气囊重物搬运，沉箱出运操作方案
1．前言
随着现代港口建设向深水型大吨位码头发展，重力式码头结构的构件越来越大，小的数百吨重至几千吨。因起重设备的能力有限，解决大吨位构件的出运及吊装问题，是现代大型深水港口建设必须解决的技术问题。1996年在深沪港采用气囊搬运500t沉箱取得初步成功，随后在多个工地施工中，采用该工艺出运了大批从500t至3000多t的构件，使该工艺更趋成熟。目前，已发展到采用气囊搬运工艺，直接将数千吨的大型构件搬运上半潜驳或浮船坞，以便构件进行浮游安装。大型构件的出运、安装不再依赖于大型起重设备。并且该工艺投资少，操作简便、安全可靠，具有很好的发展前景。该工艺获交通部1998年科学技术进步三等奖，并在其后的推广应用中多次获中港集团、中港第四航务工程局的科技进步奖。
2．工法特点
2.1不需要大型专业预制厂和大型起重设备，就可以对数百吨至数千吨的构件进行出运或转堆，也可以直接出运上驳，设备投入简单，只需几台常用的设备，如卷扬机、空气压缩机等及若干条气囊，工程成本低，工期得以保证。
2.2无需占用较长的码头岸线。与采用在已有的码头或护岸前沿预制、大型起重设备出运或滑道下水的工艺比较，采用气囊搬运工艺可将施工所占用的水域、岸线减小至最低限度。
2.3气囊可到专业生产厂订购，而且可制成不同长度及不同工作压力，以适应各种规格构件的需要, 气囊可以修补,使用寿命长。
2.4气囊作用于构件底板及地面的面积大，对构件的支撑力小，不易损伤构件，对场地要求不高。
2.5操作简便、安全可靠, 只需对气囊充气，顶升重件，开启牵引系统，即可实现沉箱的水平移动。气囊是柔软弹性体，其受力变形的缓冲作用保证了构件搬运过程的安全。
2.6可以作小角度转向及90°转向，适合各种不规则的施工场地。
3．适用范围
3.1适用于没有大型起重设备，远离基地的临时预制场进行出运或转堆大型混凝土构件。
3.2在没有大型起重船的情况下,可将大型构件直接运上半潜驳或浮船坞，以便构件进行浮游安装。
3.3对于底板面积偏小，如无底大圆筒,需在构件底部安放托板或设置临时底板，增大与气囊的接触面积，以适用本工法。
3.4气囊搬运重物对场地要求不高，不需设置混凝土地面，一般的码头面，简易二灰稳定路面或经压实处理的砂滩，只要平整无尖锐物均适合。
3.5气囊搬运场地布置成长条型，具体长度和宽度以构件预制数量和施工工期而定，场地前面是出运码头、滑道、沙滩。水深视工程船舶（起重船、半潜驳或浮船坞）或构件吃水深度而定，当场地的坡度在0.5%以上时，必须设置溜尾系统，在后面平衡设置卷扬机拉住重物，以防重物自动下滑造成倾翻事故。
3.6预制混凝土构件采用活动底模板，底模可用工字钢并排设置，工字钢之间距离必须保证能放入气囊，工字钢之间填满砂并密实，底模板离地最小高度不应小于0.3m。最大高度不应大于0.5m（视构件重量与气囊举升力而定）。
4．工艺原理
气囊搬运重物原理类似于滚筒搬运重物的原理，不同的是滚筒是刚性的，工作时作圆周运动，而气囊是柔性的，工作时呈扁圆形，如坦克的履带一样运动。施工时，在需要搬动的构件下面，放置若干个无气的圆柱型胶囊，胶囊充气后将构件顶升，通过卷扬设备平衡牵引构件或托板,气囊滚动使构件水平移动。
5．施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
气囊出运工艺流程图如图5.1所示。
准备工作 → 放入气囊 → 充气 → 停止充气 →取出支撑木→ 开动卷扬机 →
→牵引构件 → 存放点就位 → 支垫支撑木 → 放气 → 取出气囊
图5.1 气囊出运施工工艺流程图
5.2 操作要点
5.2.1 准备工作
检查供气系统和牵引系统，清扫出运通道并对场地进行整平，检查清理构件内腔积水、底部的尖锐物及边角有无棱角突出。
5.2.2 放入气囊
在构件底部放入气囊，注意排列整齐，相互平行，每条气囊的轴线与移动方向垂直，并在重件底部用红漆标上支垫线及气囊行走控制刻度标识。连接供气管路，连接牵引系统。
5.2.3 充气
启动空压机同时向各个气囊充气，充气速度应均匀、缓慢，以免气囊压力突然升高。当充气压力达到预定顶升压力的80%时停止供气，检查所有气囊的压力是否一致，不一致时可向单个气囊充气，使压力基本一致，然后继续充气，直至构件离开支承木。将气囊的进气阀关闭，停止供气。
5.2.4 拆除支撑物
先在构件周边安放临时支座，以确保安全，然后由操作人员先拆除支承枕木或其他支撑物，再将临时支座拆除。
5.2.5 调整高度
拆除所有的联接胶管，打开各个气囊的排气阀，进行缓慢放气。当气囊高度降至出运高度时，关闭排气阀。
5.2.6 牵引出运
在指挥人员的统一指挥下，启动牵引卷扬机，拉动构件缓慢向前移动。当构件前面空出1个气囊的间距时，停止牵引，塞入气囊，并充气到预定压力后，再重新牵引。当后面移出的气囊快要离开构件时，打开气阀排气、并运送到构件前面预定位置备用。重复以上步骤，直至将构件移到预定位置。
应特别注意，前后牵引不能同时受力，当下滑力大于前牵引力时，即构件会自动下滑时，前牵引钢丝绳必须处于松驰状态，靠后牵引钢丝绳使构件前移。反之，则前牵引受力，后牵引松驰。
5.2.7 就位存放
当构件到预定位置后，停止牵引。在构件底部垫上同样高度的支承枕木，然后所有气囊同时缓慢排气，构件平稳地落在支承枕木上。
5.2.8 取出气囊
待排气完毕，拖出气囊。即可进行下一个构件的出运。
5.2.9 转向
1、小角度转向
出运过程中需小角度转向时，通过将前面所塞入的气囊斜摆一定的角度，适当调整两边的牵引速度及牵引力，即可调整构件的出运方向，注意调整角度不应过大，以防损伤气囊。
2、90°转向
需90°转向时，可停止出运，在构件底部塞上支承枕木，放气后取出气囊，从构件另一侧重新穿入气囊，改变牵引方向重新出运即可。
5.2.10 构件上驳
构件上驳工艺与一般出运工艺一样，所不同的是前牵引系统设置在半潜驳或浮船坞上。通过调整压舱水量，使甲板与出运码头保持水平，构件就可以直接出运上驳，见图5.2.10。
图5.2.10 气囊出运沉箱上驳示意图
注：1 沉箱 2 浮船坞 3 出运码头
6．材料与设备
6.1 气囊
6.1.1 气囊的构造及规格
气囊可到专业生产厂家选配，其结构如图6.1.1-1所示,气囊囊体骨架材料为锦纶帘子布, 敷以橡胶等材料经过整体缠绕成型,囊咀为铝合金铸体，内管丝牙型号为G1"－2"，用户根据需要选用型号，规格见表6.1.1，长度可根据构件的底宽任意选择，通常选用直径为1.0m的高压气囊。
图6.1.1-1 气囊结构图
注：1 囊头 2 囊体 3 囊嘴 D 气囊直径直 Le 囊体长度 L 总长
表6.1.1 气囊规格表
公称直径D（m） 1.0
超高压气囊 出厂检验压力 (MPa) 0.39
许用压力 (MPa) 0.30
高压气囊 出厂检验压力 (MPa) 0.24
许用压力 (MPa) 0.20
6.1.2 气囊的选择
先根据构件的出运边宽选择单根气囊的长度，再确定出运（顶升）高度，由此而计算出承载面积，并按气囊的许用压力计算出所需气囊的最短总长度，工作总长度应按最短总长度的1.2倍以上系数确定，以防出运过程中，气囊破裂或气囊受力不均时气囊超负荷运行，最后确定气囊根数及摆放位置。气囊承载面宽度B与气囊直径D和气囊工作高度H有关，气囊受压变形后，其截面可看作由直径为H的 2个半圆和长度为B的方形组成。受压气囊横截面示意图如图6.1.1-2所示。
承载面宽按下式计算：
B = π（D － H） / 2 (6.1.2-1)
式中 B——气囊承载面宽度（m）；
D——气囊直径（m）；
H——气囊工作高度(m )。
承载面积按下式计算：
S = B L0 =π（D － H） L0 / 2 (6.1.2-2)
式中 S——承载面积(m2 )；
L0 —— 气囊的承载面长度（m）；
单根气囊的承载力按下式计算：
F = S P = π（D － H）L0 P / 2 (6.1.2-3)
式中 F——单根气囊的承载力(N)；
P ——气囊内工作压力（Pa）。
所需气囊的总长度按下式计算：
L总 = GL0 / F = 2G /[π（D － H）P ] (6.1.2-4)
式中 L总——气囊的总长度（m）；
G ——构件的重力（N）。
图6.1.1-2 受压气囊横截面示意图
注：1 构件 2 气囊
应特别注意，应尽可能充分利用构件底面积尽可能多摆放气囊，以降低气压，确保安全。
6.1.3 气囊的摆放
根据构件的结构特点以及操作的方便，气囊摆放一般采用左右两列的排放法，构件较小时，可用单排摆放。当构件底部承载面积太小时（如无底圆筒），则必须在构件底部安放托板或设置临时底板，以增大与气囊的接触面积，两气囊之间的净空距离不应小于20cm, 气囊摆放见图6.1.3-1、图6.1.3-2。
图6.1.3-1 沉箱气囊布置图 单位：m
图6.1.3-2 圆筒托板气囊布置图
注：1 支承枕木 2 圆筒 3 托板 4 气囊
6.1.4 气囊的工作高度
工作高度分顶升高度与出运高度，顶升高度宜高于底模高度3~5cm，工作高度应根据实际地质情况及构件特性选定适宜的范围。高度过大，则气囊受力有效受力面积减小，气囊气压须增大；高度过小，摩擦力增大，牵引力也会相应增大，同时气囊极易扭曲和出现滑动摩擦，建议取值以30~50cm为宜。
6.2 牵引系统
6.2.1当搬运工艺采用卷扬机牵引方式搬运构件时，需配置卷扬机、卷扬机固定架、滑轮组、导向滑轮、锚碇、倒缆、钢丝绳等。牵引系统分前牵引及后牵引，各设置慢速卷扬机1~2台。用两台卷扬机牵引时，型号必须一致，以保证工作同步。采用单台卷扬机时用“八字缆”牵引，根据试验结果，气囊起步所需牵引力在高度为0.40m时，约为构件重量的3％，并随着高度的变化而略有变化。总牵引力一般取构件重量的5%即可，溜尾力必须大于构件因高度差产生的下滑力和克服惯性力及前牵引力作业不均衡时产生的对拉力的总和。按牵引力及牵引速度确定卷扬机、地锚、钢丝绳的规格。
6.2.2牵引速度不宜大于3m/min。
6.2.3 溜尾系统仍按牵引系统同等级配置，特别是斜坡道作业的情况下，更要根据实际情况精确计算溜尾系统的受力配置。
6.3 供气系统
供气系统由空压机、供气管道、接头、阀门、压力表等组成。空压机的选用主要考虑气囊的总容量和充气的时间以及压力要求等。通常采用VY－6／7型或VY－9／7型空压机1台。为了使多个气囊同时充气，保持气压一致，应设置具有多管路接头的空气分配器1~2个，另有输气管多条，若是在潮位变动较大码头区出运重件，应设置备用空压机及发电机等设备。
6.4气囊搬运沉箱施工的主要机具设备见表6.4。
表6.4 气囊搬运沉箱施工的主要机具设备表
（以2000t沉箱为例，移动过程不转向）
序号 名 称 规 格 数 量 备 注
1 气 囊 Ø1000mm超高压 8条 气囊其及工作参数的选择应按《气囊搬运重型构件技术规程》进行设计。
2 卷扬机 10t 4 卷扬机的平均绳速为8~10m/min
3 钢丝绳 Ø 65mm 450m 钢丝绳安全系数不得小于5
4 滑轮组 4
5 空压机 10m3 1
7．质量控制
7.1 技术规程
7.1.1《起重机械安全规程》（GB6067-85）
7.1.2《船舶与海上设施法定检验规则〈国内航行海船法定检验技术规则〉》（2004）
7.2质量控制措施
7.2.1气囊
1、每批气囊应有出厂检验报告（包括检验项目和技术指标）和使用、维护说明书。每件气囊均应有产品合格证书。
2、气囊验收执行《船舶上排，下水用气囊标准》（GB/T3795-1996）及《气囊搬运重型构件技术规程》(中交三航局有限公司企业标准ZJ3H—2007)中有关规定执行。
7.2.2卷扬机
1、卷扬机的选用、安装、使用应符合现行的《建筑卷扬机安全规程》（GB13329-91）的相关规定。
2、卷扬机安装地点应平整。卷扬机与基础或底架的连接应牢固，并符合使用说明书的规定。
3、卷扬机与沉箱之间不应有可能发生危险或影响钢丝绳寿命的障碍物。
7.2.3钢丝绳及索具
1、卷扬机用钢丝绳应符合现行国家标准《圆股钢丝绳》（GB1102）的有关规定，并必须有产品检验合格证。
2 、钢丝绳的检验应符合现行国家标准《起重机用钢丝绳检验和报废实用规范》（GB5972）的有关规定，严禁有明显变形、缩径、腐蚀、扭结和断丝等缺陷。钢丝绳不得接长使用。
3、钢丝绳应保持良好的润滑状态。所用润滑剂应符合该绳的要求，并且不影响外观检查。
4、牵引钢丝绳直接捆绑在构件上时，注意不要损伤构件，在构件棱角处设置保护垫进行保护。
5 、索具的选择、使用、维护、报废、管理等必须符合《起重机械吊具和索具安全规程》（LD48-93）的相关规定。
7.2.4支垫
1、支垫位置应标识准确、清楚，尤其是薄弱位置，以防止由于支垫不当造成重件出现裂缝。
2、支承枕木高度必须一致，确保构件受力均匀。
8．安全措施
8.1人员
8.1.1所有参加施工人员必须进行岗前培训，施工前进行详细的安全技术交底。
8.1.2现场施工人员按规定戴安全帽、穿工作鞋、高空作业时系安全带、临水及水上作业穿救生衣。
8.2 场地
8.2.1圆筒移运通道在移运前清除一切尖利杂物及障碍物。
8.2.2移运时，圆筒两侧20m范围内设工作警戒线，警戒线内无关人员不准入内，不准进行高空起重作业。
8.2.3构件临时支垫位置地基受力较大，必须根据计算确定地基承载力，同时制定相应的技术保证措施以防止地基下陷。建议对出运通道进行夯实处理；且临时支垫处可采用增加支垫枕木和预先铺设钢板等操作方法。场地和通过面层应平整，坡度不宜大于2%。
8.3 设备
8.3.1所有的设备必须有产品合格证。
8.3.2使用气囊的安全措施
1、对新购气囊或长久不用重新投入使用的气囊，都应按出厂试验压力进行空载试验后才能投入使用，常用气囊每半年试验一次，气囊修补后，仍应进行上述试验。对于大面积修补后的气囊，应降低使用压力。
2、高压气囊充气与出运过程中，其它工作人员要远离气囊5m以上；沿途气管要有专人管理。
3、在气囊进行充放气操作时，操作者必须带防护眼镜，严禁正面对着气囊头操作。
4、进行气囊顶升或拆、垫支垫枕木时，圆筒未支垫稳固前，身体任何部位不得伸入圆筒底部。
8.3.2圆筒移运前，卷扬机、空压机，必须进行全面检查，确保良好状态；移运时备用电源，备用空压机处于良好状态，保证随时投入运行。
8.3.3施工过程中，机械、电气设备严格按安全操作规程进行操作；专人统一指挥。
8.3.4使用空压机充气安全技术措施
1、输气管应避免急弯、打折，打开送气阀前，必须事先通知工作地点的有关人员。
2、空气压缩机出气口处不得有人员站立，人员应站在气嘴的两侧。
3、压力表、安全阀和调节器等应定期进行校检，保持灵敏有效。
8.3.5卷扬机牵引圆筒的安全技术措施
1、卷扬机应安装在平整、视线良好的地方，机身和地锚必须牢固；卷筒与导向滑轮中心线应垂直对正。
2、作业前，应对钢丝绳、制动器、传动滑轮和机具等进行安全检查，确保良好状态。
3、钢丝绳在卷筒上必须排列整齐，作业中最少需保留三圈以上。
4、作业时，不准有人跨越卷扬机的滑轮组、钢丝绳和牵引绳。
5、作业时，严禁操作人员擅自离开岗位。
6、圆筒牵引过程中，如发现滑轮组钢丝绳扭曲、打结，应暂停牵引，理顺后再进行牵引。
8.3.6 所有特种设备必须经技术监督部门检验认证后才可投入使用,特种工作人员要持证上岗。
8.3.7 所有外购的起重设备，起重工具必须有《生产许可证》、《产品合格证》、《安检证》及《使用维护说明书》。
8.4 用电
8.4.1 实行三相五线制供电，所有施工用电设备外壳必须接地，接地电阻不能大于10Ω。
8.4.2作业中途突然停电，应立即把开关回复停车状态。
8.5构件
8.5.1构件底部周边设3㎝高的45°倒角，以防尖角割伤气囊。
8.5.2 构件两侧必须设置挡板，以防气咀喷出伤人。
8.6操作过程
8.6.1 工作中要听从主指挥的指挥信号，信号不明应及时向主指挥反馈，其他人员听到反馈信号时，应暂停操作，等待主指挥发出另一次信号后方可操作运行。
8.6.2运行过程中如遇特殊情况或危险情况，需要马上暂停运行的，必须立即报告主指挥，并停止作业，其他操作人员听到暂停信号后，也必须立即停止作业，待弄清楚情况并排除危险情况后由主指挥再次发出运行信号后方可继续作业。
8.7沉箱上驳
8.7.1沉箱上半潜驳时，应根据半潜驳受力情况进行相应舱平衡水的调节。沉箱上半潜驳后，必须严格听从指挥，严格控制沉箱的搬运（移动）速度，确保半潜驳的纵向与横向的基本平衡。沉箱上驳的全过程船艏甲板面的标高不得低于船艉甲板面的标高。
8.7.2上驳后的沉箱应按技术交底指定的位置搁置并加固。
8.7.3沉箱上驳搬运至指定位置后，应再次进行平衡水的调节，并使船体满足：横倾角度不得大于0.5°、纵倾角度不得大于1°。
8.7.4沉箱搬运上半潜驳至指定搁置位置并使半潜驳绞力离出运码头的整个过程必须在水位上涨过程中完成。要严格控制各工序的时间，保证整个过程在潮水高平潮前1h完成。
8.7.5沉箱上驳前，预制场及运输船舶应及时收听并准确掌握气象、水文、潮汐情况。如有台风来袭的预报时，必须调整上驳的时间计划。
8.7.6半潜驳须根据技术安全交底的水位搭靠或离开码头。
8.7.7沉箱上驳后,船上人员必须实行24h不间断值班，随时注意船舶动态，遇有情况及时处置并报告。
9 环保措施
9.1 认真学习环境保护法，执行当地环保部门的有关规定。
9.2 参与施工的人员应养成良好的卫生习惯，不随便乱倒施工杂物和垃圾。对生活、生产废弃物等，应由产生该废弃物的部门进行分类堆放，做好标识，并运送到指定区域处理。
9.3 气囊排气应缓慢且排气口应稍微向上，避免扬尘，保持场所扬尘不超标。
9.4 空压机所排放的混合油、水，必须回收进行环保处理。
9.5 施工时，空压机产生的噪音比较大，应采取较好的措施减低其产生的噪音，创造一个比较安静的工作环境。
9.6 拆除的支垫枕木要统一堆放整齐。
10．效益分析
10.1 采用气囊出运大型构件，减少了大型起重设备的费用，特别是为今后大型构件的出运提供了科学可行的施工手段。
10.2 设备投入简单，操作方便，提高了施工工效，降低了施工成本。
10.3 通过气囊出运，直接把构件出运上浮船坞域半潜驳，可将构件方便地进行浮游安装，节省了大型起重船费用，构件越重，效益越明显。
10.4从工程成本来看，从预制场设施的建造、起重设备的配置、沉箱出坑堆放、平移上半潜驳，其费用仅为其他方案的60%～85%。以汕头广澳一期工程为例（1000t级沉箱），采用现场预制和气囊搬运方案与在厦门专业预制厂预制、长途水上拖运至汕头施工现场安装的方案比较，每个沉箱可节约工程费用10万元；与采用现场临水护岸上预制、1000t起重船安装方案比较，每个沉箱可节省费用8万元；与在现场采用半潜驳上预制方案比较，可节省费用13万元。据综合估算，采用气囊搬运沉箱工艺的方案可比上述的施工方案每个1000～2000t级沉箱平均可节省成本费用10万元左右。常用方案的综合比较如表10.4所示。
表10.4 几项常用的沉箱预制搬运方案综合技术经济比较表
（以2003年汕头广澳码头1000t级沉箱为例）
比较项目
工艺方案 技术 工期 经济 综合评价
在厦门固定预制厂预制，水上运输至现场沉放安装 可行，固定预制厂预制，沉箱质量好,专业化水平较高。 固定预制厂与施工现场距离较远，沉箱拖运将受气候制约，工期较难以保证。 单个沉箱的场地、出运、拖运安装总费用27万元。 对远离预制厂的项目工程成本较高，影响拖运的因素多。
在施工现场码头或护岸前沿预制，大型起重船出运安装 可 行 因预制场码头护岸长度有限，沉箱须分多批预制安装，工期较长。如起重船是向外租借的，则工期难以保证。 单个沉箱的场地、出运、拖运安装总费用25万元。 工期较长，宜少采用。
在施工现场预制，气囊搬运至码头前沿，大型起重船出运安装 可 行 占用码头或护岸的岸线少，施工速度快，但如起重船是向外租借的则工期难以保证。 单个沉箱的场地、出运、拖运安装总费用23万元。 宜少采用。
采用在现场半潜驳上预制，沉箱在现场起浮后安装 可 行 预制进度慢、工期长，并长时间占用半潜驳。 单个沉箱的租驳、拖运安装总费用30万元（半潜驳采用三航工2）。 尽量少采用。
在现场预制，气囊搬运并上半潜驳，沉箱现场起浮安装 可 行 预制场建造速度快，气囊陆上搬运及装驳、施工速度快。 单个沉箱的场地、出运、拖运安装总费用17万元（半潜驳采用三航工2）。 工程成本低，工期短。
11．应用实例
11.1 广西防城港20万吨级码头共有11个底座直径22.6m、筒身直径20m、高22.5m、壁厚40cm的大圆筒，原设计为无底圆筒，计划用2600t起重船安装。为了节省施工成本，对圆筒增设了临时混凝土底板，采用气囊出运并直接运上浮船坞，由浮船坞运到现场进行浮游安装。出运时，圆筒总重量达2650t，采用耐压为0.2MPa的直径为1m、长度为10.5m的高压气囊，分左右两排布置，每排布置11条，工作气压为0.18MPa。前后共施工40d，节省了大型起重设备费用，取得良好的经济效益和社会效益。
11.2 汕头港广澳港区一期码头水工结构及护岸工程就采用本工法施工。该工程为新建两个2万吨级泊位（2号、3号泊位）和一个滚装泊位及相应的护岸工程。其中，2号、3号泊位总长435m，兼顾5万吨级集装箱船靠泊作业；滚装泊位长147m。码头为重力式沉箱结构，沉箱共49个，单个沉箱重量约900t。
该工程的沉箱采用在现场预制，气囊搬运至堆场存放，并通过专用码头搬运至半潜驳。主要船机为半潜驳和拖轮（2000HP）。
采用本工法高效、安全地解决了在无大型专业沉箱预制厂和大型起重船条件下的重力式沉箱码头工程施工的技术难题，施工效率为日安装两块沉箱。安装质量优良。
11.3 厦门港现代码头水工及陆域工程位于厦门西海域，码头设计规模为新建4个5万吨级泊位（结构设计按10万吨级）及相应的护岸、堆场道路等工程。4个泊位均为重力式沉箱结构，共有沉箱52个，单个重量为2080吨，尺寸为17.5m×14.4m×17.8m（长×宽×高）。该码头工程沉箱采用陆域预制，利用高压气囊进行搬运平移和装上半潜驳，并拖至码头现场进行起浮、安装的施工技术。该技术的开发应用解决了大型沉箱陆上水平搬运及上驳的技术难题，较大幅度降低了工程造价。
