沉管基床鋪設(shè)碎石供料及鎖固回填船建造與應(yīng)用

張志濤，仇偉淇，李家林*，劉兆權(quán)

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

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道全長(zhǎng)5 990 m，其中沉管長(zhǎng)5 664 m，由33 節(jié)沉管組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，寬37.95 m，高11.4 m，重約75 000 t。沉管基床墊層鋪設(shè)碎石36.3 萬(wàn)m3，護(hù)面回填層碎石178萬(wàn)m3，覆蓋層塊石162 萬(wàn)m3，拋石整平和鎖固回填工作量巨大；基床水深8~45 m，水深變化大；就碎石整平精度、施工水深、拋石工程量而言，國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)。

1 供料鎖固回填船

1.1 用途及工況

供料鎖固回填船是為港珠澳大橋島隧工程量身定制的特種專用船舶。主要用于水深8~50 m 范圍內(nèi)所有沉管基床墊層碎石鋪設(shè)供料、沉管安裝鎖固及護(hù)面層回填施工。船舶主要參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所示。

1.2 船舶主要系統(tǒng)

按功能分為船舶推進(jìn)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、船體定位系統(tǒng)、碎石皮帶輸送系統(tǒng)、碎石鎖固回填系統(tǒng)和施工管理系統(tǒng)6 個(gè)主要系統(tǒng)。

表1 主要參數(shù)Table 1 The main parameters

1.2.1 船體總體布置

本船為鋼質(zhì)自航甲板駁，甲板上設(shè)置供料皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)、回填鎖固系統(tǒng)、船體定位絞車系統(tǒng)和碎石儲(chǔ)料倉(cāng)。輸送石料皮帶機(jī)系統(tǒng)主要用于為碎石鋪設(shè)整平船“津平1”連續(xù)供石料；鎖固回填皮帶機(jī)系統(tǒng)主要用于沉管安裝后的碎石回填鎖固作業(yè)。船上還配置了柴油發(fā)電機(jī)組、壓艙注排水系統(tǒng)、自航推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等各種輔助設(shè)備[1]。

1.2.2 碎石儲(chǔ)料倉(cāng)

本船碎石儲(chǔ)料倉(cāng)位于主甲板上，一次性可儲(chǔ)存2 000 m3石料，甲板面開(kāi)有8 個(gè)漏斗式出料口，料口圍壁傾斜角為45°，每個(gè)出料口通過(guò)液壓系統(tǒng)控制可自動(dòng)開(kāi)閉，并設(shè)有振動(dòng)給料機(jī)，為皮帶機(jī)提供石料。

1.2.3 碎石供料系統(tǒng)

主要為基床碎石鋪設(shè)整平船“津平1”供料，由5 套皮帶機(jī)組成，每套皮帶機(jī)帶寬1 200 mm，輸送能力600 m3/h，帶速1.6 m/s。其中1 號(hào)皮帶機(jī)在主甲板以下縱向布置；2 號(hào)皮帶機(jī)在主甲板以下橫向布置，端部抬升角度≤16°；3 號(hào)、4 號(hào)皮帶機(jī)布置在甲板以上右舷，皮帶傾角≤16°，傾斜皮帶設(shè)皮帶機(jī)棧橋及維修通道；接運(yùn)4 號(hào)皮帶機(jī)為旋轉(zhuǎn)式懸臂卸料皮帶機(jī)，出料口最大高度≥19 m（滿載水線上，皮帶機(jī)傾角為≤16°），舷外有效跨距8~10 m，非工作狀態(tài)旋轉(zhuǎn)式卸料皮帶機(jī)轉(zhuǎn)向船左舷進(jìn)行有效封固，石料輸送系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 石料輸送系統(tǒng)Fig.1 Stone transport system

1.2.4 鎖固回填系統(tǒng)

鎖固回填系統(tǒng)由5 套皮帶機(jī)組成，皮帶機(jī)寬1.2 m，輸送能力600 m3/h，帶速1.6 m/s。碎石經(jīng)1 號(hào)、2 號(hào)及3 號(hào)皮帶機(jī)頭部設(shè)分料設(shè)備，分流到5 號(hào)、6 號(hào)皮帶機(jī)，當(dāng)鎖固回填作業(yè)時(shí)，5 號(hào)、6號(hào)回填皮帶機(jī)可隨下料溜管同步移動(dòng)，溜管移動(dòng)臺(tái)車采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪、鏈條方式，臺(tái)車行走速度為0~10 m/min，船首部溜管臺(tái)車移動(dòng)行程為21 m、尾部溜管臺(tái)車行程為36 m。

1.2.5 船體定位系統(tǒng)

船體定位由6 臺(tái)40 t 變頻絞車完成，絞車分別布設(shè)在船首和船尾的左、中、右，每臺(tái)絞車可機(jī)旁控制，也可在駕駛室集中遙控，通過(guò)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示比對(duì)船體與施工區(qū)域相對(duì)位置，從而精準(zhǔn)控制鎖固回填施工。

1.2.6 施工管理系統(tǒng)

施工管理系統(tǒng)采用先進(jìn)的GPS 管理系統(tǒng)，集成電子海圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、海水流速監(jiān)控等功能于一體。施工管理系統(tǒng)由船位GPS 誘導(dǎo)系統(tǒng)、船體GPS 信號(hào)合并系統(tǒng)、海水流速測(cè)量系統(tǒng)、石料輸送控制及稱重系統(tǒng)、溜管測(cè)距儀、高度計(jì)等組成[2]。

2 碎石鋪設(shè)供料及鎖固回填施工

供料鎖固回填船航行至指定作業(yè)水域，按順序?qū)? 口定位錨拋出，通過(guò)船舶定位系統(tǒng)控制絞車收緊纜繩將船舶定位后，石料運(yùn)輸船靠泊為其料倉(cāng)供料，再由其為碎石鋪設(shè)整平船作業(yè)供料或單船進(jìn)行鎖固回填作業(yè)施工。

2.1 基床墊層碎石鋪設(shè)供料

沉管基礎(chǔ)碎石墊層鋪設(shè)整平船與供料船就位后，供料船將船首的旋轉(zhuǎn)式懸臂卸料機(jī)旋轉(zhuǎn)至整平船碎石進(jìn)料口上方給料位置，啟動(dòng)皮帶輸送系統(tǒng)，碎石經(jīng)料倉(cāng)出料口，依次通過(guò)1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)皮帶輸送機(jī)及懸臂卸料機(jī)5 次抬升輸送至碎石鋪設(shè)整平船進(jìn)行供料作業(yè)，石料供給控制系統(tǒng)位于駕駛室，與整平船石料輸送系統(tǒng)具有聯(lián)動(dòng)功能[3]，碎石墊層鋪設(shè)整平供料示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 碎石墊層鋪設(shè)整平的供料示意圖Fig.2 Feeding diagram for gravel cushion laying and leveling

2.2 鎖固回填施工

沉管回填主要分為點(diǎn)鎖回填、鎖定和一般回填、護(hù)面層回填，鎖定回填包括島頭段鎖定回填和一般段鎖定回填，其中島頭防撞段：E1~E5（含E5 首端55 m，共640 m），E31~E33（含E31 首端135 m，共405 m）只進(jìn)行鎖定回填施工，石料粒徑為5~80 mm 碎石，見(jiàn)圖3。

圖3 島頭段鎖定回填斷面圖Fig.3 Section of locking backfill at island head section

中間一般段為E5 尾端125 m 至E31（含E5 尾端125 m 和E31 尾端45 m，共4 619 m）進(jìn)行鎖定回填、一般回填和護(hù)面層回填施工，其中鎖定回填和一般回填石料粒徑為5~80 mm 碎石，護(hù)面層回填設(shè)計(jì)石料粒徑為10~100 kg 塊石和100~200 kg塊石[4]（航道段）。

2.2.1 點(diǎn)鎖回填

沉管安裝完成后，在管節(jié)尾端、中間及前端，均勻、同步進(jìn)行點(diǎn)鎖回填，鎖點(diǎn)數(shù)量和點(diǎn)鎖方量根據(jù)管節(jié)長(zhǎng)度和水深確定。一般段管節(jié)鎖定回填按照每側(cè)4~5 個(gè)鎖點(diǎn)，每個(gè)鎖點(diǎn)高度約5 m。

2.2.2 一般回填

1）船舶定位?；靥畲M(jìn)場(chǎng)時(shí)依靠自身動(dòng)力和一艘大馬力拖輪傍拖的方式就位，施工時(shí)回填船垂直于已沉管節(jié)方向布置。

2）高度計(jì)安裝?；靥畲瑨佸^定位完成后，在溜管的內(nèi)側(cè)安裝高度計(jì)，并將溜管移至管頂進(jìn)行比對(duì)。

3）運(yùn)輸船靠泊供料。石料運(yùn)輸船垂直靠泊回填船無(wú)溜管側(cè)，石料運(yùn)輸船靠自身動(dòng)力和拋錨穩(wěn)住船身。

4）溜管精確定位。根據(jù)水深，下放溜管底端至管頂5 m 左右，防止溜管碰撞管節(jié)造成沉降和位移。平面位置通過(guò)船上GPS 和測(cè)距儀測(cè)得溜管位置關(guān)系來(lái)定位，再通過(guò)前后移動(dòng)溜管至回填位置，回填示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 回填示意圖Fig.4 Backfill diagram

5）皮帶輸送石料。開(kāi)啟上料斗下料口，由艙內(nèi)1 號(hào)皮帶機(jī)接料，2 號(hào)橫向皮帶機(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)入一級(jí)提升的3 號(hào)皮帶機(jī)出艙，由3 號(hào)、4 號(hào)之間的分料塔向2 個(gè)回填5 號(hào)、6 號(hào)皮帶機(jī)供料。

6）溜管出料回填?；靥顣r(shí)采用雙管定點(diǎn)定量模式進(jìn)行回填，每4 m 為1 個(gè)斷面。

7）回填檢測(cè)。在完成一個(gè)點(diǎn)的回填后，停止皮帶機(jī)輸送石料，利用安裝于溜管底端的高度計(jì)進(jìn)行標(biāo)高檢測(cè)，合格后再移船至下一點(diǎn)位[5-7]。

2.2.3 沉管頂部碎石回填

沉管頂部碎石回填同鎖定回填，不同之處在于，回填時(shí)使用回填船移動(dòng)距離較大的單根溜管進(jìn)行回填，通過(guò)前后絞移回填船，將溜管定位至沉管正上方，在保持供料狀態(tài)的情況下，通過(guò)定點(diǎn)定量的方式前后移動(dòng)溜管進(jìn)行回填，回填完成后通過(guò)高度計(jì)檢測(cè)標(biāo)高。

3 回填施工風(fēng)險(xiǎn)管控措施

本工程回填施工水域?yàn)橹榻谕饬尕旰Ｓ颍幱邳S金水道，施工環(huán)境復(fù)雜，拋石整平精度要求極高，鎖固回填量巨大，綜合分析施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及控制措施見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及控制措施表Table 2 Risk points and control measures

4 工效分析

本文選取標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)鎖定回填和一般回填進(jìn)行工效分析，其工程量及工效分析分別見(jiàn)表3 和表4。通過(guò)對(duì)180 m 長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的回填工程量及工效分析，12 d 可完成鎖定回填、一般回填和護(hù)面回填施工，滿足施工方案及施工計(jì)劃需求。

表3 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)回填工程量Table 3 Volume of standard pipe section backfill

表4 標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)回填工效分析Table 4 Analysis on the efficiency of standard pipe section backfill

5 施工過(guò)程典型問(wèn)題及解決措施

在沉管鎖固回填過(guò)程中，遇到的典型問(wèn)題及解決措施如下：

1）回填過(guò)程中石料從5 號(hào)溜管進(jìn)料口流出。由于下料時(shí)不能實(shí)時(shí)顯示底部石料標(biāo)高，出現(xiàn)定點(diǎn)回填時(shí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的情況，導(dǎo)致石料從溜管溢出。解決措施：往石料少的位置緩慢移動(dòng)溜管，讓石料從溜管底自然流出。

2）E3 管節(jié)回填時(shí)高度計(jì)出現(xiàn)晃動(dòng)，測(cè)量反饋數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，浮動(dòng)較大。解決措施：將高度計(jì)固定在鋼管上，通過(guò)溜管內(nèi)側(cè)設(shè)置的套管下放至預(yù)設(shè)位置。

3）E23 管節(jié)點(diǎn)鎖完成后進(jìn)行多波束掃測(cè)，北側(cè)點(diǎn)鎖位置距離沉管較遠(yuǎn)。石料落點(diǎn)與沉管距離控制不當(dāng)。通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在施工中注意距離控制，確保石料貼近沉管壁，真正起到鎖固作用。

4）E25 管節(jié)回填期間，測(cè)距儀不顯示數(shù)據(jù)。由于下雨時(shí)測(cè)距儀進(jìn)水，造成短路，燒壞測(cè)距儀。解決措施：通過(guò)打水和人工測(cè)量的方式定位溜管位置，并及時(shí)購(gòu)買同型號(hào)測(cè)距儀，損壞的測(cè)距儀及時(shí)返廠修理做備用。

5）E25 管節(jié)回填時(shí)出現(xiàn)石料落點(diǎn)不準(zhǔn)確，石料填到管頂?shù)默F(xiàn)象。大潮汛期間回填，流速過(guò)大，造成石料落點(diǎn)不準(zhǔn)確。解決措施：回填過(guò)程中，注意流速變化，流速過(guò)大時(shí)停止施工。

6 船舶優(yōu)化及改進(jìn)

結(jié)合E1~E33 管節(jié)回填施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題，將部分設(shè)備和回填定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化及改進(jìn)。

1）溜管最小下放長(zhǎng)度為5 m，因沉管坡度變化較大，為保證溜管底標(biāo)高與回填標(biāo)高相近，溜管最小下放長(zhǎng)度減小，進(jìn)料口相應(yīng)改變。

2）因回填方量較大且周期較長(zhǎng)，溜管進(jìn)料口位置易破損，影響回填進(jìn)度，將進(jìn)料口位置進(jìn)行加固。

3）船舶甲板料倉(cāng)倉(cāng)容較小，供料船加料次數(shù)多，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，改進(jìn)為增大料倉(cāng)倉(cāng)容量。

4）回填施工受水流影響較大，增加測(cè)流儀，并通過(guò)回填定位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示，減小石料損耗，保證施工質(zhì)量。

5）高度計(jì)數(shù)據(jù)浮動(dòng)較大，在回填斷面完成后難以顯示更精確的回填標(biāo)高，改進(jìn)為增加其他回填測(cè)控設(shè)備。

7 結(jié)語(yǔ)

2013 年4—2017 年4 月，本船圓滿完成E1~E33 沉管基床整平供料與鎖固回填施工任務(wù)，產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利、工法和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)自主創(chuàng)新水平、引領(lǐng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有顯著的社會(huì)效益。