浮箱结构工程的应用与发展_陈宝林
高 新 技 术
２００８ ＮＯ．１３
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
科技创新导报
１ 前言
随着人类经济活动的迅猛发展，岛屿及近海与近岸的利用越来越受到人们的关注。由于受海洋地质环境的影响，海岸和近海工程的场地和地基条件比较恶劣，施工前期的交通运输和物质装卸载问题非常困难，对于离岸岛屿的开发而言，这一问题尤其特出。利用浮箱架设码头、栈桥、门桥、平台等浮式结构能有效解决上述难题。浮箱技术虽始于军事交通工程保障，但近十年来在民用工程建设中已逐步得到应用，并表现出较高的经济效益和宽广的应用前景。
２ 浮箱器材研究进展及应用
２．１ 研究进展
浮箱器材一般是外形尺寸与ＩＳＯ标准相匹配的钢质浮式结构，以满足集装箱船舶和卡车运输以及ＩＳＯ集装箱装卸设备相结合的要求。浮箱成套器材一般由标准箱、首尾箱、岸边箱以及配套连接装置、舾装和锚定设备组成。各组成部分为相互独立的单元模块，在水上可快速连接构成各种浮式平台。
对小型码头及水上娱乐设施而言，浮箱也可由混凝土、防腐木材、不饱和聚脂树脂、玻璃纤维、铝合金及相关辅助材料等组成，外表涂刷强力碳黑防腐涂料，使其充分满足稳定性、承载能力、环境影响（如腐蚀、低温侵袭）及环保（如水污染）等主要技术要求，并可加工成非标准、异形箱体，满足浮箱多样化的应用趋势。
目前英、美、俄、德等国已研发各自的浮箱器材，其几何尺度、应用范围有所不同，连接方式也各有所长，其中最典型的当数英国ＦＢＭ船舶有限公司为美国海军研制的Ｍｅｘｅｃｅｌｌ海上模块式（浮箱）后勤系统。Ｍｅｘｅｃｅｌｌ可在３级海况条件下进行连接和分离作业，结构成的系统可承受的６级风浪条件。系统的辅助器材包括系柱、系缆桩、护舷装置、航行灯具、滩头跳板、定位桩槽（用于外桩定位）和定位桩孔（用于内桩定位）等多种“快速安装定位”器材。Ｍｅｘｅｃｅｌｌ采用集装箱模式的钢制浮箱单元模块，与ＩＳＯ尺寸要求相匹配，因而平台系统的组成部件，或其他任何Ｍｅｘｅｃｅｌｌ结构都可通过一般的集装箱化海运、公路和铁路系统运送到作业区域。
Ｍｅｘｅｃｅｌｌ浮箱在设计上的最大特点是采用不带任何内部支撑的开放式单元结构，以便于存放各种器材、设备及后勤物资。浮箱单元两侧和甲板齐平，将结构和装配过程中系统遭受破坏的可能性降低到
最小限度。为了增强灵活性，首尾箱可设
计成能够抬升并高出甲板平面，形成端部
的倾斜，或者放低至单元结构底部平面下
以形成装载跳板坡台。Ｍｅｘｅｃｅｌｌ采用简单
而高效的连接系统，高精度卡爪装置是其
装配概念的关键，该卡爪装置只需辅之以
很少设备便可在工作现场进行更换。当卸
下单元浮箱进行维修和更换时，整个系统
的性能不会因此而受到影响。此外，
Ｍｅｘｅｃｅｌｌ还自带一种可３６０度回转喷水推
进装置的动力单元箱。该单元箱配有
１５４Ｋｗ船用柴油动力喷水推进器，采用平
底形结构，易于浅水机动。其发动机、喷水
推进器、燃油箱和所有辅助设备都包含在
Ｍｅｘｅｃｅｌｌ的尾箱中，所有机动控制装置的操
纵通过线控实现。对于大型的Ｍｅｘｅｃｅｌｌ结
构，可将动力单元箱作为首部推进结构进
行连接，以提供推进动力。
ＭＥＸＥＦＬＯＴＥ是英国另一种多功能浮
箱设备，专门设计用于海事用途，能迅速结
构成适用于海上和港口的驳运门桥，也能
结构成栈桥、码头和其它浮游设施。
ＭＥＸＥＦＬＯＴＥ适用风浪条件为：结构成门
桥、栈桥和码头的浮箱适应浪高０．６１ｍ；门
桥、栈桥和码头的作业适应浪高１．２２－１．
５２ｍ；系泊条件下门桥和码头（空载）最大适
应浪高２．７４－３．０５ｍ；拖曳条件下栈桥或门
桥（空载）最大适应浪高３．６６ｍ。
我国研制的多用途浮箱，是一种具有
足够强度和拼组性能的浮式结构单元，目
前已形成内陆水域和海上型两种系列。２０
世纪８０年代起，我国进行了多用途浮箱的
研制，在设计、制造和应用三个方面进行
了系统的试验研究和理论研究，最早在军
用渡河装备领域得到研究和应用。８０年代
末，多用途浮箱开始向民用和海上应用发
展，并为此新研制了各类浮箱单元系统。
最近，利用多用途浮箱平台、栈桥渡船及
附属设施组成的海上机动应急卸载平台，
能够有效解决无码头条件下海上重型货物
的装卸载难题，研究成果对离岸岛屿的开
发及近海作战有重大意义。
目前，我国浮箱在总体设计、岸边箱
设计、接头形式、制造工艺及抗风浪性能
等方面都有很大创新和突破，总体上已达
到国际先进水平。当前的工作及趋势主要
是要关注各类浮箱单元的兼容性、通用
性、作业快速性，重视现代计算技术、测量
技术、加工技术和材料技术进行精确的公
差尺寸控制，改善浮体单元的互换性及结
构内部受力情况。
２．２ 多用途浮箱器材性能特点及浮箱应用
介绍
多用途浮箱器材采用平面尺度的模数
化设计，可根据工程需求，快速拼组成各种
形状的浮式结构，且能适应水位变化；拼组
结构可以快速分解，便于运输；浮式结构模
块均具有水密性，拼组的浮式结构整体抗
沉性好；浮式结构模块可以标准化、系列
化，提高互换性、降低生产成本；拼组成的
浮式结构作为水上承载平台，可以根据需
要加装不同用途的生产、生活设施。
多用途浮箱适用海况条件与Ｍｅｘｅｃｅｌｌ
系统和Ｍｅｘｅｆｌｏａｔｅ设备基本相似，即能够适
应２．５ｍ／ｓ的水流速度，岸边箱的调节机构
可适应２．０ｍ的水位变化；结构成的门桥、
栈桥和码头系统可承受６级风浪条件，在３
级海况或１．２～１．５ｍ的浪高条件下生存；
系泊条件下浮箱系统（空载）最大适应浪高
达２．７～３．０ｍ。
目前国内外大都采用将浮箱连接为浮
码头和栈桥作为海洋应急装卸系统的临时
通道。随着浮箱器材设计水平及材料技术
的不断提高，浮箱用途更为广泛。
在交通系统方面，浮箱可构成悬浮隧
道、浮桥、栈桥、滩头登陆门桥、滚装平
台、渡驳船等为离岸工程或设施提供交通
通道。浮箱悬浮隧道由英国工程师格兰特
于１９６６年首次提出。在大跨度的深水水域
中，悬浮隧道具有独一无二的优势。尽管
迄今为止还没有建造水中悬浮隧道，但挪
威、瑞典、瑞士、意大利、美国、加拿大、
日本等国家都对水中悬浮隧道表现出巨大
的热情，并已开始进行相关的技术研究。
我国曾在舟山金塘海峡考虑过悬浮隧道方
案，当前正在讨论关注琼州海峡悬浮隧道
方案。
利用浮箱架设浮桥、栈桥在国内外较
普遍，如宁波大榭跨海浮桥。该桥建于
１９９４年，桥长４５５．５ｍ，宽９．４ｍ，可通行８０ｔ
载重车辆。目前，正在建造同江跨江跨境
国际浮箱固冰通道，该通道采取钢架结构，
桥面等级按公路２级标准设计，将３５个
２５ｍ长、２１ｍ宽的钢铁浮箱连接起来，形成
一个长１０００ｍ、宽９ｍ、可载重１００ｔ的双向
通道，用于中俄两岸港口间冬春两季流冰
期的客货运输。其它相关应用有千岛湖岛
屿间的连接浮桥、深圳盐田区明克思航空
母舰的上舰栈桥等等。在濒海作战中，登
陆舰两侧会携带一定数量的浮箱以满足架
设登陆通道的需求。
浮箱器材还可构筑高架结构（或箱梁
桥）解决陆上或复杂海况海上交通问题。
浮箱结构工程的应用与发展
陈宝林 严建国 戴小平 孙芦忠
（解放军理工大学 江苏南京 ２１０００７）
摘 要：介绍浮箱器材的研究进展、性能特点、适用条件及当前的应用情况。根据工程实践提出了设计及应用中的有关问题。通过
工程实例简单介绍多用途浮箱架设临时性作业平台力学的分析模型与基本方法。
关键词：多用途浮箱 近海工程 交通保障 浮码头
中图分类号：Ｕ文献标识号：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０５（ａ）－００１３－０２
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比如，Ｍｅｘｅｃｅｌｌ单元箱可采用悬臂结构技术在拍岸浪区之上结构成高架栈桥（ＥＬＣＡＳ）。１９９６年，为解决合徐公路与宁合高速公路汇交处陇西立交工程建设中的正常交通，应用多用途浮箱架设了两座箱梁便桥，便桥的通载等级与高速公路基本匹配，正常使用６个月，保证了施工期间宁合高速公路的交通畅通。
多用途浮箱器材另一重要功能就是拼组各种水上作业平台，如海岸工程施工前期（临时性）的物资装卸载码头、海上高架平台、水下施工平台、钻井（或打桩）平台、潜水支援平台等。这类工程主要有北京海洋馆的水上演出平台、福建宁德电厂的临时性浮码头、京九铁路泰和特大桥施工中构筑的大型植桩平台、广东花都九龙潭的浮式游泳池［２］、徐盐高速淮安段苏北灌溉灌溉总渠大桥施工平台等等。此外还可将浮箱构成平台运用于围海、筑堤的水上抛投和水上渔业生产及现场加工等。
浮箱器材作为其它水上结构的辅助设施也得了较为广泛的应用，如港口码头的浮箱式防波堤、浮箱水力自动化闸门、大桥浮箱防撞装置、浮箱式导航堤及海上波能转换器（利用漂浮在海面上的浮箱将波能转为电能的一种装置）等。
浮箱水力自动化闸门是一种借助水力和重力作用，可以自动启闭和调节的自动化闸门，具有运行可靠、结构简单等特点，越来越被广泛地应用于供水、灌溉、防洪、发电、水运等工程。
利用浮箱作为桥梁防撞设施的工程也越来越普遍，如十堰将军河大桥、巫峡长江大桥［３］、湛江海湾大桥等。其中，湛江海湾大桥防撞装置由钢结构箱体和橡胶护舷等柔性体组成，为世界首例双浮体式桥墩防撞装置。当钢结构箱体与船舶发生碰撞时，它可通过自身的破坏吸能，抵消部分撞击船舶能量，同时使多个柔性体隅合在一起，起到缓冲消能的作用，以抗击船舶对大桥的撞击。桥梁浮箱防撞设计的关键，是要根据航道情况确定碰撞速度和碰撞不利角度及船舶队在撞击过程中的相互作用，分析碰撞能量和碰撞力，研究防撞方法及其防撞设施细部构造，以设计出安全可靠、经济合理、美观轻巧的防撞装置。
三峡工程双线五级船闸所采用的浮箱式导航堤，目前是我国水电领域最长、结构最复杂的浮箱建造工程。所用浮箱为薄壁钢筋混凝土装配整体式船体结构，每艘船体重１８００ｔ、长５５ｍ、宽９．４ｍ，浮箱最厚部位仅５５ｃｍ，最薄部位才１５ｃｍ。导航堤浮箱长期处于水下，除需要满足风浪或船舶撞击等作用下强度和限裂要求外，还要有良好的抗渗、抗冻性能，施工质量要求高，施工难度比较大。浮箱导航堤主要供船舶过船闸时临时停靠［４］。
３ 运用浮箱架设临时性作业平台技术需要解决的几个问题
３．１ 经济性
浮箱器材拼组结构作为一种临时性或短期工程设施，经济性是其首要出发点，轻
便、经济、实用、加工简单是其主要设计
原则，应通过技术及工艺措施降低制造费
用。经比较，应用我国多用途浮箱器材架
设的临时性工程设施，可以节约成本２５％
以上，产生良好经济效益。比如武汉长江
公路大桥在枯水期施工时应用浮箱架设码
头转运砂石获经济效益３０万元，京九铁路
泰和大桥应用浮箱拼组水上作业平台获经
济效益４５０万元，大榭跨海浮桥获得的经
济效益更是无法估量。同江浮箱固冰通道
建成后，将使同江实现对俄四季通关，年货
运量增加２５倍左右。
３．２ 灵活、快速的拼组性
为满足不同使用要求，浮箱单元的平
面尺度应采用模数化设计，箱体连接装置
的定位也应符合模数化设计思路的要求，
从而实现平面内任意的二维拼组，形成大
面积平台、中空平台或开口异形平台等。
浮箱单元的连接装置在确保强度要求的前
提下，实现操作方便，如我国多用途浮箱采
用的水下丙丁接头和上部的双向抗剪接头
完全实现了水上操作，拼组十分便捷。
３．３ 耐久性和安全性
浮箱耐久性和安全性问题涉及到浮箱
的密封性、结构强度、连接可靠性与疲劳
强度和耐腐蚀性等。影响浮箱耐久性和安
全性的主要因素是结构的抗疲劳强度和箱
体的耐腐蚀性能力。实际应用表明，由于
波浪的动力效应和上部车载冲击，浮箱接
头的连接件始终受脉动交变应力和局部应
力集中的不利状态。因此，在设计中需要
考虑接头动力疲劳和冲击碰撞等因素，并
合理估测使用期间内可能发生的应力循环
次数。实际应用还表明，连接销与销盒的
材料强度匹配直接影响连接装置的耐久
性，应两者等强或以销盒材料硬度高于连
接销为宜。对于腐蚀问题，实际监测和试
验表明普通防腐涂料即可对箱体有效防护
３至４年左右，如果辅以电化学防护，浮体
的抗腐能力还可提高。
３．４ 海上拼组式浮式结构的耐波性分析
对处于近海或开敞水域的浮式结构，
风浪环境因素直接构成了作用于结构的外
载荷。分析结构在波浪作用下的动力响应
是必需的。海洋环境载荷对结构动力效应
问题，广义地称为耐波性研究，这是工程界
关注的课题，也是学术界研究的重点。浮
式结构的动力响应分析必须解决其中大量
的流体和固体力学问题。关于拼组式多连
浮体系统耐波性分析，近十多年已取得一
系列研究成果，目前开发了相应的应用软
件，并已应用于工程设计。
４ 发展趋势
海上浮箱结构作为临时性工程设施，
主要用于连岸浅水区，作业期间需要抵御
海上风浪的影响，并克服滩头浅水、海流、
潮汐、拍岸浪、浅滩等自然障碍，作业过
程复杂，环境条件恶劣，实施难度和风险性
较大。因此今后研究的重点集中于下述几
个关键技术问题：
根据工程实际需要，优化结构，减小单
元尺度，减少安装设备，使应用和操作更为
简单；
加强平台系统的组成结构、内部构造、
连接技术、拼装结构的形式的研究；
加强整体运动性能和运动姿态实时控
制（即监控与运动规律数值预报）、锚泊定
位、单元箱间的连接匹配、防碰撞措施等
的技术研究。这些研究对浮箱结构在今后
的应用与发展具有至关重要的作用。
平台作业系统总体技术研究，即分析
平台、平台上的作业机械、靠泊船舶或外
部结构之间的匹配，提高作业系统对平缓
海岸的适应能力。
５ 总结
实践表明，运用多用途浮箱器材架设
临时性工程设施可以提高交通运输中应
急、机动保障能力，满足现代化建设物流
需求，具有很高的社会和经济效益，在国防
和民用工程中具有非常广阔的应用前景。
但从目前技术水平来看，与国外尚有
较大差距，需要对浮箱系统的总体设计和
基本性能分析进行更为深入的研究；除了
借鉴国外先进技术和经验以外，需要研究
适合我国海岸环境的关键技术，以提高浮
箱结构设施适应自然环境的能力，为我国
拓宽浮箱结构应用范围提供技术支撑。
参考文献
［１］孙芦忠．浮箱器材在公路立交工程中的
应用［Ｊ］．华东公路，１９９９．０４．
［２］陆立太．工程浮箱［Ｊ］．铁道建筑技术，
１９９９．０１．
［３］郑旭峰．巫峡长江大桥防撞设计［Ｃ］．中
国土木工程学会桥梁及结构工程学会
第十四届年会论文集．
［４］齐建飞．三峡船闸上游浮式导航堤浮箱
施工［Ｊ］．人民长江，２００３，３４（９）．
１４科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ