航施工过程中，大量工作需要施工人员在上部基础结构顶盖板上进行，属高处作业和水上作业。应遵守注意下列安全措施：

1.指定专人收听天气预报，异常恶劣天气停止施工作业，并采取应急预案，保证船舶安全。

2.施工人员必须穿好防滑鞋和救生衣，佩戴安全帽。

3.箱筒顶盖板上属高处作业，在外边缘位置预留孔。插入钢管制做成护栏，提高高处作业安全性。

4.所有机电设备应有防雨罩，电源开关设专人负责。

5.作业人员上基础结构顶板前，有专人检查铁梯牢固度，不符合要求时应及时更换。

6.传递倒运充气管时，应至少在距简边缘1.5米处作业，没有保护措施时不得探身俯视。

7.箱筒结构拖航时，顶板上施工人员应靠近结构中心就位。防止结构突然产生摇晃，人员高空坠海。

8.夜间施工时，设置充足照明设备。电气设施、电缆要加以保护，防止触电。机电设备均配备防雨布罩。

9.监护船全程监护箱筒结构拖运全过程。船上配备救生器具，用于紧急情况时的救援工作。

10.在箱筒基础结构下沉过程中，施工人员转移到方驳上作业，降低施工危险性。

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的环保措施如下：

1.施工船舶作业时严格执行《中华人民共和国防止船舶污染海域管理条例》，在船上设立专用油污水舱（柜）来装油和污水。

2.海上施工时严禁船舶将油污排泄到水中。对机电设备所用的柴油应密封严紧，更换破旧容器，保证无油气泄漏，不污染海洋。

3.施工船舶和机电设备要做到定期检查、维修保养，防止设备漏油污染环境。

4.指定专人定期到各船收集生活垃圾，禁止将生活垃圾扔人海中。生活及工作产生的废水一律回收，集中处理。

5.按国家规定油类作业操作规程进行油类作业，防止溢油、跑油、漏油事故发生。

6.若发生漏油等意外事故，应及时采取清除措施，并同时向海事部门报告，防止扩大海洋污染。

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的效益分析如下：

一、经济效益分析

天津港已建的深水防波堤工程中，半圆体结构型式综合单价为12.7万元/米。而箱筒结构形式综合单价为12.1万元/米。仅1千米防波堤就可节省约600万。

注：施工费用以2005-2006年施工材料价格计算

二、社会效益分析

箱筒型基础结构适用于深水淤泥质软土地基上建造防波堤。天津港广泛采用的半圆体结构防波堤在-4.0米以内水深有较好的经济性，但在超过-4.0米水深的软基上，半圆体型防波堤在结构稳定耐久和经济效益方面均低于箱筒型基础结构防波堤。

中交第一航务工程勘察设计院编撰的《天津港防波堤延伸工程初步设计》中，对半圆体型、箱筒型基础结构、半圆形构件填砂等结构做了比较。最终明确指出在-4.3～4.9米处推荐建造钢筋混凝土箱筒型基础结构防波堤。新型防波堤结构可运用于建造防波堤，围埝等，其具有前景。

气浮拖运与负压下沉工艺为针对箱筒型基础结构而开发的新型施工工艺。从实际工程分析，从结构拖运到下沉完毕，仅需要24小时。与传统软土地基建造防波堤中基床抛石，整平等施工工艺相比，其外海作业时间短，效率高，成本低。

气浮拖运与负压下沉工艺充分运用了大气压强的原理形成动力，相比震动下沉等工艺安装质量高，且节约能源，具有一定优越性。

在箱简型基础结构防波堤的市场前景下，气浮拖运与负压下沉施工技术的成功开发对新型结构的推广具有意义。

《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》的应用实例如下：

2003年11月至2004年6月，首次运用了气浮拖运与负压下沉施工技术完成了箱筒型基础结构防波堤试验工程的箱筒结构安装。此工程位于天津港北大防波堤以东，共有3组箱筒试验结构。

天津港北防波堤延伸工程长3.32千米，共119组。2005年11月至2006年3月，完成了箱简基础结构防波堤典型施工工程。此工程位于北防波堤延伸工程东段，共4组箱筒结构，其中单组箱筒型基础结构总重近2800吨。此工程主体箱筒结构也运用此工法顺利地完成了安装。

天津港南疆东部港区箱筒型基础防波堤工程建设2.10千米，共74组。其中2006年8月份开工的天津港南疆东部港区北围埝三期工程，属在建工程。其位于天津港南疆港区以东，共需沉放安装50组箱筒结构，围埝总长约1.4千米，单组箱筒总重已达3270吨。

2008年1月31日，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2005-2006年度国家级工法的通知》建质[2008]22号，《箱筒型基础结构气浮拖运与负压下沉工法》被评定为2005-2006年度国家一级工法。 2100433B

《带肋冷却塔筒壁施工工法》的工法特点是：

1.在原有普通双曲线冷却塔筒壁施工技术的基础上，重点对带肋双曲线筒壁的模板体系进行了改进，形成了自有的专利技术。

2.将3D数字信息新技术应用于模板排版效果设计中；确保带肋塔的外观效果。

3.由于带肋筒壁的混凝土浇筑量较普通水塔的大，采用了先进的垂直运输机械——平桥和直线电梯配合，解决了带肋塔筒壁的钢筋储运和混凝土浇筑等施工需要。