窄基面大吨位沉箱无场地改造模块化移运系统及施工方法与流程

本发明属于港航工程建设领域，特别涉及一种适用于窄基面大吨位沉箱的无场地改造模块化移运系统及施工方法。

背景技术：

1、在港航建设工程中，沉箱场内移运是保证施工进度和提高预制场地利用率的关键环节。目前行业内主要采用滑板移运、气囊移运及轨道台车移运技术，但这些技术存在以下显著局限性：

2、1.传统通用工艺缺陷：

3、滑板移运：摩擦系数高达0.15-0.2，移运阻力大；移运距离通常≤50m，移运距离短；且需频繁调整滑板位置以纠偏，每10m需人工干预1次，平均移运速度仅0.2m/min，导致效率低下。同时配套的液压顶推系统依赖固定预制场轨道，无法适配多规格沉箱，且移运过程需人工操作夹轨器，存在安全隐患。

4、气囊移运：需配置大量气囊，单次移运需10-20个，操作复杂，气囊充气同步误差≤5%，且受沉箱尺寸限制，长宽比＞3:1时易倾斜。同时经济性差，气囊损耗率高达30%，导致成本增加约25-30%。对于宽度仅7m的窄基面沉箱，气囊布置数量受限，易因地基不均匀沉降引发系统失稳。

5、轨道台车移运：需对既有场地进行大规模改造，如预埋轨道基槽、浇筑混凝土基础，施工周期长，通常需2个月，改造成本高。同时配套的夹轨步行式顶推系统，虽实现沉箱出运，但未解决轨道系统的模块化问题，钢轨无法循环利用。

6、目前，行业内大吨位沉箱移运的常规轨道方案多采用预埋混凝土基础或嵌入式凹槽轨道，以保证轨道承载力与移运稳定性，场地改造工序通常作为沉箱移运的前置准备工作。该类方案的应用依赖于场地改造条件，在既有码头改造、海外受限场地、临时预制场等禁止或不宜进行场地永久性改造的场景中，常规轨道方案的应用受到较大限制，成为本领域亟需优化的技术问题。

7、2.现有对比技术的具体局限性：

8、经检索分析，以下现有技术仍无法解决“不改造场地+高精度移运+低成本”的矛盾：

9、中国专利cn200810126713.7，提供一种液压顶推出运沉箱的方法：仅公开液压夹轨顶推的基本原理，其轨道为固定预埋式混凝土基础，需对场地进行开挖浇筑改造；无模块化设计，钢轨无法循环利用；未设置自动导向机构，移运过程易产生横向偏移；顶推操作需人工干预，未实现plc控制闭环控制。

10、文献《长江口深水航道治理工程半圆型沉箱的预制出运工艺》：采用固定轨道+撬车移运模式，无滚轮小车导向结构，移运精度低，横向偏移≥50mm；钢轨为一次性通长铺设，无法实现“前拆后铺”的循环利用；未针对窄基面沉箱优化荷载分布，不适用于长宽比＞3的沉箱移运。

11、中国专利cn201510163326.0，提供适用于大型混凝土预制构件的活动底模台车系统：属于预制构件底模台车技术范畴，应用场景为混凝土浇筑与脱模工序，与沉箱场内移运分属不同应用场景；其限位轮仅用于底模升降定位，不具备移运过程中的横向导向功能；系统依赖h型钢定位槽基础，仍需对场地进行硬化改造，无法直接铺设于既有混凝土地面。

12、中国专利cn202510966000.5，提供沉箱移运系统及方法：采用胶囊台车搭配顶推油缸、夹轨器的移运方案，其轨道需铺设于地面凹槽内，需开挖改造场地；采用胶囊台车滑动式行走结构，无横向导向纠偏装置，移运过程易产生偏移；台车为独立作业单元，无刚性同步连接结构，多车协同移运易出现不同步，不适配窄基面大长宽比沉箱；轨道为固定铺设形式，无模块化循环利用设计；控制层面仅实现单设备流程自动化，无多顶推装置同步控制与沉箱姿态实时纠偏功能。

13、综上，现有技术均未同时解决“无需场地永久性改造、移运姿态高精度控制、轨道可周转复用降本”的综合技术需求，针对窄基面大长宽比沉箱的移运场景，缺乏系统的适配性方案，因此，研发无需场地永久改造、移运精度高、成本可控的新型沉箱移运技术，具有明确的工程应用价值。

技术实现思路

1、本发明的核心是提供适用于窄基面大吨位沉箱的无场地改造模块化移运系统及施工方法，针对工期紧张、禁止场地改造、窄基面大吨位沉箱移运的场景，通过模块化轨道系统、导向滚轮小车刚性协同、plc智能顶推控制的技术融合，解决传统工艺效率低、安全性差、成本高、场地适配性弱的缺陷，具体技术方案如下：

2、窄基面大吨位沉箱无场地改造模块化移运施工方法，包括以下步骤：

3、s1、施工准备：核查场地地质情况，对移运路线基面进行平整处理，无需浇筑混凝土基础或开挖轨道凹槽；适配20mm厚1.2m宽q235b钢板、qu80钢轨、300t重型滚轮小车、519kn液压夹轨顶推器及相关连接件；

4、s2、模块化轨道铺设：以便于转运、减少钢轨接头为原则，钢板采用定尺加工，适配标准钢轨长度。材料运输至现场后，依据gps放样的轨道总中轴线，在钢板表面标定对应轨道设计中轴线标识线并做好清晰标记，将钢轨铺设至钢板上，人工进行微调，直至钢轨中轴线与钢板标识线完全重合。钢轨与钢板采用焊接型压轨器及轨道压板进行连接，间距1m。依据沉箱轴线用gps放样轨道中轴线，再用装载机牵引轨道至预制沉箱底座底及其他设计位置并人工辅助调整，钢轨间采用专用轨道连接板进行连接；利用沉箱行走完成段钢轨，实时转移铺设至预行走段，实现循环利用；轨道平行度及高程误差不超过2mm；

5、s3、重型滚轮小车同步组装：将多台重型滚轮小车放置在轨道上，通过钢管法兰螺栓刚性连接形成同步行走单元；顶推千斤顶一端利用法兰螺栓与重型滚轮小车连接，另一端与钢轨通过液压钢轨夹持器连接；根据沉箱横隔墙位置与荷载分布配置小车数量及布置位置；

6、s4、沉箱顶升与重型滚轮小车精确定位：利用气囊顶升沉箱至重型滚轮小车进入高度，通过顶推千斤顶与液压钢轨夹持器的配合，将重型滚轮小车顶推至指定位置，气囊放气使沉箱平稳坐落在重型滚轮小车上，操作过程中密切关注顶升高度与重型滚轮小车位置；

7、s5、支撑结构拆除：在沉箱稳定坐落于重型滚轮小车后，拆除沉箱底部的工字钢、钢盖板及临时垫墩多余支撑结构，最后抽出气囊，清理现场，避免影响后续移运；

8、s6、沉箱自动移运：启动plc控制液压夹轨顶推器系统，液压夹轨顶推器自动循环顶推，移运速度0.6m/min，全程实时监测沉箱的倾斜度与横向偏移量，监测数据实时传输至plc控制液压夹轨顶推器系统；当检测到倾斜角度超过0.3°或横向偏移量超过 8mm时，系统自动调整两侧顶推装置的顶推速度，通过差速完成自动纠偏，确保移运全过程沉箱倾斜度控制在0.3°以内，横向偏移量≤8mm；

9、s7、钢轨循环利用：完成段钢轨拆卸后转移至预行走段重新铺设，循环周转使用；

10、s8、小车撤出与沉箱存放：沉箱移运至指定位置后，放入气囊充气顶起沉箱使小车不受力后撤离小车，在沉箱底周边气囊间隙支垫φ300mm×250mm的垫墩，气囊缓慢排气，观察地面沉降情况≤5mm，无异常后快速放气抽出气囊，完成沉箱临时存放。

11、所述s3中，根据沉箱横隔墙位置与荷载分布配置小车数量及布置位置；a型沉箱为长25m×宽7m×高12.2m，长宽比3.29，1060t，其采用8台小车分2排布置于横隔墙下方；b型沉箱为长20.5m×宽7m×高12.2m，892t，其采用6台小车布置于外侧横隔墙下方，优化沉箱底板受力状态。

12、所述s4中，气囊顶升高度为300mm，充气同步误差≤5%；气囊放气速度≤5kpa/min，确保沉箱平稳落座。

13、所述s5中，多套液压夹轨顶推器由plc统一控制，顶推频率与行程同步误差≤1%，降低阀件响应差异等因素导致的小车不同步风险。

14、所述的施工方法所采用的窄基面大吨位沉箱无场地改造模块化移运系统，包括模块化钢板-钢轨系统、重型滚轮小车系统、plc控制液压夹轨顶推器系统三部分：

15、所述模块化钢板-钢轨系统：20mm厚、1.2m宽的q235b钢板直接铺设于未改造的既有混凝土地面，无需预埋轨道基槽或开挖地面凹槽；qu80型重型钢轨通过焊接型压轨器和轨道压板组合固定于钢板基面，连接间距为1m；钢板与钢轨采用模块化分段铺设，完成段钢轨可拆卸转移至预行走段循环利用；轨道平行度及高程误差≤2mm；

16、所述重型滚轮小车系统：额定载荷300t的重型滚轮小车，结构尺寸为长1195mm×宽540mm×高240mm，包括双排滚轮和中间导向轮，所述导向轮的直径与滚轮间距比为1:3，采用高强尼龙材质，安装高度低于双排滚轮的轮面2cm，用于移运过程中的横向限位与导向纠偏；多台重型滚轮小车间通过钢管法兰螺栓刚性连接形成同步行走单元，通过结构刚性约束降低多车间的行进异步偏差；

17、所述plc控制液压夹轨顶推器系统：包括液压钢轨夹持器、顶推千斤顶、液压泵站、plc控制系统，通过plc控制系统控制液压钢轨夹持器夹持钢轨做反力点，顶推千斤顶活塞伸出推动重型滚轮小车向前行走；顶推千斤顶活塞行程走完后，液压钢轨夹持器松开，顶推千斤顶回程带动液压钢轨夹持器向前移动，到位后液压钢轨夹持器再次夹紧钢轨继续顶推，循环往复实现长距离移运；单次顶推力519kn，行程800mm，顶推频率与行程误差≤1%，并结合沉箱姿态实时监测数据自动调整顶推参数完成纠偏，实现顶推循环的自动运行；移运过程中沉箱倾斜角度≤0.5°，横向偏移量≤10mm。

18、所述模块化钢板-钢轨系统形成高度为150mm的整体受力结构，经荷载扩散后钢板底应力≤722.08kpa，砼面板底应力≤517.41kpa，碎石垫层底应力≤223.44kpa，满足回填砂地基230kpa的承载力要求。

19、所述移运系统根据沉箱横隔墙位置与荷载分布配置小车数量及布置位置；a型沉箱为长25m×宽7m×高12.2m，长宽比3.29，1060t，其采用8台小车分2排布置于横隔墙下方；b型沉箱为长20.5m×宽7m×高12.2m，892t，其采用6台小车布置于外侧横隔墙下方，优化沉箱底板受力状态。

20、所述移运系统的移运速度稳定在0.6m/min，钢轨采用移运一段、拆除一段、铺设一段的流水作业模式，完好钢轨可全部周转复用，单项目轨道材料投入降低25%。

21、本发明的设计特点：

22、⑴模块化钢板-钢轨系统与既有地基的无改造适配：

23、本发明采用钢板扩散轮压的力学设计，在无需对场地进行永久性开挖、浇筑改造的前提下，满足大吨位沉箱移运的地基承载力要求，同时实现轨道的模块化周转。

24、采用20mm厚、1.2m宽的q235b钢板作为分布承压基面，直接铺设于未改造的既有混凝土地面或自然地基上，无需预埋轨道基槽、无需开挖地面凹槽，钢板上方铺设qu80型重型钢轨，钢轨与钢板通过外侧焊接型压轨器+内侧轨道压板组合固定，连接间距1m，形成高度为150mm的整体受力结构。

25、⑵带导向纠偏的重型滚轮小车刚性同步单元：

26、针对窄基面大长宽比沉箱移运易倾斜、多台车独立作业易不同步进而增大底板受扭风险的行业痛点，本发明采用“导向轮横向限位+多台车刚性连接” 的结构协同设计，通过机械结构约束减小行进偏差，提升移运过程的姿态稳定性。

27、重型滚轮小车额定载荷为300t，结构尺寸为长1195mm×宽540mm×高240mm。小车双排轮中间设置导向轮，其直径与滚轮间距比为1:3，采用高强尼龙材质，安装高度低于滚轮轮面2cm。多台小车通过钢管法兰螺栓刚性连接形成同步行走单元，通过结构刚性强制小车同步行进，降低滚轮个体差异、驱动不同步导致的异步偏差。该设计通过以下机制提升移运稳定性：

28、横向导向限位：导向轮在移运过程中与钢轨侧面接触，抵消沉箱横向惯性力，将横向偏移量控制在≤10mm，优于传统工艺≥50mm的偏移控制水平；

29、刚性同步约束：多台小车间通过钢管法兰螺栓连接形成刚性单元，通过结构刚性强制小车同步行进，降低滚轮个体差异、驱动不同步导致的异步偏差。

30、荷载优化分布：根据沉箱横隔墙位置与荷载分布配置小车数量及布置位置，将小车精准布置于横隔墙下方。经midas fea nx计算验证，a型沉箱（25m×7m×12.2m，1060t）采用8台小车分2排布置时，底板最大变形0.396mm，最大拉应力1.50mpa，小于c35混凝土抗拉强度设计值1.71mpa；b型沉箱（20.5m×7m×12.2m，892t）采用6台小车布置时，底板最大变形0.365mm，最大拉应力1.295mpa，满足结构强度要求。

31、⑶plc控制与钢轨循环的流程协同：

32、在机械结构姿态约束的基础上，本发明通过plc控制系统实现顶推同步控制与沉箱姿态闭环纠偏，形成精度控制的第二重保障；同时控制系统可匹配模块化轨道的流水作业节奏，实现移运工序与轨道周转的有序衔接，提升整体施工效率。

33、plc控制液压夹轨顶推器系统由液压钢轨夹持器、顶推千斤顶、液压泵站及plc控制系统组成，单次顶推力519kn，行程800mm，顶推速度稳定在0.6m/min。plc控制系统实现多套顶推装置的同步驱动，顶推频率与行程误差≤1%，同时结合实时监测的沉箱姿态数据，自动调整两侧顶推速度完成纠偏，与模块化钢轨系统联动实现流水作业：

34、自动顶推：plc控制系统实时监测油压与位移，自动完成液压钢轨夹持器夹紧与松开、顶推千斤顶伸出与回缩动作，正常工况下无需人工干预，单循环操作时间相较于人工操作减少50%；

35、同步控制：确保多套顶推装置的顶推频率与行程保持严格同步，有效降低阀件响应延迟、油路泄漏等因素导致的不同步风险；

36、流水作业：钢轨循环利用与沉箱移运同步进行，实现“移运一段、拆除一段、铺设一段”的流水施工，相较于全程通铺轨道的方案，可缩短轨道施工总周期。

37、本发明的有益效果是：

38、1.无需场地永久性改造，适配特殊工程场景：

39、单项目轨道材料投入降低25%。地基应力满足承载力要求，轨道可直接铺设于既有混凝土地面；无需开挖轨道基槽、浇筑混凝土基础，土建工程量减少60%以上，单项目节省场地改造费用约200万元，工装准备工期缩短约2个月；作业后场地无永久性结构破坏，无需恢复处理，可用于既有码头改造、海外受限场地、临时预制场等场景。

40、2.多级姿态控制，提升窄基面沉箱移运的安全性与精度：

41、采用“横隔墙优化布车+小车刚性连接同步+导向轮横向限位+plc姿态闭环纠偏”的多级控制结构；根据沉箱横隔墙位置与荷载分布布置小车，经有限元计算可保证底板受力满足强度要求；实际移运横向偏移量≤8mm，沉箱倾斜度≤0.3°，可有效降低大长宽比沉箱移运过程中的倾斜滑移、底板受扭开裂的风险。

42、3.模块化装配式设计，全构件可周转复用降本：

43、轨道采用分段模块化设计，完成移运的区段钢轨可拆卸转移至前方预行走段重新铺设，即移运过程中可实现“移运一段、拆除一段、铺设一段”流水作业；钢板、钢轨、滚轮小车、顶推装置均为装配式螺栓连接，可拆卸转运、跨项目复用；完好钢轨可全部周转使用，单项目轨道材料投入降低25%；系统构件可适配800t至1500t级多种规格沉箱，跨项目复用率高，成本优势明显。

44、4.plc自动控制，提升作业效率与运行稳定性：

45、plc控制系统可自动完成夹轨、顶推、松轨、回程的循环操作，配套油压、位移、姿态参数实时采集反馈；多套顶推装置同步驱动时，顶推频率与行程误差≤1%；沉箱姿态超阈值时可自动通过差速顶推完成纠偏，正常作业工况下可实现自动循环运行；单顶推循环操作时间相较于人工操作减少50%，额定移运速度可达0.6m/min；现场作业人员需求减少60%，可降低人工操作失误的概率，保障作业连续性。

46、5.标准化装配结构，场景适配性强、实施便捷：

47、全部构件采用标准件螺栓连接，无需现场焊接加工；可根据沉箱重量、底面尺寸调整小车数量、轨道组数及布置形式；现场组装无需专用大型设备，拆装调试难度低；可应用于预制场沉箱转存、出运等场景，适配不同地质条件、不同规格的沉箱移运需求。