青島永泰長榮
標(biāo)題: 高壓氣囊搬運大型沉箱技術(shù)在港口工程中的研究和應(yīng)用畢... [打印本頁]
作者: 永泰長榮 時間: 2023-12-30 17:38
標(biāo)題: 高壓氣囊搬運大型沉箱技術(shù)在港口工程中的研究和應(yīng)用畢...
隨著我國綜合國力的提高和融入世界進(jìn)程的加快，港口建設(shè)快速蓬勃發(fā)展， 碼頭建設(shè)越來越朝大泊位、深水泊位方向發(fā)展； 同時， 與之相適應(yīng)的沉箱也逐漸 向大型化發(fā)展，沉箱尺度規(guī)模越來越大，沉箱的自重、跨度和體積也越來越大。 這些大型建筑構(gòu)件的安裝與運輸就成為一個越來越迫切解決的問題， 特別是大型 建筑構(gòu)件的陸上搬運需求就越來越迫切。這些港口用建筑結(jié)構(gòu)件沉箱的自重大、 體積大、跨度大、高度高， 無疑對陸上搬運技術(shù)提出了更高更嚴(yán)格的要求， 因此， 大型建筑結(jié)構(gòu)件氣動搬運系統(tǒng)的研究對加快我國港口的現(xiàn)代化進(jìn)程， 具有十分重
要的現(xiàn)實意義。
隨著生產(chǎn)工藝和要求及設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展， 出現(xiàn)的這些大型甚至超大型的建 筑構(gòu)件， 由于現(xiàn)場條件的局限， 設(shè)備的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)起重設(shè)備的額定承載
能力，因此氣動提升裝置在這方面突顯優(yōu)勢，在吊裝市場占有重要地位。
氣動技術(shù)是流體傳動及控制技術(shù)的一個重要分支。近年來， 隨著工業(yè)的飛速 發(fā)展， 在工業(yè)自動化領(lǐng)域機電一體化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用， 隨著工業(yè)自動化程度 的提高，氣動技術(shù)以其成本低廉、工作效率高、干凈且不污染環(huán)境、節(jié)約能源、 使用和維修方便、對環(huán)境要求不高等一系列優(yōu)點， 己在各個領(lǐng)域得到越來越廣泛 的應(yīng)用， 氣動技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今實現(xiàn)自動化的重要手段之一。氣動搬運設(shè)備是液 壓系統(tǒng)的延續(xù)和發(fā)展， 陸上水平移動系統(tǒng)由滾動氣囊和卷揚機組成， 氣動提升設(shè) 備由超高壓氣囊集群組成， 比液壓系統(tǒng)技術(shù)更經(jīng)濟、 更環(huán)保， 是超高超重設(shè)備吊 裝的重要工具之一 。氣動搬運設(shè)備的起重搬運能力可達(dá)數(shù)千噸級，常用于超重、
超高、大跨度的構(gòu)件安裝。其主要工作特點：
(1)起重量不受限制，通過氣動提升系統(tǒng)的擴展組合，能滿足千噸級甚至萬
噸級構(gòu)件的吊裝。
(2)同步控制，安全受控。
(3)可操作性好，氣動提升系統(tǒng)體積大，重量輕。
(4)頂升過程平穩(wěn)，無附加沖擊載荷。
(5)對起重搬運的基礎(chǔ)要求低，特別適合臨時預(yù)制場的工程。
(6)有利于保護(hù)建筑構(gòu)件，采用分布荷載，避免了液壓起重的集中載荷。
氣動頂升搬運系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是氣囊制造技術(shù)以及同步控制技術(shù)， 其發(fā)展經(jīng) 歷了氣囊出運、氣囊頂升及同步頂升搬運階段， 目前發(fā)展成為連續(xù)式同步頂升搬 運控制技術(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)完全同步控制、負(fù)載均衡、姿態(tài)校正、操作閉鎖、過程顯 示等工作， 大大提高了工程實施的安全可靠性， 保證工程質(zhì)量。這類裝置不僅在 船舶建設(shè)工程中， 而且在國內(nèi)港口工程建設(shè)中也發(fā)揮著重要的作用， 例如中港四 航局第一工程公司東江口預(yù)制廠 2212t 沉箱搬運如圖 1－1 所示， 3000t 廣順號油 輪下水如圖 1－2 所示。因此，大型建筑構(gòu)件的陸上頂升搬運需求量大，特別是 我國北方地區(qū)的許多港口、 防潮壩建設(shè)需要大量大型建筑構(gòu)件， 同時， 由于這些 港口屬于沉積土質(zhì)， 易沉降， 這就加大了對氣動頂升搬運系統(tǒng)的需求， 其應(yīng)用前
景良好。
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圖 1－1 中港四航局第一工程公司東江口預(yù)制廠 2212t 沉箱搬運
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圖 1－2 3000t 廣順號油輪氣囊下水
1.2 我國大型構(gòu)件常用陸地上的頂升搬運方法
1.2.1 千斤頂頂升大型構(gòu)件
中港第一航務(wù)局第五工程公司在秦皇島港煤四期碼頭工程中對長 26.26m、 寬 9.92m、高 18.5m，的超長沉箱，采取在陸域進(jìn)行預(yù)制、溜放和水上接高的方 法施工。使用 10 臺 500t 油壓千斤頂，東西兩側(cè)對稱，每側(cè)各布置 5 臺，順利進(jìn) 行了此超長沉箱的頂升作業(yè)。莆田八重洲飼料有限公司商住樓頂升平移施工， 頂 升要求受力梁規(guī)格大強度高， 由基礎(chǔ)梁承受結(jié)構(gòu)荷載。天津港北大防波堤一期工 程采用 4 臺專用的 100t 千斤頂放入頂升槽內(nèi)進(jìn)行支頂半圓體結(jié)構(gòu)。千斤頂頂升 工藝即預(yù)先在預(yù)制臺座上布置千斤頂基礎(chǔ)， 然后設(shè)置頂升溝槽， 大型構(gòu)件預(yù)制完 成后從頂升溝槽放置千斤頂， 利用千斤頂將沉箱頂升。大型構(gòu)件一般需要使用多 個數(shù)百噸的千斤頂，地基處理需要采用強夯、加大的基礎(chǔ)，造價高，地基處理時 間長。在沉箱頂升過程中， 諸如需要人員鉆入地溝， 放置千斤頂時位置必須準(zhǔn)確，
頂升時各千斤頂操作必須同步、頂升過程時間長等，操作起來比較繁瑣。
1.2.2 采用軌道滑車出運沉箱
軌道滑車施工工藝是比較傳統(tǒng)的施工工藝，如圖 1－3 所示，已經(jīng)有幾十年
的歷史， 有著成熟的施工技術(shù)， 如： 中港第一航務(wù)局第五工程公司在秦皇島港煤
四頭工程中對長 26.26m、寬 9.92m、高 18.5m 超長沉箱， 采取軌道與縱橫移結(jié)合 的出運工藝。橫移車乘載沉箱的全部重量， 軌道應(yīng)滿足橫移車的線荷載， 由力矩 平衡和虎克定律可知： 根據(jù)橫移車的線荷載決定沉箱在平臺上的最制高度。實現(xiàn)
沉箱橫移需要配置如下設(shè)施：
預(yù)制平臺： 20m×20m 平臺共 8 個；
吊機： DQM540/30 型 2 臺，吊力 10t(變幅 18－37m)；
橫移車：兩列，自重 23.5t/列，中心軌距為 8m；
縱移車：兩列自重 26.18 t/列，中心軌距為 9 m；
斜架車： 一架.限重 2000t；
絞車： 30t 絞車 2 臺， 10t 絞車 2 臺；
電絞盤： 5t， 1 臺；
油壓千斤頂：頂力 500t， 10 臺。
可以看出采用軌道出運大型構(gòu)件存在如下缺點：
(1)該工藝需要設(shè)置軌道梁、鋼軌、平移滑車等設(shè)備，投資費用高，往往為
單位所不能接受，在投標(biāo)中也處于不利地位。
(2)鋼軌、滑輪、沉箱全部為剛性接觸，很容易產(chǎn)生不均勻受力，設(shè)備損壞，
需要經(jīng)常檢查更換。
(3)對軌道水平平面要求高，在使用過程中維修率高，需要定期對軌道梁翻
修。
(4)沉箱上浮船塢時對搭岸結(jié)構(gòu)的要求高，限制了所使用浮船塢的船型。
(5)對沉箱預(yù)制適應(yīng)性不強，如平面尺寸變化、沉箱重心發(fā)生變化等，都需
要對預(yù)制廠及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
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圖 1－3 軌道式出運大型建筑構(gòu)件
1.2.3 采用高壓氣囊搬運大型構(gòu)件
采用頂升平移法整體搬遷 2000 m3 自重 60t 的大型拱頂油罐，大型油罐的技
術(shù)參數(shù)如下：油罐高 14.3m、直徑 14.5m、罐的上部壁厚 6mm，罐的中間壁厚 8mm，罐的下部壁厚 10mm，罐底板的厚度 8mm，材質(zhì)為 Q235－A。在上海東 方明珠廣播電視塔剛天線桅桿、北京西客站主站放鋼制門樓、北京首都機場四機 位機庫的網(wǎng)架屋頂以及 6000 噸上海大劇院鋼屋架等工程中，這些大跨度鋼珩架 結(jié)構(gòu)采用滑移法整體提升技術(shù)， 并且采用脈寬調(diào)制方法實現(xiàn)同步控制。采用氣囊 搬運大型沉箱、實現(xiàn)船舶上排與下水、克服了以往中小型船廠修造船能力受制于 固定式下水滑道的弊端， 發(fā)展成為極具靈活性的下水技術(shù)， 可節(jié)省大筆修造大型
船舶下水滑道的資金。由此可見，大型構(gòu)件的頂升搬運可應(yīng)用于各個行業(yè)。
1.3 國外大型構(gòu)件和設(shè)備頂升搬運的現(xiàn)狀
(1)大型移動式起重機的發(fā)展情況
為實現(xiàn)整體吊裝， 對起重設(shè)備的起重能力、作業(yè)空間、 安全可靠性都有很高 要求， 如果是多機同時吊裝， 還需要具備協(xié)調(diào)控制能力。為此大型移動起重機在 吊裝方面有很大的施展空間， 也因此而得以不斷發(fā)展。當(dāng)前大型移動起重機的主
要有：
1)最大噸位已超過 10O0t 履帶起重機，例如 Derrag 公司的 CC12600 型起重
量為 1600t、Liebherr 公司的 LR11200 起重量為 1000t。
2)輪式起重機主要包括全地面起重機、汽車起重機和越野輪胎起重機，其中 全地面起重機的噸位躍居三者榜首。受其伸縮臂結(jié)構(gòu)自重和伸縮機構(gòu)等限制， 與 履帶起重機相比，起重噸位相對小些，不過也接近千噸級。如： Liebherr 公司最 大噸位 LTM1800 型 800t，Defrag 公司的 AC700 型 700t 和 Tadano 公司的 550t
都是全地面起重機。
3)采用超起裝置的超大型起重機，如： Manitowoc 公司的 2250 型履帶起重 機，標(biāo)準(zhǔn)型起重量為 272t，增設(shè)超起臂架和超起配重后，起重量為 450t，而增設(shè)
環(huán)軌超起裝置，并改用重型臂架后，起重量可達(dá)到 1300t。
(2)起重業(yè)的專業(yè)分工更細(xì)
有些公司專門從事港口集裝箱起重設(shè)備的安裝， 有些公司專門從事鋼屋架的 液壓頂升， 有些公司專門從事超高超重設(shè)備的吊裝， 他們充分利用液壓提升設(shè)備 的特點用于超重、超高、 大跨度的構(gòu)件安裝。這些液壓提升設(shè)備的主吊均采用大
噸位的液壓千斤頂，其主要工作特點：
1)起重量不受限制，通過液壓提升系統(tǒng)的擴展組合，能滿足千噸級甚至萬噸
級構(gòu)件的吊裝。
2)同步控制，安全受控，可手動控制和完全自動控制。
3)可操作性好，液壓提升系統(tǒng)體積小，重量輕。
4)吊裝過程平穩(wěn)，無明顯附加沖擊載荷。
(3)大量采用擴大作業(yè)空間的新結(jié)構(gòu)、新工藝
為實現(xiàn)大頂升高度和大幅度， 大型起重機的起重臂廣泛采用主副臂的組合結(jié)
構(gòu)。主臂、主臂與固定副臂、主臂與塔式副臂等這三種結(jié)構(gòu)組合己成為大型起重
機的必備組合方式。 除此以外， 履帶起重機又出現(xiàn)了新的臂架組合方式： 副臂通 過過渡節(jié)直接與主臂連接， 副臂上連接副臂， 使其作業(yè)空間得到了有效擴大， 最 大作業(yè)范圍可達(dá)到 200m 以上，現(xiàn)已應(yīng)用于 Liobherr 和 Manitowoc 公司的起重機
上。
直升機吊裝工件比較普遍對于一般起重機械不能夠完成的吊裝工作往往考 慮使用直升機進(jìn)行吊裝， 有些直升機的起吊能力達(dá)到幾十噸。例如： 世界第一高
塔加拿大多倫多電視塔其發(fā)射天線鋼桅桿就是采用直升機分段吊裝而成的。
(4)注重信息化的集成和設(shè)備自動化，強化安全報警系統(tǒng)
液壓傳動是目前移動式起重機普遍采用的傳動方式， 裝備了先進(jìn)的微電子智 能功率控制系統(tǒng)。這些控制系統(tǒng)的不斷更新， 為提高起重機的調(diào)速性能、 降低操 作強度、延長設(shè)備使用壽命、 降低使用成本提供了保證。而數(shù)據(jù)總線控制技術(shù)在 起重機上的應(yīng)用， 將發(fā)動機控制、液壓控制、 安全監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)控和極限載荷限制 集為一體， 通過總線方式進(jìn)行信息傳遞與控制， 實現(xiàn)了控制上真正意義的自動化 與智能化。 同時借助圖形化的顯示屏顯示起重機的所有信息， 例如系統(tǒng)狀態(tài)、技 術(shù)參數(shù)等，甚至可協(xié)助操作者進(jìn)行故障診斷，顯示故障原因、部位及處理方法。 這種先進(jìn)的控制系統(tǒng)顯著提高了控制系統(tǒng)的可靠性、作業(yè)安全性、操作舒適性和 工作效率。例如 Defrag 和 Liebherr 公司。 一般的起重機械都采用計算機控制， 能夠準(zhǔn)確計算出工件的重量， 監(jiān)控機械的工作狀態(tài)， 并有報警與自鎖功能以及其
它輔助功能。
1.4 大型構(gòu)件氣囊搬運系統(tǒng)的提出
1.4.1 氣動頂升搬運技術(shù)分析
(1)氣動技術(shù)的發(fā)展歷程、趨勢和特征氣動技術(shù)是以氣體為工作介質(zhì)傳遞信 號和動力以實現(xiàn)生產(chǎn)機械化和自動化的一項技術(shù)。工業(yè)氣動是采用壓縮空氣來實 現(xiàn)動作和控制的功能，約有 50 年的歷史。在二次世界大戰(zhàn)后不久，由于各國科 技迅速進(jìn)步和經(jīng)濟繁榮， 迫切需要提高生產(chǎn)機械化和自動化的水平， 以提高產(chǎn)品 質(zhì)量和增加勞動生產(chǎn)率。工業(yè)界在尋求高效率、低成本、 安全可靠又有較長使用
壽命的自動化元件和技術(shù)。氣動技術(shù)應(yīng)運而生： 元件簡單可靠并容易掌握， 可采
用高效生產(chǎn)工藝大批制造， 適合生產(chǎn)空間各種復(fù)雜動作， 可與電控裝置和計算機
配套使用等，促使氣動技術(shù)在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。
1)氣動技術(shù)的發(fā)展歷程
是從單個元件到控制系統(tǒng)， 從單純機械制品到機電一體的復(fù)雜高科技產(chǎn)品的 歷程。 由風(fēng)動技術(shù)和液壓技術(shù)演變、 發(fā)展而成為獨立技術(shù)門類的氣動技術(shù)， 己經(jīng) 在自動化控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，顯示出強大的生命力，成為 20 世紀(jì)應(yīng)用 最廣、發(fā)展最快、也最易被接受及重視的技術(shù)之一 。工業(yè)各領(lǐng)域如機械、電子、 鋼鐵、運行車輛及其制造、橡膠、紡織、輕工、化工、食品、包裝、印刷、煙草 等， 氣動技術(shù)己成為不可缺少的基本部分。在尖端技術(shù)領(lǐng)域如核工業(yè)或宇航， 氣
動技術(shù)占據(jù)了重要地位，在農(nóng)林、園藝、樓宇自動化等范疇，也得到了應(yīng)用。
2)氣動技術(shù)的發(fā)展趨勢
近 10 來年內(nèi)自動化技術(shù)經(jīng)歷了令人矚目的飛躍性發(fā)展，突出表現(xiàn)在：自動 化設(shè)備的應(yīng)用覆蓋面越來越廣， 從原先只應(yīng)用于簡單、重復(fù)的工藝過程擴大到復(fù) 雜的工藝過程： 自動化機器在性能和功能上都有顯著的提高， 機器的節(jié)拍時間更 短， 運動精度更高， 同時能與計算機直接聯(lián)接， 從而更快和更準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)管 理； 由于產(chǎn)品的多樣化使柔性生產(chǎn)設(shè)備得到越來越廣泛的應(yīng)用， 這類設(shè)備要求能 非?？旖莸貙χM(jìn)行重新編程，以實現(xiàn)同一機器對不同種類或尺寸工件進(jìn)行加 工， 從而大幅度地降低設(shè)備投資并實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)自動化； 要求越來越短
的設(shè)備設(shè)計、制造、調(diào)試周期和設(shè)備停機維修時間。
3)氣動技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要特征
科學(xué)技術(shù)、材料、 工藝的新發(fā)展和人們觀念的變化以及市場的需求， 帶動氣 動技術(shù)飛躍地發(fā)展， 建立了具有明顯特色的技術(shù)方法。氣動的持續(xù)發(fā)展必須體現(xiàn) 在一些比較重要的特征上： 通過小型化設(shè)計， 提高元件功效， 尺寸不斷小型化和 功能不斷強化是氣動元件發(fā)展的必然趨勢；發(fā)展裝配簡易性及高性能的連接技 術(shù)，在一定應(yīng)用條件下， 都具有或多或少的隨意組合性。集成化充分兼顧模塊化， 即在設(shè)計時必須考慮集成模塊或單元的兼容性； 部件應(yīng)用性能的擴展性強； 結(jié)構(gòu) 維護(hù)保養(yǎng)方便； 系統(tǒng)能力的概念； 氣動集成到包括其它各種技術(shù)的整個系統(tǒng)的集
成能力；具有長的使用壽命。
4)氣動作為普遍應(yīng)用的傳動和控制方式， 為全世界各個工業(yè)部門所接受并泛
應(yīng)用，也是由于具有以下許多優(yōu)點：
氣動技術(shù)以空氣為工作介質(zhì)， 空氣隨處可取， 且粘性小， 在管內(nèi)流動阻力小， 便于集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送。 因而， 大多數(shù)工廠有方便的壓縮空氣氣源。作為工 作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)， 使氣動技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用中具有安全、方便 和費用低的優(yōu)點。壓縮空氣沒有產(chǎn)生火花的危險。 因此， 適宜于有易燃或爆炸潛
在危險的工況。
氣動元件結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必
使用回收管道。
氣動系統(tǒng)清潔， 即使有泄漏， 也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境。不受
電磁千擾，電子系統(tǒng)則有之。
氣動系統(tǒng)維護(hù)不復(fù)雜，也不需要特殊的培訓(xùn)和試驗設(shè)備。
適應(yīng)性強， 現(xiàn)有的機器可方便的改為氣動傳動， 氣動執(zhí)行元可以直接安裝在
要求出力的地方。
便于進(jìn)行能量儲存， 可以進(jìn)行應(yīng)急或系統(tǒng)需要用。氣壓傳動本身有過載保護(hù)
性能。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負(fù)荷下工作，在過載時會自動停止。
氣動元件運動速度高。普通氣動執(zhí)行元件運動速度一般為 0.05－0. 7m/s，有
的高達(dá) 1－3m/s。
(2)氣動搬運技術(shù)
該技術(shù)是近年來在我國施工行業(yè)逐步發(fā)展起來的新興的大型構(gòu)件出運新技 術(shù)，氣囊搬運大型構(gòu)件新工藝是受氣囊船舶下水工藝的啟發(fā)，于 1997 年利用起 重氣囊搬運技術(shù)在福建深滬港臨時預(yù)制場首次搬運重 480t 沉箱成功，隨后在 2000 年和 2003 年廣西防城港和汕頭港廣澳一期工程的施工中， 采用該工藝又分 別順利搬運了 500t 和 900t 重的沉箱，從而為預(yù)制混凝上構(gòu)件的出運開辟了新的 途徑。這一技術(shù)由于采用氣動技術(shù)， 傳遞動力采用壓縮空氣， 從而可以保證生產(chǎn) 施工的綠色特性，實現(xiàn)了生產(chǎn)的環(huán)保性：同時，由于該技術(shù)采用氣動傳動，加大 了承載面積， 降低了單位面積承載力， 有利于企業(yè)降低生產(chǎn)成本； 顯示了該技術(shù) 的巨大頂升能力和其他優(yōu)越性能， 因而受到工程界的廣泛關(guān)注。這種新穎的起重 技術(shù)在大噸位、大體積構(gòu)件頂升方面的特點和優(yōu)越性， 是傳統(tǒng)的液壓式起重技術(shù)
不能比擬的， 隨著氣動頂升技術(shù)應(yīng)用的推廣和發(fā)展， 并且由于控制技術(shù)發(fā)展， 使
這種新工藝的科技含量日益提高。
1.4.2 大型構(gòu)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的提出
大型構(gòu)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的設(shè)計就是在氣囊搬運大型構(gòu)件新工藝的基礎(chǔ) 上，從系統(tǒng)論的觀點，就氣動頂升技術(shù)、氣動搬運、變頻調(diào)速技術(shù)、供氣系統(tǒng)等 進(jìn)行優(yōu)化組合， 形成了集頂升與搬運于一體的氣動新系統(tǒng)。 由于其內(nèi)容涉及到氣 動技術(shù)、起重技術(shù)、變頻調(diào)速、建筑工程等眾多學(xué)科領(lǐng)域，相關(guān)性較強，是多領(lǐng)
域的交叉融合，這更加大了設(shè)計的難度。
我們通過大型構(gòu)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的設(shè)計研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)具有下列優(yōu)
勢：
(1)綠色設(shè)計，綠色生產(chǎn)
在系統(tǒng)設(shè)計過程中就充分考慮到環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施， 將環(huán)境性能作 為系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和出發(fā)點， 力求使該系統(tǒng)對環(huán)境的影響達(dá)到最小， 這是我們采 用氣動技術(shù)的一個重要原因。相對于真正的清潔生產(chǎn)技術(shù)而言， 這里所提到的清 潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)施工過程。在這一環(huán)節(jié)， 著眼于綠色生產(chǎn)進(jìn)行選擇綠色生產(chǎn)工 藝技術(shù)、綠色生產(chǎn)工藝設(shè)備與裝備等， 采用氣動技術(shù)、使用氣囊等裝備是綠色生
產(chǎn)的集中表現(xiàn)。
(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便安全
整個氣動搬運頂升系統(tǒng)主要由頂升、搬運、供氣、控制等四個子系統(tǒng)組成， 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單。操作簡易安全， 頂升時利用卷揚機將氣囊拉入頂升溝， 無需操 作人員進(jìn)入頂升溝， 有利于施工操作人員的安全； 利用空壓機對起重氣囊充氣就 可以將沉箱等大型構(gòu)件平穩(wěn)地頂升， 可以有充分時間觀察沉箱等大型構(gòu)件姿態(tài)情
況，待頂升構(gòu)件到位后進(jìn)行定位后，對氣囊放氣完成后，將氣囊抽出即可。
(3)系統(tǒng)適應(yīng)強成本低氣囊頂升搬運時因為荷載分布均勻，避免了因為
局部荷載過大而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降， 避免了在頂升過程中因局部沉降 過大造成對混凝土基礎(chǔ)的損壞。對地基承載力要求低， 由于氣囊底部承載力受力 均勻， 再通過頂升溝的混凝土基礎(chǔ)將荷載分散傳遞給地基， 這就進(jìn)一步對地基承 載力的要求。這使得該系統(tǒng)具有更為廣泛的使用范圍， 即可在地基礎(chǔ)差別較大的
區(qū)域使用，增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性。這樣，在生產(chǎn)施工中，與普通的起重設(shè)備相比
就大大簡化了基礎(chǔ)處理的工作量， 降低了基礎(chǔ)處理的成本， 特別是節(jié)省了處理專
用頂升溝混凝土基礎(chǔ)的費用。
(4)具有良好的應(yīng)用前景
目前船舶等大型金屬結(jié)構(gòu)件、港口建設(shè)用沉箱以及防波堤壩工程用大型水工 構(gòu)件等需要量非常大，我們先后對天津港、威海港、大連港、龍口港、福州港等 一系列港口進(jìn)行了調(diào)研， 并到中港第一航局第一工程公司第十六項目部、 山東港 灣建設(shè)有限公司威海港四期工程項目部、大連港預(yù)制廠等相關(guān)施工企業(yè)走訪， 他 們每年都有大量在陸上預(yù)制在水上安裝的大型構(gòu)件， 這些大型構(gòu)件需要從岸上預(yù) 制廠頂升搬運到半潛舶等大型船舶上， 這種大型構(gòu)件的陸海間頂升搬運是這些企
業(yè)生產(chǎn)施工的重要部分，他們對大型構(gòu)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的需求非常迫切。
1.5 本文研究的主要內(nèi)容
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展， 我國港口建設(shè)的規(guī)模越來越大， 目前我國港口重力式 碼頭的單個沉箱重量已超過1000t，有的甚至在2500t以上，這些超級沉箱若仍采 用在已有的碼頭前沿預(yù)制， 由大型起重設(shè)備出運、安裝的工藝已不適應(yīng)工程施工 的需要， 如采用陸上預(yù)制、滑道下水或塢內(nèi)預(yù)制后起浮出運的傳統(tǒng)工藝， 就受到 投資成本、工期、場地條件等多方面的制約。為此必需從大型沉箱陸上運輸?shù)募?術(shù)加以研究，尋求科學(xué)、經(jīng)濟的技術(shù)工藝，對高壓氣囊（下簡稱氣囊）搬運大型 沉箱技術(shù)進(jìn)行了重點的應(yīng)用研究。形成了一套比較完整的、適應(yīng)于多種規(guī)格沉箱
和重型構(gòu)件出運的氣囊搬運技術(shù)。
本文將對氣囊出運大型沉箱搬運系統(tǒng)和施工工藝進(jìn)行探討， 主要研究內(nèi)容包 括：氣囊選型、氣囊工作壓力確定與控制、氣囊工作高度、間距、條數(shù)設(shè)計以及 沉箱移動牽引系統(tǒng)的設(shè)計、預(yù)制沉箱的底模、沉箱上駁工藝等關(guān)鍵技術(shù)， 氣囊的 性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場的平面布置、沉箱搬運牽引和充氣系統(tǒng)、搬運 的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場和運輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟效益分析及推廣
應(yīng)用價值評估等。
到目前國內(nèi)氣囊搬運大型沉箱技術(shù)并無相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 國外也 未見有此技術(shù)應(yīng)用的公開報道。為此， 我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為： 氣囊
搬運技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于 200～3500t 的沉箱或其他重型構(gòu)件的施
工，必須滿足現(xiàn)場預(yù)制場的場地條件； 確定氣囊搬運技術(shù)的工藝設(shè)計和主要參數(shù)； 制定技術(shù)規(guī)程和安全事項； 研究并設(shè)計與氣囊搬運技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場平面布 置、預(yù)制沉箱的底模、通道、堆場、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動速度、沉箱上駁
的碼頭設(shè)施、半潛駁的改造等。
根據(jù)以上討論，本文將對以下問題作進(jìn)一步的探討與研究。
(1)介紹頂升氣囊布置方式的確定原則，進(jìn)行超高壓頂升氣囊的選用，完成
頂升溝槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計、頂升氣囊的選用。
(2)對行走氣囊的選用、卷揚機及地錨的布置圖設(shè)計進(jìn)行討論。
(3)介紹大型構(gòu)件前后牽引同步控制系統(tǒng)的設(shè)計。
(4)探討高壓氣囊搬運沉箱的施工工藝和安全措施。
(5)探討氣囊搬運的優(yōu)點和經(jīng)濟效益分析。
第 2 章 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運系統(tǒng)
氣囊搬運技術(shù)的主要內(nèi)容包括： 氣囊的性能、氣囊的承載力、沉箱預(yù)制場的 平面布置、沉箱搬運牽引和充氣系統(tǒng)、搬運的技術(shù)工藝、沉箱預(yù)制底模、堆場和
運輸通道、上駁工藝、經(jīng)濟效益分析及推廣應(yīng)用價值評估等。
到目前國內(nèi)氣囊搬運大型沉箱技術(shù)并無相關(guān)的技術(shù)規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)， 國外也 未見有此技術(shù)應(yīng)用的公開報道。為此， 我們應(yīng)用研究的技術(shù)線路和目標(biāo)為： 氣囊 搬運技術(shù)的適用性，即該技術(shù)要適用于 200～3500t 的沉箱或其他重型構(gòu)件的施 工，必須滿足現(xiàn)場預(yù)制場的場地條件； 確定氣囊搬運技術(shù)的工藝設(shè)計和主要參數(shù)； 制定技術(shù)規(guī)程和安全事項； 研究并設(shè)計與氣囊搬運技術(shù)相關(guān)的沉箱預(yù)制場平面布 置、預(yù)制沉箱的底模、通道、堆場、供氣系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、移動速度、沉箱上駁
的碼頭設(shè)施、半潛駁的改造等。
2.1 大型構(gòu)件高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能
2.1.1 大型構(gòu)件氣動搬運系統(tǒng)的功能的界定
大型構(gòu)件氣動搬運系統(tǒng)的功能主要包括：頂升、搬運以及與之相聯(lián)系信息 的處理等功能， 這幾項功能也稱為大型構(gòu)件氣動搬運系統(tǒng)的幾個重要環(huán)節(jié)， 其基
本功能的組成情況見圖 2－1 所示?，F(xiàn)將其中主要的功能簡述如下：
[attach]8124[/attach]
圖 2－1 大型沉箱高壓氣囊搬運系統(tǒng)的功能構(gòu)成
2.1.2 頂升功能分析
頂升是構(gòu)件搬運系統(tǒng)的主要功能之一，其在構(gòu)件搬運系統(tǒng)中的主要任務(wù)是解 決物料在空間上的位移問題。頂升過程并不改變產(chǎn)品的實物形態(tài)， 也不增加其數(shù) 量， 但通過頂升作業(yè)可以解決大型構(gòu)件空間距離問題， 創(chuàng)造商品的空間效用， 實 現(xiàn)其使用價值。 因此， 頂升是構(gòu)件搬運系統(tǒng)的一個極為重要的環(huán)節(jié)， 頂升的合理
與否，在很大程度上影響著構(gòu)件搬運系統(tǒng)是否合理的問題。
2.1.3 搬運功能分析
搬運是隨輸送和倉儲而產(chǎn)生的必要物流活動，是在統(tǒng)一地域范圍內(nèi)進(jìn)行的、 以改變物料的存放狀態(tài)和空間位置為主要內(nèi)容和目的的活動， 是對運輸、倉儲等 物流活動進(jìn)行銜接的中間環(huán)節(jié)。物流各階段的前后和統(tǒng)一階段的不同活動之間， 都必須進(jìn)行搬運作業(yè)。可見， 搬運是物的不同運動階段之間互相轉(zhuǎn)換的橋梁。 正 是搬運把物的運動的各個階段聯(lián)結(jié)為連續(xù)的“流”，使物流的概念名實相符。其 中搬運作業(yè)具體包括：牽引、堆垛、出庫以及連接以上各項動作的短程搬運。在 生產(chǎn)物流活動的全過程中， 裝卸搬運活動的管理， 主要是對裝卸搬運方式的選擇、 裝卸搬運機械的選擇和合理配置與使用以及裝卸搬運合理化， 盡可能減少裝卸搬
運次數(shù)。
2.1.4 氣動功能分析
氣動系統(tǒng)是一門傳動和控制技術(shù)，它以氣體為介質(zhì)，并通過氣體的壓縮、 膨脹、吸熱和放熱等過程實現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換。氣動系統(tǒng)是以壓縮空氣為工作 介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞和信號傳遞的一門技術(shù)。氣動控制系統(tǒng)的工作原理是利用空壓 機把電動機或其它原動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為空氣的壓力能， 然后在控制元件的 作用下， 通過執(zhí)行元件把壓力能轉(zhuǎn)換為直線運動或回轉(zhuǎn)運動形式的機械能， 從而 完成各種動作，并對外做功。由此可知，氣動傳動系統(tǒng)是由四部分組成的，它們
是：
(1)氣源裝置是獲得壓縮空氣的裝置。其主體部分是空氣壓縮機，它將原動
機供給的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能；
(2)控制元件是用來控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向的，以便使執(zhí)行
機構(gòu)完成預(yù)定的工作循環(huán)， 它包括各種壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥等；
(3)氣囊是將氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。
(4)輔助元件是保證壓縮空氣的凈化、元件的潤滑、元件間的連接及消聲等
所必須的，它包括過濾器、油霧器、管接頭及消聲器等。
2.1.5 檢測功能分析
檢測系統(tǒng)主要用來獲得大型構(gòu)件的空間姿態(tài)信息、頂升/行走氣囊的壓力信 息， 并將這些信息通過現(xiàn)場實時網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控計算機， 主控計算機則根據(jù)當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)傳來的氣囊位置信息決定卷揚機的下一步動作， 同時， 主控計算機也可以根
據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳來的頂升載荷信息和構(gòu)件姿態(tài)信息決定整個系統(tǒng)的同步調(diào)節(jié)量。
2.2 高壓氣囊頂升與搬運系統(tǒng)的設(shè)計
2.2.1 頂升氣囊集群布置方式的確定
（1）頂升氣囊集群布置方式的確定原則
確定頂升氣囊的擺放方式和頂升氣囊的數(shù)量是大型構(gòu)件整體頂升中一項非 常重要的工作， 它直接關(guān)系到大型構(gòu)件在頂升過程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施
工經(jīng)濟性，因此，應(yīng)經(jīng)過慎重考慮和確定頂升氣囊的布置方式。
根據(jù)大型構(gòu)件的出運方向、本著操作方便的原則均勻、對稱擺放。根據(jù)大 型構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點的不同，頂升氣囊集群可采用通長一列或左右兩列的排放方法，
方向垂直于大型構(gòu)件移動的方向。
大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常分為圓柱型和箱體型，各種類型的構(gòu)件頂升集群的布
置形式也有所不同。
（2）圓柱型和箱體型大型構(gòu)件的氣囊集群布置
圓柱類大型構(gòu)件的頂升氣囊的平面布置形式如圖 2－2 所示。
[attach]8125[/attach]
圖 2－2 圓柱形大型構(gòu)件氣囊布置圖
長方型大型構(gòu)件的氣囊布置方式如下圖 2－3 所示
[attach]8126[/attach]
圖 2－3 長方形大型構(gòu)件氣囊布置圖
在布置形式具體設(shè)計時， 應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點， 選擇確定氣囊集群的具體
布置形式。
2.2.2 氣動頂升結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.2.2.1 頂升溝槽結(jié)構(gòu)設(shè)計
在大型構(gòu)件臺座預(yù)制時，設(shè)置數(shù)道頂升溝槽作為頂升氣囊集群放置通道， 并在頂升溝槽上設(shè)置頂升托板作為大型構(gòu)件制造平面臺座。大型構(gòu)件預(yù)制完成 后， 將氣囊集群各氣囊依次通過頂升溝槽放置在構(gòu)件下面， 氣囊充氣將頂升托板 和大型構(gòu)件同時頂升到合適高度， 放置墊木， 當(dāng)支墊木放置完畢后， 氣囊集群的 各氣囊開始放氣， 使大型構(gòu)件下落到支墊木上。 當(dāng)大型構(gòu)件座實后， 氣囊繼續(xù)放
氣，頂升托板落回原處，抽出氣囊，整個大型構(gòu)件頂升動作完成。
根據(jù)頂升功能，大型構(gòu)件頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括頂升溝槽、預(yù)制平臺、溝槽 基礎(chǔ)、頂升托架、頂升氣囊集群以及供氣系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)， 我們以大型沉箱為例
設(shè)計頂升系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 2－4 所示，頂升溝槽的結(jié)構(gòu)詳圖如圖 2－5 所示。
[attach]8127[/attach]
圖 2－4 頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖中， a －頂升溝槽間距， m
[attach]8128[/attach]
圖 2－5 頂升溝槽結(jié)構(gòu)詳圖
圖中 H1 －頂升溝槽支承肩的高度， ~
H2 －頂升溝槽深度， mm
H3 －頂升溝槽基礎(chǔ)厚度， mm
B1 －頂升溝槽支承肩的寬度， mm
B2 －頂升溝槽寬度， mm
B3 －頂升溝槽基礎(chǔ)寬度， mm
2.2.2.2 頂升溝槽的結(jié)構(gòu)特點
該頂升溝槽結(jié)構(gòu)的特點如下：
(1)對地基承載力要求低。如：威海港口建設(shè)工程中的 22O0t 大型沉箱頂升 使用 3 條直徑的 1m 頂升氣囊，每條氣囊底部承載力為 35t/m，左右，這部分載 荷通過頂升溝槽的混凝土基礎(chǔ)將荷載分散傳遞給地基，要求的地基承載力在
10t/m，左右，完全能夠滿足了碼頭后方地基承載力的要求。
(2)受力均勻。氣囊頂升時因為荷載分布均勻，避免了因為局部荷載過大而 使地基產(chǎn)生的不均勻沉降， 避免了在頂升過程中因局部沉降過大造成對混凝土面
層的損壞。
(3)操作簡單，安全高效。利用卷揚機將氣囊拉入頂升溝，無需人員進(jìn)入頂 升溝， 用空壓機將 3 條氣囊同時充氣只需 20 分鐘左右就可以將沉箱平穩(wěn)的頂升， 在支墊好方木后， 氣囊緩緩放氣， 可以有充分時間觀察混凝土面層及沉箱的情況，
放氣完成后，將氣囊抽出即可。
(4)成本低廉。采用頂升溝槽及頂升托架其造價與單獨施工混凝土地面差不
多，節(jié)省了處理專用頂升溝基礎(chǔ)費用， 只需施工預(yù)制場 25cm 混凝土面層的費用。
2.2.3 起重氣囊的設(shè)計
2.2.3.1 起重氣囊的工況分析
起重氣囊為高強度尼龍纏繞橡膠氣囊，其獨特的整體纏繞成型工藝，使氣 囊囊壁成為無接縫、各向強度均衡的復(fù)合結(jié)構(gòu)， 再加上高強度的尼龍纖維增強材 料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠， 使同等的囊壁厚度具有比一般橡膠更高的強度。具有吸收 沖擊能量大， 作用大型構(gòu)件單位面積上的壓力低， 耐沖擊疲勞性能優(yōu)。我國船舶 業(yè)已成功運用氣囊進(jìn)行船舶的上排、下水，按照《船舶上排、下水用氣囊》標(biāo)準(zhǔn) (GB/T3795－1996)和《船舶用氣囊上排、下水工藝要求》標(biāo)準(zhǔn)(CB/T3837－1998)。
氣囊分為低壓、中壓、高壓三種，氣動頂升系統(tǒng)應(yīng)用的氣囊屬高壓氣囊類型。
2.2.3.2 起重氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計
[attach]8129[/attach]
圖 3－6 氣囊縱剖面圖
2.2.3.3 起重氣囊技術(shù)參數(shù)的設(shè)計與計算
(1)氣囊囊體承載能力計算
公式為：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊體承載力， kN
P －氣囊公稱壓力， MPa
S－氣囊受壓后的橫截面積， mm2
氣囊是柔性彈性體，在使用過程中其形狀受構(gòu)件形狀、地面形狀、構(gòu)件寬 度、氣囊長度和布置位置等多種因素的影響而改變。所以， 承載面積與承載力也
隨著變化。
（2）囊公稱直徑 D 的選擇
氣囊公稱直徑 D 是指氣囊在自由狀態(tài)下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態(tài)下氣 囊的直徑。氣囊的直徑愈大， 價格愈高， 氣囊的成本高； 反之， 氣囊的直徑愈小， 允許的氣囊工作壓力愈大，同時對其配套設(shè)施(如：空壓機、壓力表、充氣管、 連接件等)要求高，操作安全性降低。綜合考慮上述因素，選擇氣囊不僅要考慮
安全可靠，同時也要考慮其經(jīng)濟性。氣囊直徑一般選取 0.8m 或 lm 為宜。
(3)氣囊工作高度的選擇
氣囊工作高度是指在頂升作業(yè)時大型構(gòu)件底平面至頂升溝基礎(chǔ)表面的高 度。氣囊的工作高度過高或過低均不利于大型構(gòu)件的頂升， 若氣囊的工作高度過 高時，大型構(gòu)件穩(wěn)定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高 度過低時既造成氣囊的取放不便， 也會造成氣囊體與構(gòu)件和頂升槽的接觸面積加
大，加劇了磨損，影響了氣囊的使用壽命。
（4）氣囊長度l的選擇
氣囊長度l是指氣囊囊體的長度， 不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長度l的選
擇是根據(jù)氣囊的承載面長度和氣囊公稱直徑 D 而定，氣囊的承載面長度與大型 構(gòu)件的底板尺寸有關(guān)。 一般設(shè)計時， 應(yīng)保證氣囊的氣囊頭從大型構(gòu)件的底部伸出 為宜，但伸出長度不能過長。若伸長部分過長，在頂升過程中，氣囊頭部分受力 情況復(fù)雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。在頂升時，還應(yīng)計算出頂 升氣囊集群的總長度。計算時， 應(yīng)先根據(jù)構(gòu)件的出運邊寬選擇中一根氣囊的長度， 再確定頂升高度。 由此計算出承載面積， 按照氣囊的公稱壓力計算出所需氣囊的
最短總長度。
氣囊承載面寬度 B 與氣囊公稱直徑 D 和氣囊工作高度 H 有關(guān)。氣囊受壓后， 其截面可看作由直徑為 H 的 2 個半圓和長度為 B、H 的長方形組成，見圖 3－7
所示。
[attach]8130[/attach]
圖 3－7 頂升氣囊頂升大型構(gòu)件的示意圖
圖中 B－承載面寬度， mm
H－氣囊工作高度， mm
承載面寬度 B 是氣囊公稱直徑和氣囊工作高度 H 的函數(shù)，其大小為：
B = π (D H ) / 2
承載面積
S = Bl = π (D H )l / 2
單根氣囊的承載力
F = SP = π (D H )lP / 2
所需氣囊的總長度
Ltotal = G / F = [attach]8132[/attach]
式中 l －單根氣囊的承壓長度， mm
G－大型構(gòu)件的重量， kN
2.2.4 行走氣囊布置方式的確定
(1)搬運時氣囊集群布置方式的確定原則
合理的氣囊擺放方式和數(shù)量是大型構(gòu)件整體搬運中一項非常重要的工作， 它直接關(guān)系到大型構(gòu)件在搬運過程中的穩(wěn)定性、安全可靠性和施工經(jīng)濟性， 因此，
應(yīng)經(jīng)過慎重考慮和確定行走氣囊的擺放方式。
大型構(gòu)件的結(jié)構(gòu)通常為箱體型，隨著大型構(gòu)件外形尺寸的變化，搬運時氣 囊的布置形式也有所不同。主要影響因素有： 大型構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式和出運方向。搬 運時氣囊一般采用通長一列或左右兩列的擺放方法， 方向垂直于大型構(gòu)件移動的
方向。
因此，搬運時氣囊布置方式的確定原則為：操作方便、均勻?qū)ΨQ擺放。
(2)箱體型大型構(gòu)件的氣囊布置方式的選擇
箱體型大型構(gòu)件的氣囊擺放方式如圖 3－8 所示， 在氣囊布置形式的具體設(shè)
計過程中，應(yīng)根據(jù)大型構(gòu)件的特點，選擇確定氣囊集群的具體布置形式。
[attach]8133[/attach]
3－8 行走氣囊集群布置形式圖
2.2.5 行走氣囊的選用
2.5.5.1 行走氣囊工況說明
行走氣囊搬移重物的工作原理與滾筒搬運重物的工作原理基本相同，在重 物底部與地面之間有規(guī)律地支墊若干個行走氣囊， 通過外力牽引， 使行走氣囊向 前滾動，從而使重物與地面產(chǎn)生定向相對移動，從而達(dá)到搬移大型構(gòu)件的目的。 與滾筒有所不同的是： 滾筒與物體呈線接觸， 氣囊與物體則為面接觸。這種面接 觸滾動的方法，減輕了重物接觸面局部的磨損，由于受力面積大、壓強小，使用 時氣囊壓力一般僅為 0.2MPa 以下， 也避免了大型構(gòu)件支墊面積小而對重物造成 損壞，且對場地要求不高。因此，行走氣囊與頂升氣囊結(jié)構(gòu)基本相同。考慮到行 走氣囊移動過程中的磨損， 行走氣囊的氣囊壁與大型構(gòu)件、移動地面狀況， 需增 加氣囊壁厚度，以提高氣囊的使用壽命。另外，搬運時，氣囊工作氣壓較低，相 應(yīng)的氣囊所需要的承載力也較小， 一般采用中壓氣囊或高壓氣囊。 中壓、 高壓氣
囊技術(shù)參數(shù)見下表 3－1。
2.5.5.2 行走氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計
行走氣囊既承受大型構(gòu)件的重量， 又要完成滾動的功能， 這就要求氣囊不僅 具有良好的承載能力和耐沖擊性能， 還需要高的耐磨損性能。根據(jù)這些要求， 我 們對氣囊形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計， 通過分析比較確定氣囊體采用長圓柱形、氣囊頭
為圓錐形狀的氣囊結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)氣囊結(jié)構(gòu)的設(shè)計， 在氣囊壁材料選擇上采用高強
度的
表 3－1 行走氣囊參數(shù)表
氣 囊 類 氣囊直徑（ m ） 公 稱 壓 力 氣 囊 試 驗 壓 力 工作高度(m)
型 (MPa) (MPa)
0.8 0.26 0.30 0.40
1 0.20 0.24 0.50
高 壓 氣 1.2 0.18 0.22 0.60
囊
1.5 0.16 0.20 0.70
1.8 0.14 0.18 0.80
2 0.14 0.18 0.90
0.8 0.13 0.18 0.40
2 0.10 0.15 0.50
中 壓 氣 1.2 0.09 0.15 0.60
囊
1.5 0.08 0.13 0.70
1.8 0.07 0.10 0.80
2 0.07 0.10 0.90
龍纖維增強材料和優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口橡膠。氣囊壁結(jié)構(gòu)是整個行走氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān) 鍵， 要實現(xiàn)氣囊囊壁無接縫、各向強度均衡以及高的耐磨性能， 通過單一純橡膠 結(jié)構(gòu)、錦綸簾子布與橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗、磨損試驗， 選定了外 層橡膠、錦綸簾子布、內(nèi)層橡膠 3 層組成的氣囊囊壁復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，錦綸簾子 布相當(dāng)于氣囊骨架，主要用來承載，滿足氣囊的承載要求，根據(jù)工作壓力選定； 考慮到長期磨損， 其內(nèi)外層均為橡膠層， 內(nèi)外層橡膠實現(xiàn)耐沖擊和耐磨性能； 整 個氣囊采用高強度尼龍與橡膠整體纏繞成型， 實現(xiàn)氣囊囊壁無接縫， 氣囊嘴為鋁 合金鑄件。氣囊骨架材料—錦綸簾子布的層數(shù)根據(jù)氣囊工作壓力選用， 中壓氣囊
簾子布一般為 3 層， 高壓氣囊簾子布一般為 6 層， 并要求簾子布層間附著力要不
小于 7kN/m，氣囊囊壁的斷面厚度約 10mm 左右。行走氣囊的縱斷面結(jié)構(gòu)形式與 起重氣囊相同。氣囊壁內(nèi)、外層橡膠的物理機械性能要滿足氣囊工作時的強度、
硬度、伸長率等要求，國家標(biāo)準(zhǔn)對橡膠的各項機械性能規(guī)定如表 3－2 所示。
表 3－2 行走氣囊內(nèi)外層橡膠力學(xué)性能表
2.5.5.3 行走氣囊工作參數(shù)的確定
(1)氣囊囊體承載能力計算
公式為：
Q = PS 103
式中 Q －每米囊體承載力， kN
P －氣囊公稱壓力， MPa
S－氣囊受壓后的橫截面積， mm2
氣囊是柔性彈性體，在使用過程中其形狀受構(gòu)件形狀、地面形狀、構(gòu)件寬
度、氣囊長度和布置位置等多種因素的影響而改變。所以， 承載面積與承載力也
隨著變化。
（2）囊公稱直徑 D 的選擇
氣囊公稱直徑 D 是指氣囊在自由狀態(tài)下充填一定氣壓的壓縮空氣狀態(tài)下氣 囊的直徑。氣囊的直徑愈大， 價格愈高， 氣囊的成本高； 反之， 氣囊的直徑愈小， 允許的氣囊工作壓力愈大，同時對其配套設(shè)施(如：空壓機、壓力表、充氣管、 連接件等)要求高，操作安全性降低。綜合考慮上述因素，選擇氣囊不僅要考慮
安全可靠，同時也要考慮其經(jīng)濟性。氣囊直徑一般選取 0.8m 或 lm 為宜。
(3)氣囊工作高度的選擇
氣囊工作高度是指在頂升作業(yè)時大型構(gòu)件底平面至頂升溝基礎(chǔ)表面的高 度。氣囊的工作高度過高或過低均不利于大型構(gòu)件的頂升， 若氣囊的工作高度過 高時，大型構(gòu)件穩(wěn)定性差，此外氣囊囊體壓力大，也不利于氣囊的安全；工作高 度過低時既造成氣囊的取放不便， 也會造成氣囊體與構(gòu)件和頂升槽的接觸面積加
大，加劇了磨損，影響了氣囊的使用壽命。
（4）氣囊長度l的選擇
氣囊長度l是指氣囊囊體的長度， 不包括氣囊頭部分的尺寸。氣囊長度l的選 擇是根據(jù)氣囊的承載面長度和氣囊公稱直徑 D 而定，氣囊的承載面長度與大型 構(gòu)件的底板尺寸有關(guān)。 一般設(shè)計時， 應(yīng)保證氣囊的氣囊頭從大型構(gòu)件的底部伸出 為宜，但伸出長度不能過長。若伸長部分過長，在頂升過程中，氣囊頭部分受力
情況復(fù)雜，易造成氣囊的磨損，降低氣囊的使用壽命。
2.5.5.4 行走氣囊數(shù)量的確定
根據(jù)搬運的大型構(gòu)件重量并考慮安全系數(shù)及氣囊性能，即可計算出搬運單
個大型構(gòu)件時所需氣囊數(shù)量。計算公式如下：
N = k
2G
πPl(D H )
式中，G-大型構(gòu)件的重量， kN
N－滾動氣囊的數(shù)量
k－系數(shù)， k=1.2~1.3
l－單根氣囊的承壓面長度， mm
H－囊承載面高度， mm
P－氣囊公稱壓力， MPa
D－氣囊公稱直徑， m
經(jīng)計算得出搬運沉箱所需氣囊數(shù) N，并考慮各氣囊間的合理凈間距， 最后確
定實際的氣囊數(shù)量。
注意：氣囊凈間距是指搬運時兩相鄰氣囊之間的間距，其值一般不小于
0.5m。
2.2.6 牽引系統(tǒng)設(shè)計
2.2.6.1 牽引系統(tǒng)設(shè)備的布置
牽引系統(tǒng)由卷揚機、動滑輪及牽引繩等組成。卷揚機是牽引系統(tǒng)的動力裝置， 其動力大小、安放位置直接關(guān)系到牽引系統(tǒng)的牽引能力， 其安放位置需根據(jù)大型 構(gòu)件的移動方向布置在構(gòu)件的兩側(cè)。動滑輪在大型構(gòu)件在牽引系統(tǒng)中作用重大， 主要用來減少卷揚機的牽引力， 一般選擇多門動滑輪， 其位置在卷揚機和大型構(gòu) 件之間。構(gòu)件的移動由數(shù)臺卷揚機通過滑輪組在大型構(gòu)件兩側(cè)同步牽引實現(xiàn)， 為 確保大型構(gòu)件移動過程的平穩(wěn)、安全， 在移動的反方向上用設(shè)置同樣的牽引系統(tǒng)
進(jìn)行反向牽引保護(hù)。大型構(gòu)件搬運時牽引裝置布置示意圖見圖 3－9。
圖 3－9 中，牽引繩夾角是指牽引繩與移動方向的夾角，其大小由卷揚機的 位置和大型構(gòu)件的位置決定。牽引繩一般采用鋼絲繩， 大型構(gòu)件牽引高度位置應(yīng) 低于構(gòu)件重心高度， 并考慮卷揚機架高度及操作方便等因素。若牽引位置高于卷 揚機架高度時， 牽引時產(chǎn)生的向下分力， 增加氣囊的摩擦力， 影響氣囊使用壽命； 若捆綁位置低于卷揚機架高度時，產(chǎn)生的向上分力，不利于沉箱的穩(wěn)定。為此，
牽引高度位置一般應(yīng)與卷揚機架等高。
[attach]8134[/attach]
圖 3－9 牽引裝置布置圖
2.2.6.2 牽引力的計算
F = kGf +
kGV
gT
式中， F－搬運沉箱的牽引力， kN
G－沉箱自重， kN
g－重力加速度， g=10 m / s 2
f－氣囊與地面的滾動摩擦系數(shù)，與地面情況和氣囊的工作高度有關(guān)， 一般取
0.03~0.05
V－沉箱移動速度， m / s
T－起動時間，從 O 至設(shè)計移動速度
k－安全系數(shù)，取 k=l.2
2.3 氣囊搬運實例分析
在氣動搬運大型構(gòu)件時氣囊集群共同承受大型構(gòu)件的重量，為了確保搬運
安全， 同一氣囊中各處負(fù)載必須均衡， 不同氣囊間的負(fù)載也必須均衡， 不能超過
氣囊體剛度， 否則易造成大型構(gòu)件的傾斜， 影響搬運的安全。 下面以某箱梁構(gòu)件
為例進(jìn)行分析。
2.3.1 箱梁搬運實例
(1) 箱梁的技術(shù)參數(shù) 這是某工程用箱梁，箱梁重量達(dá) 1525 噸，根據(jù)工程要 求，該構(gòu)件在陸地進(jìn)行預(yù)制、水上施工安裝，構(gòu)件的基本技術(shù)數(shù)據(jù)見表 3－3，
具體形狀和行走氣囊的布置方式參見圖 3－8 所示。
.表 3－3 箱梁基本技術(shù)參數(shù)表
(2) 箱梁橫移出一只氣囊時的力學(xué)模型建立
l) 工況分析箱梁在水平移動過程中，只是在移動方向上受到牽引力作用， 而沿箱梁長度方向不受力， 根據(jù)箱梁這種受力特點， 假設(shè)： 同一氣囊在其承載長 度上各處起重高度均相等， 即忽略箱梁傾斜后對氣囊兩邊起重高度的影響。當(dāng)箱
梁橫移過程中， 一條氣囊移出箱梁時狀態(tài)如圖 3－10 所示。
[attach]8136[/attach]
圖 3－10 箱梁狀態(tài)圖
2) 箱梁重心計算箱梁重心的位置直接關(guān)系到其自身的平衡和穩(wěn)定，由于大 型構(gòu)件箱梁的自重大、平面尺寸大，當(dāng)箱梁在移動時，由于自身的慣性大，會直 接影響到搬運的安全， 因此， 我們對箱梁的重心位置坐標(biāo)進(jìn)行了確定。建立箱梁
平面坐標(biāo)系如圖 3－11 所示。
[attach]8137[/attach]
圖 3－11 某箱梁重心坐標(biāo)圖
在 X－Y 平面內(nèi)，設(shè)箱梁的重心坐標(biāo)為 C( Xc ， Yc )，根據(jù)物體的重心坐標(biāo)公式
Xc = AxdA / A
Yc = A ydA / A
確定此箱梁的重心坐標(biāo) C(0， 1520)mm。
3) 箱梁力學(xué)模型的建立以與箱梁底部垂直且通過箱梁重心的橫截面做箱梁
平面力系，建立箱梁力學(xué)模型如下圖 3－12 所示：
[attach]8138[/attach]
3－12 箱梁受力圖
圖中 Fi －各氣囊對箱梁的起重力， kN
G－箱梁自重， kN
N－箱梁對氣囊的正壓力， kN
f－箱梁的下滑力， kN
β - 箱梁與地面的水平夾角.
(3) 氣囊起重力與起重高度的關(guān)系分析
l)單條氣囊起重力與起重高度關(guān)系
F = Px L xb
= Px L xπ x (D - H ) / 2
式中， F－氣囊起重力， kN
H－氣囊起重高度， mm
L－氣囊工作長度， mm
B－氣囊工作寬度， mm
D－氣囊公稱直徑， mm
P－氣囊工作壓力， MPa
2) 單條氣囊起重力與起重高度增量△h 關(guān)系分析
FΔh = Px L xπ x[D - (h + Δh)]政 2
3) 箱梁橫移出一只氣囊時的穩(wěn)定性校核在箱梁移動過程中，采用卷揚機和 滑輪組通過鋼絲繩牽引，移動速度低， 一般小于 3m/min，同時，箱梁前后均進(jìn) 行牽引， 保障了箱梁以較均勻的速度前進(jìn)。 故箱梁穩(wěn)定性校核時， 可簡化為箱梁
穩(wěn)定狀態(tài)的計算。
設(shè)氣囊以 Fr 為支點，建立箱梁的 3 個受力方程：
Σ Fr = 0
F1 + F2 + F3 + F4 + F5 = N / 2
ΣM( F1) = 0 （3－14）
1026F2 + 2 x1026F3 + 3x1026F4 + 4 x1026F5 +1520f - (1026+ 513+1520tgβ)N / 2 = 0
f < 氣囊滾動阻力
其中，由公式 3－14 得出：
F2 = F1 - (Px L xπ x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F3 = F1 - (Px L xπ x 2 x1026x tgβ) / 2 = F1 - 513πPLx tgβ
F4 = F1 一 (Px L xπ x 3x1026x tgβ) / 2 = F1 一 513πPLx tgβ
F5 = F1 一 (Px L xπ x 4 x1026x tgβ) / 2 = F1 一 513πPLx tgβ
設(shè) A = 513πPL ，可得
5F1 一 10Ax tgβ = Gx cos β / 2
1026F1 一 3x1026Atgβ 一 154嘗 2G 嘗 cos β = 0
因為箱梁傾角很小， 可以忽略重心的偏移及下滑力對箱梁的力矩， 將原力學(xué)
模型進(jìn)行簡化：
5F1 一 10Ax tgβ = G / 2
10F1 一 30Ax tgβ = 1.5G / 2
可得 ：
tgβ = 0.25G /10A =
(0.25x1400x1000) /10x 513x 3.14x1.22x12x100 = 0.148
所以 β = 0.85。，可得
箱梁下滑力 f = Gx sin β = 15250xsin 0.85 = 200kN
2.3.2 氣動搬運沉箱實例
(1)基本技術(shù)參數(shù)這是某工程用沉箱， 沉箱重量達(dá) 2365 噸， 是港口用大型構(gòu) 件。根據(jù)工程施工要求， 該構(gòu)件采取在陸地預(yù)制與水上施工安裝相結(jié)合的施工工
藝，沉箱的具體形狀與尺寸要求見圖 3－13。
(2)橫移沉箱時氣囊集群的布置及其規(guī)格采用公稱直徑 1.0m、長 18.lm、工 作壓力 0.30MPa、試驗壓力 0.46MPa 的氣囊 14 條。在工作時，有效承載的氣囊 數(shù)量為 8 條，接應(yīng)用氣囊為 6 條。沉箱橫移高度為 0.4m 時，氣囊承載寬度為 0.942m，每條氣囊起重能力 3391kN，氣囊實際工作壓力為： 0.17MPa，氣囊采
用一列八行布置，各氣囊的徑向間距 1.04m。
[attach]8139[/attach]
圖 3－13 沉箱結(jié)構(gòu)參數(shù)圖
(3)沉箱橫移初始狀態(tài)簡圖
[attach]8140[/attach]
圖 3－15 沉箱橫移初始狀態(tài)簡圖
(4)沉箱橫移時左右方向變形受力分析以與沉箱底部垂直且通過沉箱重心的
橫截面做沉箱平面力系，建立沉箱力學(xué)模型如下：
[attach]8141[/attach]
圖 3－16 受力圖
圖中，箭頭－氣囊對沉箱的起重分布力
q－氣囊集度，取 172kN
G－沉箱自重， kN
f－沉箱下滑力， kN
β -沉箱與地面的水平夾角
1）單條氣囊增加承載面積 S
S = (B 一 b) xL 嘗 2
=(1256－942)x 9050 嘗 2 =1420580 mm2
式中，B-氣囊變形后的寬度， mm
b－氣囊變形前的寬度， mm
L－氣囊長度， mm
增加的承載形狀為三角形，其受力中心為距底邊的 1/3 處，其值為：
L/3=3016mm
則增加的承載力ΔF
ΔF = S x q = 244kN
增加抗反轉(zhuǎn)力矩 M
M = ΔF X (9.050一 3.016) = 1472kN . m
2) 總的抗反轉(zhuǎn)力矩=MX 8 = 2166784 kN . m
2.4 本章小結(jié)
本章的主要工作是根據(jù)頂升和搬運系統(tǒng)要求進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與氣囊選
用。主要包括：
(1)氣囊集群的布置方式直接影響系統(tǒng)的大小和能耗的多少，根據(jù)頂升出運
大型構(gòu)件的要求，首先需要確定氣囊集群的布置方式；
(2)氣動頂升系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是氣動頂升工藝的基礎(chǔ)和平臺，頂升溝槽的詳細(xì)結(jié) 構(gòu)直接影響整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 根據(jù)氣囊集群的布置方式確定頂升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各參
數(shù)；
(3)氣囊集群是系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行元件，所以氣囊的選擇是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān) 鍵所在。氣囊的技術(shù)參數(shù)關(guān)系到系統(tǒng)的工作性能， 確定氣囊的公稱直徑、工作高
度、長度、承載力及其氣囊數(shù)量的計算模型。
(4)為保證所建模型的準(zhǔn)確性，結(jié)合工程實際進(jìn)行了試驗，并對試驗情況進(jìn)
行了氣囊受力、穩(wěn)定性等性能評估分析。
第 3 章 控制系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計
3.1 控制系統(tǒng)的任務(wù)與要求
氣動頂升搬運系統(tǒng)涉及大型構(gòu)件的頂升氣囊集群、行走氣囊集群、牽引設(shè)備 和氣動系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計目的，實現(xiàn)系統(tǒng)運行安全、可靠、性能穩(wěn) 定、適應(yīng)性強、技術(shù)經(jīng)濟性高的要求， 確定控制系統(tǒng)的任務(wù)一是控制氣動系統(tǒng)進(jìn) 行頂升、搬運作業(yè)，二是控制牽引系統(tǒng)實現(xiàn)構(gòu)件的前進(jìn)、后退動作，三是保證頂
升搬運過程中構(gòu)件安全。
（1）高壓氣囊集群作業(yè)
以高壓氣囊作為整體頂升搬運設(shè)備， 主要應(yīng)用于大型構(gòu)件的頂升與搬運?？?慮到大型構(gòu)件的特點構(gòu)件的重量大，通常在數(shù)百噸到數(shù)千噸構(gòu)件的外形尺寸大， 一般在數(shù)米到數(shù)十米。因此， 氣動頂升搬運系統(tǒng)可以根據(jù)大型構(gòu)件的特點和施工 現(xiàn)場的條件靈活布置與組合， 構(gòu)成受力合理、動力足夠的施工作業(yè)系統(tǒng)， 因此常 用于各種大型、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件的陸上移動工作。根據(jù)各中大型構(gòu)件的具體情況和 移動的要求， 將若干中高壓氣囊與氣動閥組、泵站等組合成高壓氣囊集群。大型 構(gòu)件整體頂升時采用頂升氣囊集群， 整體移位時采用行走氣囊集群， 一般是一個
作業(yè)區(qū)配置一套頂升氣囊集群或行走氣囊集群。
（2）實現(xiàn)同步作業(yè)與負(fù)荷均衡
高壓氣囊集群應(yīng)保證頂升搬運移動過程中各氣囊同步作業(yè)， 才能實現(xiàn)各氣囊 的負(fù)荷均衡， 達(dá)到使大型結(jié)構(gòu)件的姿態(tài)平穩(wěn)的目的， 從而順利完成大型構(gòu)件頂升 或搬運任務(wù)。 同步作業(yè)， 是指各氣囊在工作時， 應(yīng)當(dāng)使氣動頂升與搬運時各高壓 氣囊工作的氣囊內(nèi)壓力相同、承載的工作面面積相同， 即各氣囊的承載長度、承
載寬度均應(yīng)相同，這樣就可保證在頂升搬運大型構(gòu)件時，各氣囊的負(fù)荷均衡。
（3）實現(xiàn)運動同步控制
大型構(gòu)件整體頂升作業(yè)、搬運作業(yè)易受到外部環(huán)境的影響， 這就要求在頂升
搬運系統(tǒng)應(yīng)具有實現(xiàn)運動方向的控制。在頂升時， 既能通過同時供氣， 實現(xiàn)頂升
的動作， 通過卸壓放氣， 實現(xiàn)降落的動作在搬運時， 通過牽引裝置位置的合理設(shè)
置實現(xiàn)水平移動方向的控制。
（4）卷揚機同步傳動要求鋼絲繩的線速度和張力恒定
對于這樣一個非線性、變參數(shù)耦合系統(tǒng)， 國內(nèi)目前通常采用摩擦傳動或機械 調(diào)速方法以近似實現(xiàn)恒線速度控制， 且以直流電機作為主傳動軸。近年來， 隨著 交流變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強的特點越顯突出， 交流傳動已成為發(fā)展趨勢，依據(jù)卷揚機成形理論和卷揚機同步控制系統(tǒng)的特點， 設(shè)計了一種以為控制系統(tǒng)核心， 不使用張力傳感器， 用交流變頻調(diào)速實現(xiàn)恒線速
度調(diào)節(jié)的新型卷繞同步控制系統(tǒng)。
3.2 運動同步控制系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計
3.2.1 控制系統(tǒng)功能分析
要實現(xiàn)大型構(gòu)件的搬運需做到所有高壓氣囊能夠同步動作，整個搬運系統(tǒng) 能夠按施工工藝所要求的流程和步驟工作， 而且， 大型構(gòu)件要始終保持合適的姿 態(tài)， 使施工負(fù)載穩(wěn)定性各項參數(shù)和偏差均符合設(shè)計要求， 因此， 控制系統(tǒng)的功能
如下：
（1）實現(xiàn)卷揚機的同步協(xié)調(diào)動作，包括整體聯(lián)動、局部聯(lián)動、單點單動等。
（2）按工藝規(guī)定的作業(yè)流程進(jìn)行連續(xù)平移，并能自動或半自動地根據(jù)不同工
況修正作業(yè)流程。
（3）將平移過程中各點的高度偏差限制在設(shè)計允許范圍內(nèi)
（4）在各點負(fù)載差異很大時，氣動系統(tǒng)采用不同氣壓組合配置進(jìn)行負(fù)載的均
衡控制
（5）自動采集存儲搬運過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行各種檢索和分析，
輔助工程技術(shù)人員做好系統(tǒng)調(diào)試、技術(shù)分析和技術(shù)總結(jié)。
3.2.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理
卷揚機主體的物理模型如圖 3－1 所示。 圖中卷輥和卷輥分別通過機械傳動 系統(tǒng)與臺三相交流感應(yīng)電動機相連接。 2 臺電動機中當(dāng) M1 為收卷時，為主令機， 帶動驅(qū)動輥收卷， 自身為光電編碼器速度閉環(huán)控制。 M 2 為從動機， 帶動放卷輥， 其功能是跟隨主令電機運行，收卷鋼絲繩， M 2 也為光電編碼器速度閉環(huán)控制。 反之，當(dāng) M 2 為收卷時， M 2 為主令機， M1 為從動機， M1 放卷。 M1 和 M 2 的工 作狀態(tài)切換，大型構(gòu)件的搬運方向會自動地改變一次，調(diào)節(jié)、運行速度，使大型 構(gòu)件的移動速度保持恒定， 大型構(gòu)件就在合適的張力和恒速運動狀態(tài)下實現(xiàn)了搬 運。 G1 、G2 為光電編碼器，裝在導(dǎo)輥軸端。如圖 3－1 系統(tǒng)，設(shè)牽引鋼絲繩張力 為 F， M1 單元鋼絲繩線速度為V1 ， M 2 單元運行的線速度為V2 。顯而易見，當(dāng) V2 <V1 時，鋼絲繩松弛懸吊勝； V2 >V1 時，則鋼絲繩張緊。根據(jù)胡克定律，鋼
絲繩內(nèi)張力為
F收卷 ＝Ff + F + [attach]8142[/attach](V2 - V1 )dt
= Ff + F放卷 ＋[attach]8143[/attach]([attach]8144[/attach]r2 k2負(fù)r 2 - [attach]8145[/attach]r1k1負(fù)r1)
[attach]8146[/attach]
圖 3－1 卷揚機主體的物理模型
式中
E—鋼絲繩彈性模量
A—鋼絲繩截面積， mm2
L—導(dǎo)輥傳動點之間的距離， m
npi 一第 1 臺、第 2 臺電機極對數(shù)， i = 1,2
負(fù)ri 一第 1 臺、第 2 臺轉(zhuǎn)子電氣角速度， i = 1,2
ki 一第 1 臺、第 2 臺卷筒的速比， i = 1,2
ri —第 1 臺、第 2 臺卷筒的半徑， mm
t—機器啟動時間， s
F放卷 —放卷輥的鋼絲繩的內(nèi)張力， N
F收卷 —收卷輥鋼絲繩的內(nèi)張力， N
Fr 一 大型構(gòu)件的滾動摩擦力， N
由式 3－1 可知，張力大小與鋼絲繩彈性模量、鋼絲繩橫截面積、導(dǎo)輥傳動點之 間的距離及兩導(dǎo)輥的速差有關(guān)。對于某一系統(tǒng)鋼絲繩彈性模量、鋼絲繩橫截面積、 導(dǎo)輥傳動點之間的距離都可認(rèn)為是常量，都可通過控制器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定而設(shè)定， 卷揚機的張力主要由收卷輥的速度和放卷輥的速度的速差產(chǎn)生， 因此速度控制是
本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。
3.2.3 電機變頻控制器的 DSP 系統(tǒng)硬件的實現(xiàn)
電機變頻控制器主要模塊包括整流模塊、逆變模塊、保護(hù)模塊、信號檢測模 塊、通訊模塊、輔助功能模塊等?？刂破鞯挠布M成如圖 3－2 所示?？刂坪诵?nbsp; 系統(tǒng)選用 TMS320LF2407A，它是專門為電機控制和運動控制而設(shè)計的一種數(shù)字 信號處理器， 其內(nèi)核是定點 16 位 DSP，具有 4 級流水線結(jié)構(gòu)， 頻率可達(dá) 40MHz， 內(nèi)置有 32K 的 FLASH ROM，片內(nèi)可產(chǎn)生 12 路的 PMW 輸出，有 16 路高速 10
位 A/D 轉(zhuǎn)換接口。
本系統(tǒng)中的電機控制器硬件設(shè)計可滿足電機電流和速度的雙閉環(huán)控制需要，
經(jīng)霍爾電流互感器檢測的電流值放大濾波后由 DSP 的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信
號，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。光電編碼器檢測的信號經(jīng)光隔離接入 DSP 的正交編碼 器接口，可實現(xiàn)速度閉環(huán)控制?？臻g矢量算法生成的 SVPWM 控制信號由 DSP 的事件管理模塊 EVA 的 PMW1—PMW6 輸出，經(jīng)高速光耦隔離，帶動 IR 的 IR2132S 輸出驅(qū)動信號， 驅(qū)動 ST 公司的 STGW20NB60KDIGBT 實現(xiàn)交流電機的 高性能控制。 CAN 通訊由 DSP 的 CAN 接口，經(jīng)光耦隔離驅(qū)動，系統(tǒng)同步控制 信號的傳輸由 CAN 通訊實現(xiàn)。在電機變頻控制器中設(shè)計了欠壓、過流等保護(hù)電 路。為提高系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性， 在系統(tǒng)設(shè)計中采用了光耦隔離和拉高、 拉
低等設(shè)計方法。本系統(tǒng)主令電機和從動機的變頻控制器的硬件設(shè)計相同。
[attach]8147[/attach]
圖 3－2 電機控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
3.3 系統(tǒng)的控制模式和軟件設(shè)計
3.3.1 同步控制模式的建立
本卷繞控制系統(tǒng)采用獨立電機同步驅(qū)動策略， 各電機均具有獨立的包括電流 反饋和速度反饋的雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)如圖 4－3 所示。各 個電機閉環(huán)回路中控制器的控制規(guī)律和控制參數(shù)按常規(guī)電機控制系統(tǒng)設(shè)計?？刂?/div>
系統(tǒng)對不同電機的反饋轉(zhuǎn)速進(jìn)行同步監(jiān)測， 并根據(jù)存在的轉(zhuǎn)速差來確定同步補償
量，進(jìn)行補償控制。
3.3.2 主令電機控制模型的建立
如前所述， 主令機的轉(zhuǎn)速應(yīng)隨著收卷輥的直徑的增加而減小， 由于直徑不斷 增加，其轉(zhuǎn)動慣量也會不斷增加，所以，驅(qū)動部分是時變結(jié)構(gòu)，時變量為卷輥直
徑和轉(zhuǎn)動慣量。主令機的給定速度
V . np1
r1 r1k1
式中： V—工作臺給定的線速度， m/s
K—鋼絲繩的最大收卷的層數(shù)
[attach]8148[/attach]
圖 3－3 同步控制系統(tǒng)圖
要使線速度恒定，需不斷調(diào)節(jié)從動電機的電氣角速度 負(fù)r1 ，使得
負(fù)r1 1/ r1
考慮鋼絲繩的直徑較大，每增加一層，卷揚機卷筒的半徑也隨之變化，這兩
者的關(guān)系式如下：
r1 = r0 + 0.866j1d
式中 d－鋼絲繩的直徑，
j1 －主令機的卷輥的收卷層數(shù)
j1 的取值可通過編碼器的輸出脈沖數(shù)計算：
[attach]8149[/attach]j1 = -
m
式中：
P1 －主令機卷筒軸編碼器輸出的脈沖數(shù)；
m －編碼器每層應(yīng)輸出的脈沖數(shù)；
可得
V . np1 V . np1
負(fù) = =
r2 r1k1 (r0 + 0.866j1d)k2
將由式 4－5 計算得到的角速度作為主令機的給定轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉
環(huán)控制。
3.3.3 從動電機控制模型的建立
從動機的轉(zhuǎn)速應(yīng)隨著放卷輥的直徑的減小而升高， 由于放卷輥的直徑不斷減 小，其轉(zhuǎn)動慣量也會不斷減小，所以，從動機放卷部分也是時變結(jié)構(gòu)，時變量是
卷筒的直徑和轉(zhuǎn)動慣量。
3.3.4 轉(zhuǎn)動慣量分析
主令機和從動機轉(zhuǎn)動慣量都是時變參數(shù)，主令機的卷輥轉(zhuǎn)動慣量隨卷筒直 徑減少逐漸減小， 從動機卷輥的轉(zhuǎn)動慣量隨卷筒直徑增加逐漸增加。盡管鋼絲繩 是密度較大、較粗的卷繞材料， 但是其在同一層中轉(zhuǎn)動慣量的變化可以近似忽略
不計，本系統(tǒng)中將其視為一種擾動，在控制算法中進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a償。
3.3.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
主動機與從動機控制軟件的實現(xiàn)均以轉(zhuǎn)子磁場定向理論為基礎(chǔ)，采用空間 矢量控制。為提高系統(tǒng)中的電機控制精度和響應(yīng)速度， 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了中斷 服務(wù)控制， 將閉環(huán)控制程序置于中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)， 同時系統(tǒng)軟件設(shè)計中為提 高系統(tǒng)的性能和魯棒性， 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用了目前在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的
離散遞推增量式 PID 控制算法。
3.4 氣源系統(tǒng)的功能分析
根據(jù)大型構(gòu)件氣動頂升搬運系統(tǒng)的要求，需要具備頂升與搬運任務(wù)。頂升 時各氣囊只有彈性變形， 通過充填壓縮空氣實現(xiàn)變形， 因此， 要求合適供氣的速 度與供氣壓力同時， 由于頂升的工作區(qū)域大， 對供氣的管路提出了要求。搬運時， 各氣囊既需要足夠快的充放氣速度， 以滿足搬運速度的要求。 由于本系統(tǒng)使用氣 囊的數(shù)量較多、用氣量大并且分布范圍大，需要采用空壓機、氣閥、壓力表、空
氣分配器及供氣管路等組成氣源系統(tǒng)，來滿足用氣要求。具體要求如下：
1）氣囊工作高度： 0～500mm
2）氣囊最大單位頂升力： 600kN/m
3) 工作周期： 5min
4) 安裝高度： 250 mm
其它要求
1)頂升時可實現(xiàn)各氣囊同步供氣與獨立供氣
2)搬運時各氣囊的氣壓調(diào)節(jié)作用，保證構(gòu)件水平
3)系統(tǒng)工作可靠，造價低，易于操作
3.5 本章小結(jié)
本章介紹了基于實現(xiàn)卷揚機交流同步控制的方法，實現(xiàn)了以為核心的控制
系統(tǒng)設(shè)計。
(1)通過分析卷揚機工作過程中卷筒的特點，提出了卷揚機專用的交流電機 控制和同步控制策略， 具有非常強的針對性， 也大大提高了系統(tǒng)的性能和控制精
度。
(2)系統(tǒng)的硬件采用了高性能的數(shù)字處理芯片，提高了系統(tǒng)的通用性，使該
系統(tǒng)既可作為單個交流電機的控制器，也可以實現(xiàn)多臺電機的控制。
(3)電機具有獨立的電流反饋與速度反饋雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，便于電機獨
立同步控制，也容易實現(xiàn)多臺電機的同步控制。
(4)氣源系統(tǒng)簡潔方便，保障了同步控制的可靠性，建立了空氣壓縮機與管
道設(shè)計計算模型。
第 4 章 沉箱出運施工
本章作者將結(jié)合某實際工程， 介紹沉箱的施工工藝以及在施工中要注意的問
題。
某燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)機組循環(huán)取排水工程， 工程范圍包括： 取水口、 引水 箱涵水上段、取水口管標(biāo)志、引水箱涵閘門井及人孔、排水口、排水箱涵水上段、
排水口管標(biāo)志、排水箱涵閘門井及人孔。
取排水箱涵水上段采用預(yù)制安裝的施工方法， 其中取水箱涵水上段箱涵總長 約 1125 米，排水箱涵總長約 1940 米。預(yù)制箱涵的類型分為取水單孔、取水雙孔、 取水三孔、單孔排水、雙孔排水(淺埋)、雙孔排水(深埋)及其它異型構(gòu)件。預(yù)制 箱涵標(biāo)準(zhǔn)件分節(jié)長度為 15 米，包括一部分異型構(gòu)件，共有預(yù)制件約 220 件，最
大的三孔預(yù)制箱涵重達(dá) 800 噸，出運安裝的工作量和技術(shù)難度均很大。
總平面布置圖如下圖：
[attach]8150[/attach]
圖 4－1 總體平面布置圖
4.1 箱涵陸上出運
本工程預(yù)制箱涵陸上采用氣囊橫、縱向牽引到出運碼頭， 在箱涵內(nèi)部及兩側(cè)
安裝好浮運氣囊后牽引到水里浮運。
氣囊水平出運重件， 已有較成熟的施工工藝， 其方法即是把氣囊放在需要移 動的箱涵下面， 氣囊充氣后將箱涵頂升， 然后用小牽引力拉動箱涵， 使氣囊滾動，
從而使箱涵水平移動達(dá)到箱涵的水平運輸目的地。
4.1.1 氣囊的選擇
一、箱涵橫移
氣囊規(guī)格：直徑φ 0.8； 有效工作長度 16m； 總長度： 17.39m
工作壓力： 0.2MPa 試驗壓力： 0.25MPa
氣囊起重高度為 0.4m 條件下，氣囊承載寬度為 0.63m，總寬度 1.03m
每米氣囊承載能力=0.2 根0.63 根1000=126 KN
每條氣囊承載能力＝126 根15 ＝1890 KN
表 4－1
二、箱涵縱移
氣囊規(guī)格：直徑φ 1m； 有效工作長度按箱梁寬度；
工作壓力： 0.2Mpa 試驗壓力： 0.25Mpa
氣囊起重高度為 o.4m 條件下，氣囊承載寬度為 0.79m，總寬度 1.29m
每米氣囊承載能力=0.2x 0.79 x1000 =158kN
表 4－2
注：表中“氣囊數(shù)量”是指有效載荷的氣囊數(shù)量，為滿足移動需要，必須要有足
夠數(shù)量的接應(yīng)氣囊。
4.1.2 牽引力
Fd = Q.g .sinC + u.Q.g .cosC
式中： Fd －絞車牽引力， NK；
Q－重物自重， t
g－重力加速度， m / s 2
C －坡道傾角，度
u －坡道摩擦系數(shù)。
箱涵是在平坦的地面上移運，坡道傾角 C 為零，阻力系數(shù) u 取 0.03
所以 Fd = Q . g .sinC + u . Q . g .cosC
= 789.5x 0.03
= 24t
4.1.3 供氣系統(tǒng)
供氣系統(tǒng)采用 DVY－6/7 型空壓機一臺，排氣量 6 m3 /min，排氣壓力 0.7MPa， 為了使多個氣囊同時充氣， 設(shè)置具有多管路接頭的空氣分配器一個， 另有輸氣管
多條。
4.1.4 箱涵移運穩(wěn)定性
箱涵的重心很低，底面積大，穩(wěn)定性極好，不存在傾斜的可能。
4.1.5 箱涵移運過程中的啟動與制動
箱涵移運方向前用兩部卷揚機牽引， 其后用兩部卷揚機牽制。可通過調(diào)整氣 囊氣壓來達(dá)到箱涵啟動時牽引力減小和制動的要求。前端氣囊氣壓減小， 箱涵前 傾，牽引力就小，反之亦然；移運中減小氣壓，即可增加滾動阻力，實現(xiàn)減速；
在箱涵前擺放充氣的氣囊達(dá)到制動的目的。
4.1.6 移運中偏移的糾正措施
糾正物體移運過程中的偏移有多種方法，通常采用的方法有：
A.調(diào)整兩側(cè)卷揚機的牽引速度和先后啟動順序；
B.調(diào)整氣囊擺放角度。
4.1.7 箱涵出運使用設(shè)備和配置
箱涵出運使用設(shè)備和配置詳見表 4－3
表 4－3 箱涵出運使用設(shè)備一覽表
4.1.8 風(fēng)險分析與安全保障
氣囊損壞：
在箱涵移運時， 氣囊有被尖銳物扎破、劃傷的可能， 會因氣囊漏氣使箱涵失
去平衡。
氣囊的設(shè)計制造保證具有四倍的安全系數(shù)， 一旦發(fā)生氣囊受損漏氣， 其他氣 囊有足夠的能力分擔(dān)徒然增加的載荷， 通過調(diào)整氣囊位置和氣壓， 可使箱涵恢復(fù)
平衡。
風(fēng)力的影響：
若在箱涵移運時遇到較強的風(fēng)力， 箱涵會發(fā)生搖擺。氣囊具有自穩(wěn)性， 箱涵 傾斜時， 傾斜邊的氣囊與箱涵底部的接觸面積增大， 氣囊給底部的作用力隨之增
加，使箱涵恢復(fù)平衡。
4.2 箱涵下水
箱涵下水是一個重要、關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。箱涵下水的方法與縱(橫)移的過程類同，
但要求高、難度大。本工程預(yù)制箱涵的水上運輸采用氣囊浮運。箱涵下水是一關(guān)
鍵環(huán)節(jié)。設(shè)平均潮位高 lm。修建下水坡道寬 30m；長 56m，其中水面以上長度
約 17m；坡度 7 。，坡底標(biāo)高為－3.5m。
箱梁移到坡道上，擺放好接應(yīng)氣囊，調(diào)整適當(dāng)?shù)臍鈮?，通過牽引把箱涵拖
下水。
箱涵下滑前面的接應(yīng)氣囊主要起支撐和減速作用，按坡度 7 。，最大的構(gòu)件 780 噸，產(chǎn)生的下滑力達(dá)到 95 噸，但由于前邊接應(yīng)氣囊內(nèi)部剪切力和水阻力的
作用，己經(jīng)抵消了大部分的力，后方只需考慮 1%的牽引力進(jìn)行制動。
為減少下滑力過大，亦可以調(diào)整氣囊的氣壓，使構(gòu)件的重心轉(zhuǎn)移，減少下
滑力。
一、起浮力計算
1、箱涵下水前應(yīng)進(jìn)行起浮能力計算。
浮力計算和助浮氣囊布置：根據(jù)現(xiàn)場的水深條件，箱涵的吃水深度按 3 米
控制。以此作為箱涵下水浮運的主要控制指標(biāo)。詳見箱涵基本參數(shù)表 4－4。
表 4－4 箱涵起浮力基本參數(shù)表
注：這里的吃水深是指箱涵中填充了氣囊后的。
二、箱涵助浮氣囊布局設(shè)計
考慮氣囊未能全部填滿空腔，助浮力取 1.1 倍，表中的“助浮力”能使箱涵 的吃水深度保持在 3m 位。在箱涵兩側(cè)分別用捆綁帶固定住助浮氣囊，箱涵兩側(cè) 底部分別預(yù)埋 8 個拉環(huán)，其抗拉強度根據(jù)助浮力的大小設(shè)定在 10～2OOkN，可 用于固定氣囊， 亦可用來牽引箱涵橫移、縱移； 捆綁帶的抗拉強度不小于 200kN， 它可使多個氣囊捆在一起，氣囊充氣后，氣囊組會具有良好的剛性。具體見表 4
-5。
表 4－5
4.2.1 箱涵下水流程
箱涵下水的過程分四個主要的步聚： 一是由水平的縱移通道進(jìn)入傾斜的下水 坡道(7 度)；二是拆除前拉鋼絲繩和水下擺放移運氣囊；三是箱涵由陸上溜放進(jìn)
入水中；四是拆除后拉鋼絲繩，系拖帶纜，開始浮運。
詳細(xì)的工藝流程如下圖：
圖 4－2 箱涵下水工藝流程圖
4.2.2 人機配備
配備的主要機具主要有： 充氣泵站 1 座、卷揚機 3 臺(前拉一臺、后拉 2 臺)、 移運氣囊 13 條(水上 8 條、水下 4 條，備用 l 條)、填充式助浮氣囊每孔 9 條、側(cè)
掛式助浮氣囊 10 條、拖輪兩艘，交通艇 2 艘。
配備的人員如下：指揮長 1 名、充氣泵站 2 人、每臺卷揚機操作員 l 人共 3
人、氣囊作業(yè)組 20 人，潛水員 2 名，船員 12 人，其它作業(yè)人員 3 名。
4.2.3 作業(yè)方法
當(dāng)箱涵縱移至出運碼頭后方時， 即把箱涵座落在擺放好的枕木上， 然后進(jìn)行
以下各工序的作業(yè)：
一、安裝前牽鋼絲繩和后拉鋼絲繩
前牽和后拉鋼絲繩一端連接在箱涵頂部吊環(huán)上， 另一端連接在滑車上， 然后 滑車組連接到卷揚機上， 通過操作卷揚機來控制箱涵的前牽和后拉。安裝鋼絲繩
時要注意避免損壞箱涵的止水帶和助浮氣囊。
二、安裝助浮氣囊
助浮氣囊包括填充氣囊和側(cè)掛氣囊。安裝氣囊時先預(yù)先疊好再一層一層安 裝。充氣時先充上層氣囊，再充下層氣囊，而且一個氣囊不能一次充滿，而應(yīng)待 各氣囊均充有一定的氣體， 讓各氣囊處于預(yù)定的位置后， 再進(jìn)一步把各氣囊充滿。 充氣時同時觀測氣壓表，氣壓達(dá)到 0.lMPa 時，停止充氣。助浮氣囊的安裝詳見 圖 3－8“取水箱涵填充氣囊、側(cè)掛氣囊安裝示意圖”、圖 3－9“排水箱涵填充氣
囊、側(cè)掛氣囊安裝示意圖”。
填充氣囊充完氣后，再連接一根 5m 長的高壓氣管，氣管都用管卡緊緊固定 在氣囊上， 因為有氣管上設(shè)有倒牙， 因此氣管不會脫落。管子的另一端連接浮子，
箱涵下水后氣管能浮出水面便于氣囊補氣和放氣。
氣管不宜連接在氣囊遠(yuǎn)離海的一端， 以防箱涵下水時， 水下移運氣囊從箱涵
后端突然冒出水面時對氣管造成破壞。
三、擺放移運氣囊
接應(yīng)氣囊按 6 米的間距擺放，由于氣囊與箱涵的移動速度比為 1： 2，箱涵
移運至氣囊上方后，氣囊的間距變成 3 米，如此箱涵底部有 4－5 條氣囊支承箱
涵。
擺放移運氣囊使用現(xiàn)有的 l 噸卷揚機牽引，使用鋼管固定卷揚機橫穿氣囊。 氣囊擺放位置要盡量居中， 讓兩端超出箱涵的長度要大致相等， 同時保證充氣一
端的順利操作。
當(dāng)現(xiàn)場無合適的條件便于卷揚機作業(yè)時，則采用人工擺放氣囊。
氣囊的擺放應(yīng)在箱涵進(jìn)入斜坡前完成， 避免在箱涵進(jìn)入斜坡后在箱涵前面擺
放氣囊的做法，以防止箱涵后拉系統(tǒng)發(fā)生意外時形成箱涵下沖傷人事件。
在水中預(yù)先安裝好定位樁，直接將氣囊固定在定位樁上。氣囊兩頭安有 360 度旋轉(zhuǎn)快接頭，在快接頭上連接高壓氣管，用管卡緊緊固定，接頭有倒牙，可以 防止氣管脫離，氣管大約 5m 長，另一端連接一個浮子，使之能夠在水面上浮起
便于充氣和放氣。
四、移運氣囊充氣，箱涵頂升，準(zhǔn)備出運
1.氣囊充氣
氣囊充氣要逐次加氣，先充前面的，當(dāng)氣囊有一定的壓力時，再充中間，最 后充后面， 預(yù)充后再按照前面的順序依次將氣囊加氣， 直至氣囊把箱涵頂起離開
枕木，即將氣囊的泄氣閥關(guān)閉，停止供氣，拆除枕木。
2.氣囊放氣
拆除所有的充氣管， 再打開各個氣囊的排氣閥， 進(jìn)行緩慢放氣， 當(dāng)氣囊高度
降至移運的適宜高度時，關(guān)閉排氣閥，并檢查調(diào)查各個氣囊的壓力基本一致。
五、下水
1、牽引箱涵進(jìn)入出運碼頭陸上段
在指揮長的統(tǒng)一指揮下， 啟動前牽卷揚機， 拉動箱涵緩慢向前移動。 當(dāng)箱涵 下面第一個氣囊離箱涵前端空出一定的距離，并且箱涵前端到達(dá)接應(yīng)氣囊(未充 氣)上方時，即停止?fàn)恳瑢討?yīng)氣囊進(jìn)行充氣并達(dá)到預(yù)定壓力后，再重新牽引。
重復(fù)上面的程序直至箱涵由水平的縱移通道進(jìn)入出運碼頭陸上段。
2、拆除前引鋼絲繩。
箱涵進(jìn)入出運碼頭陸上段后， 其下滑力大于摩擦力， 不需要前牽引力即能自
動下滑。所以應(yīng)在箱涵下水前解除前引鋼絲繩。
3、箱涵進(jìn)入水中
箱涵在自重力作用下繼續(xù)下滑進(jìn)入水中，其操作步驟和方法與陸上移運類
同，但由于水下作業(yè)的特殊性，必須注意以下幾個方面：
必須保證出運碼頭水下斜坡段的表面平整度， 且不能有各種會對氣囊造成損 壞的雜物。每一件箱涵下水前都必須做好這一項工作， 這一項工作通過潛水員來 進(jìn)行檢查。箱涵完全起浮前如果發(fā)生栽頭、觸底，將是非常難處理的的問題，而 箱涵栽頭、觸底的現(xiàn)象只會在氣囊破損漏氣的情況下才會發(fā)生， 所以在箱涵下水 過程中， 必須保證自始至終有 4 條以上的氣囊支承箱涵。當(dāng)萬一有某一條氣囊漏 氣時， 尚有 3 條以上氣囊支承箱涵， 能保證箱涵保持平衡狀態(tài)。此時箱涵必須馬 上停車，對漏氣的氣囊進(jìn)行維修。如果氣囊無法維修，則必須更換氣囊，更換氣 囊主要由潛水員完成， 但潛水員絕對不能潛入箱涵底部， 只能通過水下潛水員穿
線，陸上卷揚機拖拉的方法擺放氣囊。如此處置妥當(dāng)之后，才能繼續(xù)溜放箱涵。
箱涵開始入水后，禁止任何人員，船機停留、經(jīng)過箱涵后方水域，防止移運
氣囊從水中冒起時掀翻船機，造成船壞人傷(亡)事故的發(fā)生。
箱涵完全起浮前，必須系好拖纜，箱涵完全起浮后，才能解除后拉鋼絲繩， 以防箱涵起浮后無足夠的牽引系統(tǒng)， 引起箱涵在風(fēng)流壓作用下漂流， 造成箱涵靠
岸擱淺、損壞氣囊，甚至碰撞海上其它船舶的安全事故。
4.3 箱涵浮運
4.3.1 概述
由于施工現(xiàn)場附近海域海灘平緩，大型船舶如 500t 浮吊， 2000t 駁船、萬噸 半潛駁航行作業(yè)困難或不具備作業(yè)條件。通過現(xiàn)場詳細(xì)考查和周密分析， 決定采
取水上浮運的方法將大型構(gòu)件運至現(xiàn)場，然后采用氣囊放氣的方法沉放施工。
構(gòu)件浮運主要利用海水浮力將構(gòu)件浮起， 通過分析起浮方式有兩種， 一種為將箱 涵兩端封口后起浮， 安放好后潛水員水下拆除， 一種為氣囊充氣起浮， 安放好后 放氣抽出膠囊。通過周密分析、計算和試驗，決定采用膠囊充氣浮運，其主要優(yōu)
點有：
1、原理簡單，施工方便， 一般不需要潛水員水下作業(yè)。
2、發(fā)生意外，中途沉管后，可采取補救措施即給備用膠囊充氣，可繼續(xù)起
浮浮運，而采用封端口時若發(fā)生意外中途沉管后難以處理。
3、沉放時接口容易處理，安放質(zhì)量好，并可隨時充氣再次安放，因膠囊端
頭沒有伸出涵箱，對涵箱安放的端頭處理沒有影響。
4、碰到臺風(fēng)或其它突發(fā)事件可隨時放氣沉放，安全后可再次充氣繼續(xù)浮運
和其它工序的施工。
5、滿足水深要求的水域不需特別大，僅沿挖好的基槽拖運即可，不需要加
寬基槽。
4.3.2 施工船機選擇
表 4－6 箱涵浮運、陳放船機設(shè)備配置表
4.3.3 施工工藝流程
見圖 4－3，箱涵浮運和安裝放工藝流程框圖：
.
圖 4－3 箱涵浮運、安裝工程圖
4.3.4 箱涵起浮試驗和計算
一、概述：
將氣囊放入混凝土構(gòu)件孔中充氣(如不滿足，外掛助浮氣囊)，當(dāng)氣囊的充氣 體積(排水量)十構(gòu)件自身浮力 構(gòu)件的自身重量時，構(gòu)件即會浮在水面。將構(gòu)件 牽引浮運至安裝位置，將氣囊放氣，構(gòu)件即沉入水中，然后將氣囊抽出，以備下
次再用。
二、起浮計算
經(jīng)過箱涵利用氣囊起浮的理論， 通過對各種構(gòu)件的自身浮力、 自重、 以及氣 囊的浮力計算， 論證了構(gòu)件起浮的氣囊的個數(shù)、 充氣量的要求， 充氣的氣囊對箱
涵構(gòu)件硅壁的影響，氣囊充氣量與箱涵構(gòu)件的起浮的線性關(guān)系。
表 4－7 箱涵基本技術(shù)參數(shù)
表 4－8 箱涵的助浮、填充氣囊布局
箱 涵 助 浮 助浮氣囊規(guī)格 填充氣囊規(guī)格
類型 力
1.1 倍 直徑 長度 體積 每 側(cè) 總數(shù) 直徑 長度 每 孔 總數(shù) （t） (m) (m) ( m3 ) 條數(shù) (m) (m) 數(shù)量
三 孔 185.4 1.4 20.42 29 3.2 6.0 1.6 14.5 9.0 27
引水
雙 孔 151.5 1.4 20.42 29 2.6 6.0 1.6 14.5 9.0 18
引水
雙 孔 261.0 1.4 20.42 29 4.5 10.0 1.6 14.5 12.0 24
排水
單 孔 118.5 1.4 20.42 29 2.0 4.0 1.6 14.5 9.0 9
引水
單 孔 135.1 1.4 20.42 29 2.3 6.0 1.6 14.5 12.0 12
排水
考慮氣囊未能全部填滿空腔，助浮力取 1.1 倍，表中的“助浮力”能使箱涵 的吃水深度保持在 3m 位，在箱涵兩側(cè)分別用捆綁帶固定住助浮氣囊(見附圖)， 箱涵兩側(cè)底部分別預(yù)埋 8 個拉環(huán)，其抗拉強度根據(jù)助浮力的大小設(shè)定在 10~ 2OOkN，可用于固定氣囊，亦可用來牽引箱涵橫移、縱移；捆綁帶的抗拉強度 不小于 200kN，它可使多個氣囊捆在一起，氣囊充氣后， 氣囊組會具有良好的剛 性。具體見圖 4－11《引水箱函助浮、填充氣囊布局示意圖》、圖 4－12《排水箱
函填充助浮氣囊布局示意圖》。
三、試驗論證
做內(nèi)孔長 8m，寬 2m，高 1.75m，壁厚 0.25m(相當(dāng)于 A 構(gòu)件一孔尺寸的 1/2) 模具，內(nèi)裝φ 1.O 根7m 氣囊 6 只，共兩層，每層 3 只，先充下層氣囊，氣囊開始 鼓起并互相靠擾時暫停， 再充上層氣囊， 氣囊鼓起并相互靠擾時暫行， 再充下層、 上層，循環(huán)均勻充氣 2－3 次，至 0.0lMPa 氣囊與模具四壁及氣囊之間己基本靠 緊， 再充至 0.02MPa，氣囊與模具四壁己密切接觸， 氣囊相互之間也己塞的很緊，
只有模具四角和氣囊之間有很小空隙。充填量能達(dá)到 95%以上。
四、結(jié)論
通過試驗證明， 試驗結(jié)果與理論計算基本相符， 所以混凝土構(gòu)件采用氣囊浮
運和安裝是完全可行的，而且是安全可靠的。
4.3.5 箱涵浮運拖帶力計算
臨時碼頭與沉放現(xiàn)場相距約 3km，計劃 1 小時拖到，平均船速 3km/小時， 即 0.83m/s。根據(jù)有關(guān)資料，本海區(qū)的海流以潮流為主，潮流為不規(guī)則半日潮流， 平均潮流流速為 0.02m/s，最大值即 v=0.24m/s。拖帶力按下式計算，拖帶力為
37.2kN。
F = K.A. rw .V 2 / 2g
式中： A=B(T+δ )
B—構(gòu)件寬度(m)，即 B=13.80m；
T—構(gòu)件吃水(m)；
δ —浮運時涌水高度(m)；
浮運時按構(gòu)件前端被水覆蓋，即 T+δ =4.5m
rw = 10.25kN / m3
k 為擋水形狀系數(shù)，對矩形取 k=1.0。
4.3.6 拖纜和拖輪選擇
為保護(hù)構(gòu)件，便于施工，本方案的拖纜擬采用合成纖維的尼龍纜或錦綸纜。
根據(jù)公式：
Ps = K2 d1.83 g / K
W = k1d 2
式中： Ps－安全強度；
W－重量；
D－纖維纜直徑(mm)；
g－9.81；
K－安全系數(shù)；
K1、K2－分別為重量和強度系數(shù)見表 4－9。
表 4－9 各種合成纖維纜的 K1、K2 系數(shù)表
取安全系數(shù) K ＝6 時，按錦綸 K2 ＝0.0303 ，K1=0.1210
則拖帶力X 安全系數(shù)＝37.2x6 ＝223(KW)
取 破 斷力 達(dá) 235KN 的 8 股錦 綸纜 ， ( 直徑 d=50mm) 則 Ps=63.6(KN)>F，
W=302(kg/200m)。
根據(jù)有關(guān)船舶資料顯示： 400hp 拖輪的安全拖航時最大拖力為 0.37NK，考慮到
本工程距離短，故選用我們 600hp 的拖輪。
4.3.7 浮運航道的選擇
1、水深要求
箱涵的吃水深度和出運保證率決定航道的深度。箱涵的吃水深度為 3.5 米(包 括富裕深度 o.5m)，根據(jù)進(jìn)度要求，出運保證率必須達(dá)到 75%，對應(yīng)的潮位為-
0.02m，所以浮運航道的底高程應(yīng)為(－0.02－3.5)=－3.52m(黃海 56 基準(zhǔn)面)。
2、平面要素要求
由于箱涵體積大， 重量大， 所以慣性很大， 根據(jù)船泊拖拉運輸?shù)奶攸c和要求， 浮運航道的轉(zhuǎn)彎半徑不應(yīng)小于 150 米。在滿足航道吃水深度和轉(zhuǎn)彎半徑的前提 下，航道盡可能直線布置。浮運航道的布置詳見圖 21“箱涵浮運航道平面布置
圖” 。
3、浮標(biāo)
浮標(biāo)每 50 米設(shè)置一個。
4、其它
浮運航道的布置須經(jīng)過海洋部門的審批。
4.3.8 拖運要點
1、拖輪要求
前拉拖輪功率為 600HP，船長 1 名，船員 4 名，負(fù)責(zé)向前拖拉箱涵。
2、箱涵出運到位起浮后，具備拖航條件及正浮狀態(tài)下，由水上拖運作業(yè)人
員接拖纜，接纜聯(lián)接點為箱涵頂面預(yù)埋吊環(huán)，用拉力 30T 的卡環(huán)連接。
3、拖輪拖纜(尼龍纜)約放長 60－70 米(具體視海上風(fēng)浪情況)調(diào)整至拖纜繃 緊約 30 米，以利拖航控制。工作錨艇與拖輪配備對講機聯(lián)絡(luò)，由指揮員與拖輪
船長協(xié)調(diào)配合，確保拖運過程中采取的措拖滿足安全要求。
4、箱涵由一艘 600hp 拖輪拖運，為確保箱涵穩(wěn)定，拖輪速度應(yīng)控制在 20
米/分鐘左右。
5、當(dāng)箱涵拖至取(排)水基槽海堤內(nèi)時，由工作錨艇接脫后才能將拖輪解纜， 拖輪解纜， 注意提前減速控制箱涵慣性， 防止箱涵偏離入口航道碰到堤岸， 并充 分考慮潮流風(fēng)壓的影響。進(jìn)入基槽航道口時由工作錨艇(80hp)，接拖(旁拖)隨之
進(jìn)入安裝點。
6、拖至離陸上卷揚機可接鋼纜的地方時，陸上卷揚機接鋼纜，然后工作錨
艇解纜進(jìn)行接卷揚機牽引纜工作。
7、連接好卷揚機纜后，由水上安裝組指揮陸上卷揚機動作，使箱涵繼續(xù)前
進(jìn)。
8、當(dāng)箱涵接近停泊的工程方駁時，由工程方駁及陸上的卷揚機出鋼纜連接 箱涵， 控制箱涵的左右橫移。前牽引力利用兩岸的卷揚機與已安裝好的箱涵兩側(cè) 吊環(huán)，通過設(shè)置轉(zhuǎn)角輪聯(lián)接至安裝箱涵的底側(cè)捆綁吊環(huán)上(潛水員水下裝卸扣)， 主要控制安裝箱涵前部的左右、前進(jìn)方向； 后八字錨由就位駁船上的卷揚機牽引，
控制安裝箱涵后部的左右方向。
4.4 箱涵的安裝
4.4.1 人機配備
配備的主要機具主要有：方駁一艘，拖輪一艘，交通艇 2 艘、陸上卷揚機 6
臺、測量儀器一套。方駁和拖輪均作為牽拉箱涵定位用。
配備的人員如下：指揮長 1 名、船員 15 人、陸上動力操作組 12 人、潛水員
2 名、測量組 3 人、其它作業(yè)人員 3 名。
4.4.2 施工工藝流程
[attach]8151[/attach]
見圖 4－4，箱涵浮運和安裝工藝流程框圖。
4.4.3 作業(yè)方法
一、安裝用卷揚機的布置
根據(jù)安裝的需要， 現(xiàn)場準(zhǔn)備 6 臺卷揚機， 卷揚機的布置見附圖“預(yù)制箱涵水
上安
裝示意圖”。
二、安裝就位
1、水上安裝組指揮縱橫卷揚機動作，將箱涵牽引至靠近安裝位置，由測量
員通過儀器直接觀測進(jìn)行指揮就位，直至箱涵聯(lián)接，實現(xiàn)粗定位。
2、箱涵粗定位后，控制箱涵正浮平衡狀態(tài)下，氣囊排氣使箱涵慢慢下沉，
下落速度控制在 10cm～50cm/分鐘。
3、當(dāng)箱涵下沉至離基床面 15～20cm 時，保持浮穩(wěn)時，由潛水員水下檢查。
通過各種調(diào)整和與己預(yù)埋安裝箱涵吊環(huán)緊固控位，實現(xiàn)精確定位控制。
三、沉放安裝
1、精確定位后，由施工人員校核安裝位置無誤時，繼續(xù)排放氣囊內(nèi)氣體， 使箱涵緩慢下沉， 此時待安裝的箱涵與已安裝的箱涵相靠攏接觸， 但必須避免產(chǎn)
生大的壓力，以免箱涵下沉?xí)r扯壞止水帶。
箱涵下水
系拖帶纜繩
警戒船維持海面交通 拖輪拖運
拖輪拖至取水口，排水口（水上段）
岸上地錨系纜
駁船上卷揚機系纜
拖輪解纜
錨艇就位 沿基槽拖運
拖運至沉放點
潛水員水下系纜繩
底部氣囊放氣
陸上地錨收纜 定位箱涵、自然沉放
.
復(fù)核位置
解纜放氣
圖 4－4 箱涵浮運、沉放施工工藝流程圖
2、當(dāng)箱涵底離基床頂?shù)木嚯x小于 5cm 時，即在沉放的同時逐漸收緊前拉鋼
絲繩，放松后拉鋼絲繩，以壓縮箱涵之間的止水帶，使得箱涵間的接縫緊密。
3、當(dāng)箱涵沉放在基床頂面，經(jīng)檢測合格后潛水員水下解除卸扣，最后抽出
所有氣囊并吊放于駁船上，完成一個箱涵的安裝工序。
箱涵之間是否緊貼， 是決定箱涵止水質(zhì)量的關(guān)鍵工作。 由于卷揚機的拉力為 5 噸，通過滑輪組后其拉力達(dá) 30 噸，兩門前拉卷揚機的拉邊共 60 噸，如此大的
拉力足可以把箱涵之間的止水帶壓緊，能保證止水質(zhì)量。
4.5 本章小結(jié)
氣囊應(yīng)用于水工工程中雖有一定的施工經(jīng)歷， 但主要局限在陸上搬運預(yù)制構(gòu) 件， 而且目前還處于半理論半經(jīng)驗狀態(tài)， 沒有達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟效果。在港口碼頭 及其它水工工程中， 構(gòu)件預(yù)制和安裝是一種很常用、很重要的施工內(nèi)容， 其中構(gòu) 件的安裝更是一項技術(shù)難度較大的施工內(nèi)容， 不同的安裝方法也在很大程度上影
響工程成本，因此研究先進(jìn)、實用、高效的安裝施工技術(shù)，具有重大的意義。
本章針對這一問題， 深入探索、研究和開發(fā)利用氣囊進(jìn)行構(gòu)件頂升、 構(gòu)件陸 上水平搬運、 構(gòu)件下水、 水上構(gòu)件浮運和安裝等一系列的水工工程的作業(yè)， 這與 常規(guī)的構(gòu)件安裝方法有著很大的區(qū)別。這一科研項目的開發(fā)應(yīng)用， 可極大地促進(jìn)
大型構(gòu)件安裝方法的發(fā)展，在水工工程中充分發(fā)揮良好效益。
第 5 章 系統(tǒng)性能評價與結(jié)論
5.1 系統(tǒng)性能評價
依據(jù)氣動頂升搬運系統(tǒng)的設(shè)計理論的系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于山東某港口， 該大 型沉箱氣動頂升搬運系統(tǒng)， 經(jīng)過近一年的試用， 各項指標(biāo)性能均較好達(dá)到了系統(tǒng)
設(shè)計要求。使用該系統(tǒng)的具體情況如下：
(1)擬建預(yù)制場場地是某電廠北側(cè)的一塊狹長地帶，長度 135m，寬度 60m， 在場地東北角有一寬 40m 的碼頭，該區(qū)域基礎(chǔ)都為碼頭后方陸域回填土，沒有 經(jīng)過地基處理。特點是狹長、寬度小，且長度方向平行于海岸線，擬建預(yù)制場場
地平面如圖 5－1 所示。
[attach]8152[/attach]
圖 5－1 沉箱預(yù)制場地平面圖
(2)沉箱預(yù)制場平面布置
根據(jù)建設(shè)需要布置 20m 14m 平面尺度沉箱預(yù)制平臺， 根據(jù)該部分的場地情
況， 考慮了沉箱垂直于海岸線擺放和沉箱平行于海岸線擺放兩種布置方案， 沉箱
垂直于海岸線擺放的布置方案能夠安排 20 個沉箱臺座，沉箱平行于海岸線的布 置方案能夠安排 24 個沉箱合座。這兩種平面布置的方案，在安排預(yù)制沉箱臺座 的數(shù)量上相差不大， 且都能夠留有沉箱出運通道， 所不同的是沉箱上浮船塢時存 在著順上和平上的差別。據(jù)此設(shè)計了氣動頂升搬運系統(tǒng)，系統(tǒng)布置圖如圖 5－2
所示。
[attach]8153[/attach]
圖 5－2 預(yù)制廠氣動頂升搬運系統(tǒng)布置圖
(3)沉箱預(yù)制場出運
采用氣動頂升搬運系統(tǒng)后， 沉箱出運工藝也進(jìn)行了調(diào)整， 采用氣囊集群頂升 溝槽進(jìn)行頂升的新工藝： 它是在施工沉箱預(yù)制臺座時， 設(shè)置 3 道頂升溝槽作為頂 升氣囊集群通道， 并在頂升溝槽上設(shè)置硅頂升托架作為沉箱預(yù)制平面臺座。沉箱
預(yù)制完成后， 將氣囊集群放置在頂升溝槽內(nèi)適當(dāng)位置， 氣囊集群充氣將溝槽的硅
頂升托架和沉箱同時頂升 30cm 左右，放置上支墊木，給頂升氣囊集群各氣囊放 氣，使沉箱緩慢的回落到支墊木上。當(dāng)沉箱在支墊木落實后， 頂升氣囊繼續(xù)放氣， 待混凝土頂升托架落回頂升溝槽處， 沉箱頂升動作完成。采用行走氣囊進(jìn)行沉箱 出運， 在沉箱頂升子系統(tǒng)完成后， 在沉箱下方支墊木之間放置行走氣囊， 利用牽 引系統(tǒng)使沉箱與行走氣囊產(chǎn)生相對滾動，利用氣囊滾動實現(xiàn)大型沉箱水平移動， 這樣既減少了牽引力， 又可充分發(fā)揮行走氣囊的優(yōu)勢， 采用氣囊接力的方式將大
型沉箱出運到所需位置。
5.1.1 安全可靠性
使用本系統(tǒng)平移沉箱等大型構(gòu)件時， 工作高度一般為 30~40cm，工作重心低； 在大型構(gòu)件水平方向移動時， 在移運方向前部用兩部卷揚機牽引， 其后用兩部卷 揚機牽制， 并且采用卷揚機同步控制， 避免了沉箱由于慣性作用突然的前傾或后
傾，確保了沉箱移動過程中的安全。
沉箱頂升時，頂升高度為 30~40 厘米，頂升高度相對構(gòu)件的自身高度來說， 構(gòu)件的重心在高度方向上改變較小， 故沉箱頂升和座底過程都非常平穩(wěn)， 安全可
靠。
在沉箱行走過程中， 如遇上坡或下坡， 可通過調(diào)整氣囊氣壓來達(dá)到沉箱牽引 力減小和增大的要求。上坡時，降低前端氣囊的工作壓力，沉箱略微前傾，牽引 力就減??；下坡時增大前端氣囊的工作壓力，沉箱略微后傾，牽引力就增大，或 在下坡過程中減小氣囊的工作壓力，即通過增加承載面積的方法增加滾動阻力，
實現(xiàn)減速。
5.1.2 適應(yīng)性與操作性分析
在沉箱等大型構(gòu)件的頂升過程中，操作簡易安全，利用卷揚機將氣囊拉入頂 升溝，無需人員進(jìn)入頂升溝，用空壓機將 3 條氣囊同時充氣只需 20 分鐘左右就 可以將沉箱平穩(wěn)的頂升起來， 在支墊好方木后， 氣囊緩緩放氣， 可以有充分時間 觀察混凝土面層及沉箱的情況， 放氣完成后， 將氣囊抽出， 即完成一次頂升操作， 因此， 可以說沉箱的氣動頂升作業(yè)非常簡便， 同時， 采用本系統(tǒng)后可以利用沉箱
預(yù)制場原后方回填區(qū)域， 不需要進(jìn)行地基處理， 直接施工混凝土地溝及面層， 減
少了基礎(chǔ)建設(shè)的工程量， 進(jìn)一步擴大了應(yīng)用的范圍， 本系統(tǒng)具有非常強的適應(yīng)性。 在沉箱行走過程中，如需要斜向行走，可通過擺放在前端的氣囊進(jìn)行控制方向， 氣囊擺放的傾斜角度可以決定沉箱行走的斜度。另外通過擺放在前端的氣囊充氣
也可達(dá)到沉箱制動的目的，實現(xiàn)了沉箱的橫移縱移。
5.1.3 成本與場地利用率分析
采用本系統(tǒng)后降低了對地基承載力的要求，如：本工程中重達(dá) 2200t 沉箱， 使用 3 條 1 米直徑的頂升氣囊，每條氣囊底部承載力為 35t/m2 ，左右，而通過 頂升溝的混凝土基礎(chǔ)將荷載分散傳遞給地基， 要求的地基承載力在 10 t/m2 左右， 完全能夠滿足了碼頭后方地基承載力的要求。受力均勻， 氣囊頂升時因為荷載分 布均勻， 避免了因為局部荷載過大而使地基產(chǎn)生的不均勻沉降， 避免了在頂升過 程中因局部沉降過大造成對混凝土面層的損壞。采用頂升溝槽及頂升托架， 其造 價與單獨施工混凝土地面差不多，節(jié)省了處理液壓千斤頂專用頂升基礎(chǔ)的費用，
只需施工預(yù)制場 25cm 混凝土面層的費用，故采用本系統(tǒng)的成本低廉。
提高了場地的利用率，可以一次布置沉箱 24 個。沉箱預(yù)制場共布置臺座 10 個， 設(shè)有專門的沉箱通道， 可以將已經(jīng)預(yù)制完成的沉箱橫移到沉箱通道以后進(jìn)行 出運， 沉箱出運過程中不耽誤沉箱預(yù)制。這樣就實現(xiàn)了邊出運邊預(yù)制， 最大限度 的發(fā)揮沉箱預(yù)制場的作用。而且在施工中可以根據(jù)浮船塢的情況進(jìn)行調(diào)整。如果 浮船塢不外出出運其他沉箱， 可以隨時進(jìn)行沉箱出運； 如果浮船塢暫時不能到達(dá) 現(xiàn)場進(jìn)行出運， 在臺座上預(yù)制完成之后， 將沉箱移動到沉箱通道上存放， 等浮船 塢到達(dá)后一次性進(jìn)行出運， 這樣就最大限度的減少了因為船機設(shè)備不到位而引起
的工期延誤。
5.1.4 系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟性分析
我們對使用本系統(tǒng)的新工藝與現(xiàn)有的工藝從頂升功能、出運功能兩大主要指
標(biāo)進(jìn)行了分析比較，具體情況如下：
(1)頂升工藝比較
按照具備 20m 14m 平面尺度 8 個沉箱預(yù)制臺座的預(yù)制場建設(shè)所需配置頂
升系統(tǒng)， 采用氣動頂升搬運系統(tǒng)儲運大型構(gòu)件—沉箱， 沉箱預(yù)制場按照同時預(yù)制
8 個 2500T 沉箱進(jìn)行設(shè)計，經(jīng)過檢測，原地基承載力都為 12T，所以無需對地基 進(jìn)行處理， 直接在原地基上施工地溝及面層。沉箱預(yù)制場施工 800 立方米鹼， 托 架 280 立方米鹼， 總成本 45 萬元， 施工工期僅 20 天。按照預(yù)制同等規(guī)模的沉箱 場地測算， 使用千斤頂工藝需要對地基進(jìn)行強夯施工及擴大基礎(chǔ)， 預(yù)制場強夯工 程需混凝土 2800m2 ，千斤頂基礎(chǔ)及軌道基礎(chǔ)需要混凝土 2600 立方米，面層 600 立方米混凝土，鋼軌道 320 米，成本 155 萬元。以上兩種工藝比較，僅沉箱預(yù)制 場費用即可節(jié)省 l10 萬元，再加上氣囊出運和干斤頂、軌道滑車費用比較，沉箱
出運節(jié)省費用為 150 萬元左右。
采用本系統(tǒng)工期比千斤頂頂升工藝大幅縮短， 至少縮短 83%，頂升周期僅有 氣囊頂升沖沙工藝的百分之一，基礎(chǔ)建設(shè)成本可節(jié)省達(dá) 90%，綜合以上分析采用
本系統(tǒng)經(jīng)濟成本低，工作周期短，適應(yīng)能強。
(2)出運工藝比較
根據(jù)陸地上出運沉箱工藝要求，從系統(tǒng)的可維護(hù)性、適應(yīng)性、受力特點、成
本、操作方便性等為五個方面進(jìn)行了分析與對比。
系統(tǒng)的可維護(hù)性： 對于氣囊出運， 行走氣囊與沉箱為柔性接觸， 在陸上行走， 存在磨損，需經(jīng)常檢查囊；對于軌道出運，鋼軌、滑輪、沉箱全部為剛性接觸，
很容易產(chǎn)生不均勻受力，設(shè)備損壞率高，需要經(jīng)常檢查更換。
適應(yīng)性： 氣囊出運對行走地面適應(yīng)性強， 氣囊為柔性結(jié)構(gòu)， 在滾動行走過程 中對地面平整度要求低； 軌道出運對沉箱預(yù)制適應(yīng)性不強， 如平面尺寸變化、沉 箱重心發(fā)生變化等， 都需要對預(yù)制場及出運設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。沉箱上浮船塢時
對搭岸結(jié)構(gòu)的要求高，限制了所使用的浮船塢的船型。
受力特點： 氣囊出運對地基承載力要求低， 受力均勻； 軌道出運對軌道水平
平面要求高，在使用過程中維修率高，有時需要將軌道梁定期翻修。
系統(tǒng)成本：氣囊出運只需要購置行走氣囊、卷揚機、空壓壓機等設(shè)備，投資 費用低而且造價較低，只需 200 萬元；軌道出運需要設(shè)置軌道梁、鋼軌、平移滑
車等設(shè)備，投資費用高造價將在 1000 萬元以上。
場地利用率：氣囊出運氣囊行走靈活方便，可進(jìn)行橫移、縱移、曲線移動， 無需固定的行走軌軌軌道， 可以利用這種靈活性將沉箱移動進(jìn)行存放， 能夠?qū)崿F(xiàn)
利用最小的空間預(yù)制更多的沉箱，場地利用率高， 一次性預(yù)制 15 個沉箱；軌道
出運需要固定的行走軌道與沉箱存放場地， 場地利用率低， 現(xiàn)場只能建造一個一
次性出運 10 個沉箱以上的預(yù)制場。
5.2 結(jié)論與展望
利用氣囊搬運大型沉箱避免了傳統(tǒng)施工工藝的不足， 解決了在無大型專業(yè)沉
箱預(yù)制廠條件下的重力式碼頭工程施工的關(guān)鍵技術(shù)問題。該技術(shù)的創(chuàng)新點為：
1)無需大型專業(yè)預(yù)制廠和大型起重設(shè)備，也無需占用較長的碼頭岸線。利用 現(xiàn)場的預(yù)制場及簡易的起重設(shè)備和配套設(shè)施即可進(jìn)行大型沉箱的預(yù)制， 對堆放場
地及運輸通道的適應(yīng)性強，工程成本低，工期也容易得到保證。
2)氣囊的承載力大，耗能小。氣囊承載力最大可達(dá) 352kN/m，且氣囊是利用
壓縮空氣作為工作介質(zhì)，消耗的能量低。
3)易于操作，安全可靠。只需對氣囊充氣，頂升沉箱，開啟牽引系統(tǒng)，即可
實現(xiàn)沉箱的水平移動。
從經(jīng)濟角度來看， 采用高壓氣囊搬運大型沉箱技術(shù)可使重力式沉箱結(jié)構(gòu)的碼 頭建設(shè)成本大幅度降低。從沉箱預(yù)制直到安裝，其費用僅為其他方案的 60%~ 85%。它的應(yīng)用也大大降低了利用軌道平車運輸沉箱上船的技術(shù)難度和工程費
用。
綜合多個工程項目的實踐情況，高壓氣囊搬運沉箱技術(shù)的應(yīng)用是非常成功 的。該技術(shù)是一項技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟實用的工程技術(shù)。解決了大型沉箱的陸上運輸 和上駁的技術(shù)難題。也為在現(xiàn)場建造大型沉箱預(yù)制場掃除了關(guān)鍵的技術(shù)障礙， 使
遠(yuǎn)離大型港工預(yù)制廠的地區(qū)建造深水重力式碼頭的設(shè)想成為現(xiàn)實。
根據(jù)該技術(shù)特點和經(jīng)濟成本方面的優(yōu)勢， 可推廣應(yīng)用至碼頭工程的其他大型 預(yù)制構(gòu)件的搬運，以及其他行業(yè)的重型構(gòu)件、設(shè)備的陸上搬運或裝駁。因此，高
壓氣囊搬運大型沉箱技術(shù)具有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。
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