超大型沉管安裝精調(diào)系統(tǒng)方案研究與應(yīng)用

付院平，李家林，劉兆權(quán)

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋海底隧道為外海、深水、深埋式沉管隧道，位于珠江口外伶仃海域，施工區(qū)域海流情況復(fù)雜，隧道全長5 990 m，其中預(yù)制沉管長度5 664 m，由33個管節(jié)組成，包括5個曲線段管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，重約75 000 t，最大水深為48 m。

1 工程背景

超大型沉管浮運并沉放到碎石基床后，在水力壓接作用下與已安裝沉管對接，通過貫通測量結(jié)果，若待安沉管軸線偏差超過設(shè)計要求時，需要借助精確系統(tǒng)調(diào)節(jié)待安沉管軸線。

2 精調(diào)系統(tǒng)方案選型

通過對國內(nèi)外相關(guān)沉管隧道軸線調(diào)節(jié)資料的研究，主要有內(nèi)調(diào)法和外調(diào)法兩種方法。結(jié)合港珠澳大橋島隧工程沉管安裝的實際情況，進一步優(yōu)化了內(nèi)調(diào)法和外調(diào)法技術(shù)方案擬應(yīng)用于本工程，精調(diào)方案示意圖見圖1。

圖1 內(nèi)調(diào)方案示意圖Fig.1 Sketch of the internal adjustment scheme

2.1 內(nèi)調(diào)方案

內(nèi)調(diào)法是通過在已安沉管和待安沉管對接端上設(shè)置頂推和限位裝置，在沉管軸線需要調(diào)位時，通過管內(nèi)頂推待安沉管對接端邊墻，使得待安沉管尾端實現(xiàn)糾偏的方法。在頂推裝置操作過程中，利用安裝船對沉管提供向上的輔助吊力，可以減小沉管在糾偏時對碎石基床的摩擦力，實現(xiàn)精確調(diào)位。

結(jié)合國內(nèi)外沉管隧道內(nèi)調(diào)法的應(yīng)用情況，港珠澳大橋沉管隧道與采用先鋪法施工的厄勒海峽沉管隧道從尺寸、重量、基礎(chǔ)施工等方面都有眾多相似之處，內(nèi)調(diào)方案是在厄勒海峽沉管隧道精確調(diào)位系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多摩川沉管隧道的沉管軸線糾偏系統(tǒng)進行優(yōu)化，將頂推和限位裝置布置在已安沉管尾端和待安沉管首端的結(jié)合腔內(nèi)，通過頂推待安沉管對接端邊墻，使得待安沉管尾端實現(xiàn)糾偏，如圖2。

圖2 內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)斷面圖Fig.2 Cross-section of the internal adjustment system

內(nèi)調(diào)法操作流程為：

1）沉管沉放、拉合、水力壓接

沉管經(jīng)安裝船浮運到施工海域后，利用船上的管節(jié)沉放系統(tǒng)將沉管沉放到已鋪設(shè)的碎石基床上，通過管頂?shù)睦舷到y(tǒng)將待安沉管拉合與已安沉管對接，利用排水系統(tǒng)將兩個管節(jié)之間結(jié)合腔的海水排出，再利用沉管外部海水壓力將待安沉管端部的止水帶壓縮止水[1-5]。

2）貫通測量

沉管水力壓接完成并排水后，打開沉管鋼封門測量孔進行貫通測量，確認(rèn)沉管安裝是否滿足精度，如需要調(diào)整時，通過體內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)進行待安沉管軸線調(diào)節(jié)，直到沉管軸線偏差滿足要求[6-8]。

3）內(nèi)調(diào)糾偏

液壓泵站和操作系統(tǒng)提前放在已安沉管內(nèi)，線路和墊塊連接完成后，先將限位千斤頂施加預(yù)頂力鎖定限位；頂推千斤頂施加預(yù)頂力，然后設(shè)定頂推調(diào)節(jié)千斤頂行程。操作期間關(guān)閉沉管鋼封門，保持測量孔打開狀態(tài)。安裝船提升系統(tǒng)起吊減小沉管對基床壓力，確保沉管對基床壓力不小于400 t。頂推千斤頂開始加載進行糾偏，達到預(yù)設(shè)行程后，頂推千斤頂停止頂推，卸載安裝船提升系統(tǒng)吊力。糾偏操作期間利用全站儀通過測量孔觀測沉管尾端糾偏情況。

4）千斤頂卸載、完成糾偏

千斤頂卸載前，加壓載水達到5%負(fù)浮力后，經(jīng)計算沉管滿足在流速1.3 m/s水流力和水壓力作用下糾偏復(fù)位穩(wěn)定性要求。為確保安全，鎖定回填后再同步、分級卸載限位千斤頂和頂推千斤頂頂力，同時觀測沉管尾端穩(wěn)定情況，沉管鎖定回填后，拆除內(nèi)調(diào)系統(tǒng)。

5）尾端偏差調(diào)節(jié)量的確定

沉管尾端偏差調(diào)節(jié)量考慮了以下累加量：

①鋼端殼的偏差為±5 mm，考慮鋼端殼引起尾端偏差為25 mm。

②考慮已安沉管尾端軸線偏差為50 mm，待安沉管和已安沉管端面間均勻壓縮，此時待安沉管尾端偏差為100 mm。

最不利狀態(tài)為已安沉管尾端偏差為50 mm，待安沉管和已安沉管GINA均勻壓縮，導(dǎo)致待安沉管出現(xiàn)100 mm偏差；再考慮鋼端殼可能引起尾端偏差25 mm（鋼端殼±5 mm）；沉管尾端累積偏差為125 mm。

③兩管節(jié)糾偏到位操作步驟。

若沉管尾部偏差125 mm，一次糾偏到位時對GINA會產(chǎn)生較大的不均勻壓縮，故考慮按2節(jié)沉管糾偏到位的思路，糾偏待安沉管尾部85 mm即可滿足設(shè)計要求。選取85 mm進行計算千斤頂推力配置。

6）受力分析總體思路

在計算過程中，選取A端壓縮限位，B端為推力千斤頂。按照待安沉管為對象，選取38 m水深，糾偏量85 mm為例進行千斤頂推力配置計算，如圖3。

圖3 沉管安裝平面示意圖Fig.3 Plane diagram of immersed tube installation

①沉管水力壓接完成以后，最不利狀態(tài)下GINA均勻壓縮。

②安裝壓縮限位千斤頂和頂推千斤頂后，頂推沉管克服摩擦力處于水平移動臨界狀態(tài)。

③增加B端千斤頂推力，摩擦力方向開始改變，在推力作用下沉管A端GINA張開2 mm，B端GINA張開3.3 mm。由于A、B兩側(cè)GINA為非均勻張開，沉管糾偏旋轉(zhuǎn)中心移動變化，限位千斤頂不跟進。

④B端千斤頂推力繼續(xù)增加，A端GINA被壓縮，直至限位千斤頂推力開始增加。沉管相對張開至17.26 mm，糾偏沉管尾端偏差為85 mm的狀態(tài)。

⑤向沉管內(nèi)加壓載水至5%負(fù)浮力后，A端和B端千斤頂若在鎖定回填前同步卸載，GINA將被二次均勻壓縮4.1 mm。如鎖定回填后卸載，GINA不再壓縮。

所涉及的受力取值按照有關(guān)規(guī)范和文獻進行了人工解析，計算結(jié)果見表1。

表1 內(nèi)部精調(diào)計算數(shù)據(jù)表Table l Internal precision calculation data table

為校核人工解析計算結(jié)果，采用了3套軟件進行數(shù)模計算，經(jīng)計算水深38 m時，糾偏沉管尾端偏差85 mm。

2.2 外調(diào)法技術(shù)方案

外調(diào)法主要是考慮水深大、沉管長寬比大時，明顯增大內(nèi)調(diào)千斤頂推力配置。先鋪法同樣明顯增大千斤頂配置，對采用安裝船輔助提供向上吊力以減小沉管對基床摩擦力的案例，收集到的只有釜山—巨濟沉管隧道和厄勒海峽沉管隧道，對波高要求≤0.4 m；而厄勒海峽沉管隧道施工中，施工現(xiàn)場四周有掩護，海況較好；這兩個工程實際作業(yè)波高明顯小于港珠澳大橋沉管隧道的作業(yè)波高0.8 m。根據(jù)物模試驗，受浪流影響下吊力變化幅度很大，對安裝控制困難較大[3]。為此，港珠澳沉管安裝采用一套不受波浪影響的沉管軸線糾偏技術(shù)，優(yōu)化了沉管底端精調(diào)系統(tǒng)的外調(diào)法。

2.2.1 設(shè)計方案優(yōu)化

在開發(fā)底端精調(diào)系統(tǒng)過程中，通過深入研究，經(jīng)歷了4套方案優(yōu)化，分別為叉車式底端精調(diào)系統(tǒng)、千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（一）、千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（二）、鍥體式底端精調(diào)系統(tǒng)，外部精調(diào)方案優(yōu)化見圖4。

圖4 外部精調(diào)方案優(yōu)化圖Fig.4 Optimization chart of external precision scheme

2.2.2 叉車式底端精調(diào)系統(tǒng)

叉車式底端精調(diào)系統(tǒng)安裝于待安沉管尾部底端兩側(cè)，由2組設(shè)備組成，在水下具備自主頂升糾偏的功能。每組設(shè)備長為10 m，寬為4 m，高約2.2 m，水下重量控制為20 t，配重約40 t，工作時對沉管尾端提供向上的設(shè)計頂升力為600 t，水平設(shè)計推力為300 t，2組設(shè)備由20臺液壓千斤頂組成。

考慮到叉車式底端精調(diào)系統(tǒng)中，設(shè)備的安裝需要分組進行，在頂升沉管過程中，需尾部較大配重壓穩(wěn)，且無法將頂升力轉(zhuǎn)化為有利受力，故進行了優(yōu)化。

2.2.3 千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（一）

優(yōu)化后設(shè)備長15 m，寬2.7 m，高0.6 m，千斤頂總數(shù)量為16臺?？紤]到千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（一）分為2組，要分別吊裝，整體性不好，同時尾部配重占據(jù)了一定的寬度，故進行了第二次優(yōu)化。

2.2.4 千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（二）

二次優(yōu)化為單設(shè)備組成1套。設(shè)備長35 m，寬1.5 m，高0.6 m；千斤頂總數(shù)量為14臺。千斤頂式底端精調(diào)系統(tǒng)（二）進行深入設(shè)計時，千斤頂承受側(cè)向力較大，設(shè)備難以滿足。

2.2.5 鍥體式底端精調(diào)系統(tǒng)

采用鍥體實現(xiàn)沉管頂升和糾偏。利用油缸水平推動鍥體，使沉管抬升，再操作糾偏油缸水平推動糾偏，使沉管水平移位，實現(xiàn)糾偏。設(shè)備高0.6 m，長約30 m，寬1.5 m，千斤頂總數(shù)量為8臺；由定位系統(tǒng)、糾偏裝置（頂升系統(tǒng)、糾偏系統(tǒng)）、導(dǎo)向吊裝系統(tǒng)、動力和控制系統(tǒng)、管線等附屬設(shè)施組成。

通過綜合比選，鍥體式底端精調(diào)系統(tǒng)消除了其他方案的不足，擬選取鍥體式底端精調(diào)系統(tǒng)為外調(diào)法方案進行比選。

2.2.6 工藝流程

底端精調(diào)系統(tǒng)工藝操作主要分設(shè)備基礎(chǔ)整平、沉管軸線復(fù)測、設(shè)備沉放就位、沉管糾偏、實時監(jiān)測、設(shè)備移出等步驟?？刂葡到y(tǒng)和液壓泵站都放置在方駁上，采用PLC程序液壓自動控制，水上集中操作。

3 精調(diào)方案比選

針對方案研發(fā)情況，分別從應(yīng)用案例、設(shè)備安裝位置、操作地點、對沉管剛度和碎石基床的要求、對GINA止水帶的影響、設(shè)備拆除時機等方面進行比選，見表2。經(jīng)對比分析，港珠澳大橋沉管隧道精調(diào)系統(tǒng)采用管內(nèi)調(diào)節(jié)法技術(shù)方案。

表2 精調(diào)系統(tǒng)方案對比Table 2 Comparison of precision system schemes

4 工程應(yīng)用

港珠澳大橋沉管隧道施工過程進行了兩次精調(diào)試驗，精調(diào)前后沉管首尾端軸線偏移狀態(tài)對比情況見表3。

表3 沉管精調(diào)前后對比情況Table 3 Comparison before and after precision of immersed tube

5 結(jié)語

工程實踐證明，經(jīng)過精調(diào)后的沉管軸線可以滿足港珠澳大橋島隧工程沉管安裝設(shè)計要求，可以為類似工程提供可靠的借鑒作用。