胶囊台车顶升与运移大型沉箱工艺

张宝昌，付大伟

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

随着码头、防波堤等海工建筑物不断向深海区域延伸，高度27m及以上的6 000吨级大型沉箱逐渐被新的海上建筑物采用。但因国内沉箱出运能力仅限3 000吨级，设计者一般不得不采用两个3 000吨级沉箱组合成一个沉箱墩，以保证结构物的稳定性。青岛董家口港深水码头及某海军深水防波堤工程对6 000 t以上大型沉箱都有迫切需求，其他地区也有类似需求信息。因此，研发一种出运6 000 t以上大型沉箱新工艺迫在眉睫。

在充分调研国内外各类沉箱出运工艺的基础上，按照“沉箱顶升、运移合二为一，取消台座千斤顶沟，能够出运6 000 t以上大型沉箱，基本实现机械化、自动化操作，且适合在固定的沉箱预制场推广应用”的方案设计原则，研发了“胶囊台车顶升、运移大型沉箱工艺”，并在青岛胶南贡口新建的沉箱预制场成功出运了3 000 t、4 800 t和6 000 t大型沉箱。

1 工艺简介

该工艺主要由胶囊台车系统、胶囊注水系统、液压顶推系统三部分组成。其中，高压胶囊注水顶升沉箱是开发的核心技术，高压注水胶囊与台车共同组成顶升、运移系统，从而使顶升和运移合二为一，是这项技术研发的主体，与之配套的胶囊注水系统和大推力液压夹轨器顶推系统，则是研发的技术工艺系统能正常、自动运转的动力保证。

1.1 胶囊台车系统

胶囊台车系统由台车和高压注水胶囊两部分组成，如图1所示。

1.1.1 台车

台车系统由活塞、支撑垫块、活塞腔和车架4部分组成。当满足顶升、运移6 000 t及以上大型沉箱的工艺要求，以及高压注水胶囊的结构尺寸要求，台车按单元结构进行设计，每节长2 800mm，设计正常使用荷载300 t，最大使用荷载500 t，如图2所示。

图1 胶囊台车系统示意图

图2 胶囊台车单元结构车架组装断面图

根据沉箱不同重量和尺寸，由多节台车单元进行组合，并通过螺栓连接成两列，实现顶升和运移沉箱合二为一的目的。其中车架主要作用是承担上部荷载运移沉箱。活塞腔及活塞组成一个密闭的空箱，把一个特制胶囊置于空箱内，通过向胶囊注水而把水压力转化为顶升力实现顶升沉箱的目的；为了使每节台车受力均匀及适应运移轨道可能存在的微小高差，活塞顶面粘贴15mm橡胶板。沉箱顶升之后，支撑垫块迅速移入活塞翼板下，实现沉箱重量转由支撑垫块承受，确保沉箱在运移过程中平稳，避免注水胶囊受动荷载作用，减少其承受高压的时间。

1.1.2 高压注水胶囊

沉箱顶升是通过向置于活塞腔内的特制胶囊注水膨胀来实现的，所以胶囊能否耐受高压膨胀而不破坏最为关键。为确保胶囊的可靠性，首先对多种不同材料组分的橡胶进行抗疲劳拉伸试验，在初步确定胶囊的材料组分、结构尺寸、加工工艺等后，按1∶1比例摸拟胶囊实际工作状态进行试验。

1.2 胶囊注水系统

胶囊注水系统由电控部分、水动力保障部分和注水管路3部分组成。其中电控部分主要功能是有效控制系统注水、放水及显示系统内工作水压力、工作电压和电流，对顶升过程实施集中监控。水动力保障部分是注水系统的核心，如图3所示，位于移动控制车内，主要由4台并联高压柱塞泵、2个串联的2m3水箱、4个分水器、多个联络和放水阀构成。该系统可以全面实现向所有台车、任意台车组合同时注水、放水。注水管路部分由主管线和橡胶高压软管连接组成，为实现任何台车可单独注水，每个单元台车通过分水器由单独1根管线供水，并附设在每节台车活塞腔侧壁上，出运不同重量沉箱每列台车组的单元台车节数不同，但都可实现单线供水。

图3 注水系统核心部分示意图

1.3 液压顶推系统

液压顶推系统用来驱动胶囊台车水平运移沉箱上船，取代传统的卷扬机牵引系统，主要由夹轨器油缸顶推装置、液压泵站和电控仪表3部分构成，如图4所示。其中顶推装置由油缸和夹轨器前后铰接成一体，每套装置设计最大顶推力100 t，运行速度1.5 m/min。夹轨器专门为QU100斜面轨设计，最大顶推力100 t，具有自调功能以保证齿条与钢轨两侧斜面有效接触，实现止退自锁以顶推台车。液压泵站和电控仪表与注水系统都装置于同一个控制车内，与台车组同时进退，统一协调操作整个顶升、运移作业。

图4 液压顶推系统示意图

2 技术方案

“胶囊台车顶升、运移大型沉箱工艺”于2009年9月首次应用于青岛胶南贡口新建沉箱预制场。预制场位于青岛市胶南董家口港区，现布置2条平行沉箱预制生产线，每条线台座长240m，宽28m。

整个工艺实施首先按照胶囊台车标准节和调节段长度，根据沉箱重量及平行台座尺寸确定每列台车组装节数，沉箱顶升时每列台车对称布置在沉箱下面，一般出运3 000吨级沉箱每列需6节，6 000吨级沉箱每列需11节。

为方便、有效控制胶囊台车顶升和运移沉箱，将水泵、水箱、液压泵站及电控系统操作台等动力系统统一安装在专用移动控制车内，水、油管线分别与沟内胶囊台车和油缸连接，构成完整的作业动力系统。移动控制车安放在与每列台车组后端连接的支撑架上，且随沉箱同步前移至台座前沿座底半潜驳7号船上，该工艺如图5所示。

图5 沉箱出运新工艺示意图

2.1 工艺流程

采用胶囊台车顶升、运移大型沉箱即是将在台座上预制完成的沉箱运移至台座前沿座底半潜驳7号船上，具体工艺流程为：胶囊台车组装、就位→胶囊注水第一次顶升沉箱→移动支撑垫块沉箱座落在支撑垫块上→运移沉箱至半潜驳7号就位→第二次注水顶起沉箱→移动支撑垫块回原位→沉箱座落在船甲板垫梁上→胶囊台车回程吊移沟盖板进入下一个出运沉箱底部就位→循环往复。

2.2 胶囊台车组装、就位

按照确定的节数将台车单元组装成相同的两列台车组，同时将各台车单元的支撑垫块通过连接板连接成整体。控制车支撑架及夹轨器顶推装置安装好后，牵引台车组至拟出运的沉箱底部就位，连接好水、油管线等待顶升沉箱。

2.3 沉箱第一次顶升

通过电控系统设好胶囊压力，操作人员同时启动4台水泵，通过分水器分别向各台车活塞腔内的胶囊注水，活塞升起，沉箱连同沟盖板一起被顶升，当沉箱顶起离开台座地坪90mm左右时，即台车活塞翼板支撑点高出支撑垫块顶面10mm以上时停止注水，利用每列台车组前后两端设置的液压手动千斤顶推拉装置整体移动支撑垫块至活塞翼板支撑点下方，放水卸载，沉箱回落由台车垫块支撑，此时沉箱离开台座地坪70mm左右，完成沉箱第一次顶升全过程。

2.4 沉箱顶推运移

沉箱第一次顶升完成后，利用安装在每列台车后端的夹轨器油缸顶推装置在电动液压泵站的驱动下以1.0m/min的速度将沉箱从台座向前运移至坐底半潜驳上。其中顶推3 000 t以内沉箱采用2套顶推装置，顶推6 000 t及以上沉箱采用4套顶推装置。

2.5 第二次顶升

沉箱第二次顶升是在船上进行，目的是撤出台车，实现胶囊台车陆上顶升、运移沉箱和船舶海上运载沉箱下水各自独立作业，提高出运效率。

操作人员再次启动水泵向胶囊注水，当沉箱被顶起15 mm左右时，即胶囊台车所有活塞支撑点离开滑块顶面超过10mm以上时，停止注水，启动台车后端推拉装置，将支撑垫块移回原位，打开电动放水球阀放水，沉箱回落至半潜驳的垫梁上，二次顶升结束。

2.6 胶囊台车回程

拔开移动控制车和胶囊台车之间水管线快速接头，利用专用吊架将移动控制车吊移到台座上。安放夹轨器下方的回程移动小车，利用台座后端的卷扬机将两列台车及夹轨器油缸顶推装置从船上沉箱下面牵引至台座内，至此整个实施过程结束。

3 工艺实施效果

2009年9月本工艺在青岛胶南贡口新建沉箱预制场首次重载试车成功后，即进入工程实用阶段。工艺系统经过了不断改进、优化，运行过程监控表明，各系统协调联动状况良好，设备运转正常，施工按流程顺利衔接运行，被运沉箱构件稳定安全。

至2010年6月25日，采用该工艺为鲁能集团在建码头成功出运2 700 t沉箱25个，1 550 t沉箱16个，为某海军工程出运4 800 t沉箱14个，为青岛港集团出运6 000 t沉箱15个，证明“胶囊台车顶升、运移大型沉箱工艺”是成功的。

4 主要成果和创新点

1）该工艺首创高压注水胶囊及配套台车，取消了台座千斤顶沟，将胶囊和台车合二为一，使顶升和运移两项作业由一套设备连续完成，从而改变了由联动的多台千斤顶顶升、撬车运移装船的传统工艺。

2）创新地采用齿型滑动垫块支撑结构实现了荷载在胶囊与垫块之间的快速转移，保证了沉箱运移的稳定性和安全性。

3）首次采用在移动控制车内集中控制大型构件顶升、运移、上船三大作业，实现了构件出运机械化、自动化。

4）解决了顶升、运移设备不需随船下水的关键技术问题，提高了沉箱出运效率和预制场周转率。且投入人员和设备少、自动化程度高、安全可靠、节能环保、效率高、成本低。

5）提升了各类超大型沉箱等构件的预制、出运重量，在普通沉箱预制场可预制、出运百吨级至万吨级沉箱等各类预制构件，促进了港口、海岸和海洋工程结构向大型化发展，对于提高外海深水建筑物建设水平具有重要意义。

5 推广应用前景

胶囊台车顶升、运移大型沉箱工艺是沉箱出运工艺的一次质的飞跃，对缩短各类沉箱构筑物的建设工期和提高运移安全稳定性提供了重要的技术保证，推广应用前景广阔。

[1] 成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2007.

[2] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[3] 施国道，李秉实.港口工程施工手册[M].北京：人民交通出版社，1994.

[4] 范钦珊，殷雅俊.材料力学[M].北京：清华大学出版社，2008.