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摘要：本文以芝罘湾港区港区沉箱预制厂改造工程为例，介绍和总结了大型沉箱现场预制场的设计与施工经验，并对影响重力式码头工程向大型化、规模化发展的施工因素进行了探讨。
随着港口建设不断向深水泊位发展，重力式码头沉箱重量已由原来的200t发展到3000t以上，且数量多、工期紧，传统的固定预制场预制已受到投资成本大、建设周期长、运输距离远等制约，适应不了建设的需要。
中图分类号： S611 文献标识码： A
1 工程概况
烟台港芝罘湾港区三突堤43#-46#通用码头工程共有沉箱43个(A型3个，B型40个)，单个沉箱重量约2640、3100吨，沉箱尺寸为A型22660mm×142400mm×16600mm、B型21700mm×16266mm×18900mm，共15个仓格，仓格尺寸A型、B型均为4172mm×3980mm，前墙厚度为400mm，后墙厚度为400mm，侧墙厚度为400mm，隔墙厚度A为250mm、B为250mm、300mm。
2 预制场地选择
根据工程地处海域条件、施工进度、成本等实况。有两个位置可供选比：一是西港区现有沉箱预制厂，二是芝罘湾港区21#泊位及后方场地。
西港区现有沉箱预制厂预制能力完全工程要求。选择该场地虽不需要重新建设预制场但是沉箱托运距离较远、时间较长。经核算沉箱托运费用约20万元/个，总托运费用约800万元。
芝罘湾港区21#泊位场地需经改造方可作为预制场地。改造内容为：码头前沿沉箱出运口改造，沉箱预制台座改造，混凝土拌合站改造等。改造费用约为600万元并且省去沉箱托运时间。
综合考虑后沉箱预制厂选址：芝罘湾港区21#泊位及后方场地。
3 场地设计
3.1 设计原则
场地设计力求节本、高效、安全。设计原则：结合码头生产情况、场地原貌、地质结构资料，统筹安排每道工序施工需用，最大减少对原码头泊船作业的影响及确保结构安全，且恢复原貌快、省；优化大型简易起吊等设备的投入，尽量利用现有机械设备辅助生产，减少材料二次搬运；将气囊搬运和半潜驳有机结合，最大潜能地提高沉箱预制、搬运、安装等工效。
3.2 平面设计
平面设计应做到道路畅通干净，水电到位，文明施工，安全生产。主要包含：
1)沉箱预制台座；
2)沉箱成品堆放场地；
3)出运码头；
4)塔吊（塔吊）：
5)道路及材料堆放场地等；
6)混凝土拌合站场地等。
3.2.1 沉箱预制台座
根据场地面积、沉箱尺寸、模板宽度、施工安全距离、进度计划、起重设备能力等因素确定台座的间距和个数，共有设10个预制台座，底模间距4m，满足装载机等施工机械清理台座用砂及寄放预制沉箱内钢模等施工安全间距。台座基础为现浇连续砼板，板厚30cm，底板顶标高与地面平。
3.2.2 道路及材料堆放场地
沉箱预制台座两侧各布置一台轨道式塔吊，塔吊外布置10m宽模板加工堆放场地兼顾作业通道满足模板的装卸、砼的浇筑。
材料堆放主要是钢筋，钢筋堆放加工设在模板加工区左侧，并且覆盖在塔吊的作业半径内便于装卸及成片网片吊运安装。
沉箱现场预制场平面布置示意图
3.2.3 沉箱堆放
堆放场地当为上驳通道，结合工程进度及沉箱预制进度等，本预制厂布置单独布置沉箱堆放区，由预制台座兼做堆放及上驳通道。将原码头胸墙改造成出运码头后结构安全。沉箱砼强度达到设计要求后，由高压气囊搬运到出运口上驳船。
3.3 塔吊
塔吊选用作业半径覆盖主要材料区，技术参数：塔吊吊距10米内最大吊重10吨，臂长38米，最大轮压75t。行走基础采用钢筋砼轨道梁，高×宽：90cmx60cm，结构配筋，顶部预埋M20螺栓，钢轨顶标高比底板面高1.2cm。
3.4 出运码头设计
出运码头的设计应结合半潜驳的性能确定。本工程使用半潜驳，型长82.6m、型宽33．6m、型深5.5m，船尾搁凳外形尺寸(长×宽×高)：22．8m×1．2m×1．15m，最大举升力5000t，最大沉深载吃水11m。原码头面设计标高4.3m(当地理基)，为了确保每月有更多工作日潮高能满足沉箱能上半潜驳的要求，需降低出运码头顶标高，码头前沿顶标高只能降至+3.98m。在原码头胸墙上开凿改造长52m、高1.5m、宽1.2m驳船搁置平台，按0.8％的纵坡降低出运通道至出运码头前沿，同时对搁置平台作构造处理，保证接触面平整与抗压强度满足要求。
沉箱上半潜驳(出运码头断面)示意图
地牛布设图
3.5 地牛布置
地牛是牵引系统的主要安全保证部位，现浇C25块石砼成型，尺寸(长×宽×深)：3.2m×4m×2.5m。地牛承受力主要是自重、被动土压力、与周边粘结摩擦力等，被动土压力R：82.8t=0.5hLγhtg2(45+ψ/2)，(γ取1.8t／m3，ψ摩擦角取45度。预埋是Φ80mm圆钢作为拉环(顶与地面齐平)力截面积S：5024mm2，圆钢设计拉应力б：270．0N／mm2，拉环承拉力F：135t，安全系数K：2.7=(135／50)， 满足施工安全要求。地牛布设应确保沉箱兩方向均能移动。)
3.6 沉箱上半潜驳
3.6.1 参数确定
驳船空载吃水1．7m，沉箱上驳后再吃水1．04m，调整纵向0.8％坡度，船尾上翘0．54m，此时船尾搁凳处干舷高L：2．3m(4．5—1．7—1．04+0．54)，驳船绞离出运码头富余高度0．2m，驳船绞离码头所需最低高1.83m(3.98—2．3+0．2)。
3.6.2 驳船就位
当潮水涨到1.3rn时驳船岸上带缆，垂直搭靠出运码头，调整船位，船舱压水，使船尾搁凳搁置于码头的承台上(半潜驳保持0.8％纵坡)。做好沉箱上驳的各项准备(沉箱上驳前已搬运至距码头前沿4.0m位置)，当潮位达到1.7m时，绞紧船尾左右缆绳，驳船垂直紧靠码头，开始搬运沉箱上驳。上驳时船体绕搁置位逐渐下沉，船首吃水增加，调船首节压载水，确保整个船体保持水平0.8％纵坡。沉箱上驳时间要控制在2h内，保证整个过程在高平潮前1h完成。
3.6.3 驳船离岸
沉箱搬运到指定位置后，驳船利用潮水上涨和舱内排水上浮绞离出运码头承台，拖轮带航到指定位置定位下潜。
结语
由于工程施工的特殊性与预制场的临时性，应加强环保、安全等方面的管理控制，但沉箱现场预制具有极大优越性，从建场到沉箱预制成型只需2个月时间，极大缩短了施工周期，并摆脱传统沉箱远距离拖运受风浪制约，影响工期、增大成本的致命弱点。底层预制成型需3d(浇筑时吊机配合)，标准层成型需2．5d，整体成型共需13d，通过夜间加强照明，雨天加强防护，机械加强保养，班组作业加强沟通，每层成型施工计划加强跟踪，安全加强教育监督等6大加强措施，在条件相对简单，场地非常狭窄，环境相当恶劣，只投入2台塔吊等情况下基本实现原计划月预制4个沉箱的计划，确保工程总体施工顺利进展。
沉箱分层预制质量可靠，钢筋分层绑扎，网片不易变形；模板轻巧，刚度好，迎风面小，外模单片最重可控制在30t内，易于高空起吊安拆，拓宽了沉箱向高、宽、长方向发展空间。气囊搬运承载力大，对地基及地面要求简单，允许适当变形沉降，耗能小，易于操作，安全可靠，拓宽了沉箱向大规模化发展的空间。半潜驳上沉箱趁潮作业，灵活方便，下潜深且稳定，不需大吨位起重船即可浮吊沉箱定位安装，拓宽了沉箱向大吨位发展的空间。沉箱现场预制无需大型起重设备，无需占用较长的码头岸线，预制场地、运输通道及配套设施投入低，沉箱可随时随地在现场预制。上述制约大规模、大吨位沉箱在现场预制的施工瓶颈基本得到解决，随着计算机科学计算分析水平的进一步发展，建筑材料、工程设计技术的不断改进，重力式码头工程向大型化、规模化、深水泊位化、建设周期快速化发展的空间极大。
随着港口建设不断向深水泊位发展，重力式码头沉箱重量已由原来的200t发展到3000t以上，且数量多、工期紧，传统的固定预制场预制已受到投资成本大、建设周期长、运输距离远等制约，适应不了建设的需要。
中图分类号： S611 文献标识码： A
1 工程概况
烟台港芝罘湾港区三突堤43#-46#通用码头工程共有沉箱43个(A型3个，B型40个)，单个沉箱重量约2640、3100吨，沉箱尺寸为A型22660mm×142400mm×16600mm、B型21700mm×16266mm×18900mm，共15个仓格，仓格尺寸A型、B型均为4172mm×3980mm，前墙厚度为400mm，后墙厚度为400mm，侧墙厚度为400mm，隔墙厚度A为250mm、B为250mm、300mm。
2 预制场地选择
根据工程地处海域条件、施工进度、成本等实况。有两个位置可供选比：一是西港区现有沉箱预制厂，二是芝罘湾港区21#泊位及后方场地。
西港区现有沉箱预制厂预制能力完全工程要求。选择该场地虽不需要重新建设预制场但是沉箱托运距离较远、时间较长。经核算沉箱托运费用约20万元/个，总托运费用约800万元。
芝罘湾港区21#泊位场地需经改造方可作为预制场地。改造内容为：码头前沿沉箱出运口改造，沉箱预制台座改造，混凝土拌合站改造等。改造费用约为600万元并且省去沉箱托运时间。
综合考虑后沉箱预制厂选址：芝罘湾港区21#泊位及后方场地。
3 场地设计
3.1 设计原则
场地设计力求节本、高效、安全。设计原则：结合码头生产情况、场地原貌、地质结构资料，统筹安排每道工序施工需用，最大减少对原码头泊船作业的影响及确保结构安全，且恢复原貌快、省；优化大型简易起吊等设备的投入，尽量利用现有机械设备辅助生产，减少材料二次搬运；将气囊搬运和半潜驳有机结合，最大潜能地提高沉箱预制、搬运、安装等工效。
3.2 平面设计
平面设计应做到道路畅通干净，水电到位，文明施工，安全生产。主要包含：
1)沉箱预制台座；
2)沉箱成品堆放场地；
3)出运码头；
4)塔吊（塔吊）：
5)道路及材料堆放场地等；
6)混凝土拌合站场地等。
3.2.1 沉箱预制台座
根据场地面积、沉箱尺寸、模板宽度、施工安全距离、进度计划、起重设备能力等因素确定台座的间距和个数，共有设10个预制台座，底模间距4m，满足装载机等施工机械清理台座用砂及寄放预制沉箱内钢模等施工安全间距。台座基础为现浇连续砼板，板厚30cm，底板顶标高与地面平。
3.2.2 道路及材料堆放场地
沉箱预制台座两侧各布置一台轨道式塔吊，塔吊外布置10m宽模板加工堆放场地兼顾作业通道满足模板的装卸、砼的浇筑。
材料堆放主要是钢筋，钢筋堆放加工设在模板加工区左侧，并且覆盖在塔吊的作业半径内便于装卸及成片网片吊运安装。
沉箱现场预制场平面布置示意图
3.2.3 沉箱堆放
堆放场地当为上驳通道，结合工程进度及沉箱预制进度等，本预制厂布置单独布置沉箱堆放区，由预制台座兼做堆放及上驳通道。将原码头胸墙改造成出运码头后结构安全。沉箱砼强度达到设计要求后，由高压气囊搬运到出运口上驳船。
3.3 塔吊
塔吊选用作业半径覆盖主要材料区，技术参数：塔吊吊距10米内最大吊重10吨，臂长38米，最大轮压75t。行走基础采用钢筋砼轨道梁，高×宽：90cmx60cm，结构配筋，顶部预埋M20螺栓，钢轨顶标高比底板面高1.2cm。
3.4 出运码头设计
出运码头的设计应结合半潜驳的性能确定。本工程使用半潜驳，型长82.6m、型宽33．6m、型深5.5m，船尾搁凳外形尺寸(长×宽×高)：22．8m×1．2m×1．15m，最大举升力5000t，最大沉深载吃水11m。原码头面设计标高4.3m(当地理基)，为了确保每月有更多工作日潮高能满足沉箱能上半潜驳的要求，需降低出运码头顶标高，码头前沿顶标高只能降至+3.98m。在原码头胸墙上开凿改造长52m、高1.5m、宽1.2m驳船搁置平台，按0.8％的纵坡降低出运通道至出运码头前沿，同时对搁置平台作构造处理，保证接触面平整与抗压强度满足要求。
沉箱上半潜驳(出运码头断面)示意图
地牛布设图
3.5 地牛布置
地牛是牵引系统的主要安全保证部位，现浇C25块石砼成型，尺寸(长×宽×深)：3.2m×4m×2.5m。地牛承受力主要是自重、被动土压力、与周边粘结摩擦力等，被动土压力R：82.8t=0.5hLγhtg2(45+ψ/2)，(γ取1.8t／m3，ψ摩擦角取45度。预埋是Φ80mm圆钢作为拉环(顶与地面齐平)力截面积S：5024mm2，圆钢设计拉应力б：270．0N／mm2，拉环承拉力F：135t，安全系数K：2.7=(135／50)， 满足施工安全要求。地牛布设应确保沉箱兩方向均能移动。)
3.6 沉箱上半潜驳
3.6.1 参数确定
驳船空载吃水1．7m，沉箱上驳后再吃水1．04m，调整纵向0.8％坡度，船尾上翘0．54m，此时船尾搁凳处干舷高L：2．3m(4．5—1．7—1．04+0．54)，驳船绞离出运码头富余高度0．2m，驳船绞离码头所需最低高1.83m(3.98—2．3+0．2)。
3.6.2 驳船就位
当潮水涨到1.3rn时驳船岸上带缆，垂直搭靠出运码头，调整船位，船舱压水，使船尾搁凳搁置于码头的承台上(半潜驳保持0.8％纵坡)。做好沉箱上驳的各项准备(沉箱上驳前已搬运至距码头前沿4.0m位置)，当潮位达到1.7m时，绞紧船尾左右缆绳，驳船垂直紧靠码头，开始搬运沉箱上驳。上驳时船体绕搁置位逐渐下沉，船首吃水增加，调船首节压载水，确保整个船体保持水平0.8％纵坡。沉箱上驳时间要控制在2h内，保证整个过程在高平潮前1h完成。
3.6.3 驳船离岸
沉箱搬运到指定位置后，驳船利用潮水上涨和舱内排水上浮绞离出运码头承台，拖轮带航到指定位置定位下潜。
结语
由于工程施工的特殊性与预制场的临时性，应加强环保、安全等方面的管理控制，但沉箱现场预制具有极大优越性，从建场到沉箱预制成型只需2个月时间，极大缩短了施工周期，并摆脱传统沉箱远距离拖运受风浪制约，影响工期、增大成本的致命弱点。底层预制成型需3d(浇筑时吊机配合)，标准层成型需2．5d，整体成型共需13d，通过夜间加强照明，雨天加强防护，机械加强保养，班组作业加强沟通，每层成型施工计划加强跟踪，安全加强教育监督等6大加强措施，在条件相对简单，场地非常狭窄，环境相当恶劣，只投入2台塔吊等情况下基本实现原计划月预制4个沉箱的计划，确保工程总体施工顺利进展。
沉箱分层预制质量可靠，钢筋分层绑扎，网片不易变形；模板轻巧，刚度好，迎风面小，外模单片最重可控制在30t内，易于高空起吊安拆，拓宽了沉箱向高、宽、长方向发展空间。气囊搬运承载力大，对地基及地面要求简单，允许适当变形沉降，耗能小，易于操作，安全可靠，拓宽了沉箱向大规模化发展的空间。半潜驳上沉箱趁潮作业，灵活方便，下潜深且稳定，不需大吨位起重船即可浮吊沉箱定位安装，拓宽了沉箱向大吨位发展的空间。沉箱现场预制无需大型起重设备，无需占用较长的码头岸线，预制场地、运输通道及配套设施投入低，沉箱可随时随地在现场预制。上述制约大规模、大吨位沉箱在现场预制的施工瓶颈基本得到解决，随着计算机科学计算分析水平的进一步发展，建筑材料、工程设计技术的不断改进，重力式码头工程向大型化、规模化、深水泊位化、建设周期快速化发展的空间极大。