沉管隧道管節(jié)線形控制方法

馬宗豪，孫健，管澤旭

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

沉管隧道管節(jié)線形控制方法

馬宗豪，孫健，管澤旭

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

沉管隧道管節(jié)線形控制是沉管安裝施工的一個(gè)重要工序。綜合世界上具有標(biāo)志意義的沉管隧道管節(jié)調(diào)位方法進(jìn)行分類和比較，較完整地闡述世界各大沉管隧道的管節(jié)線形調(diào)整工藝，對(duì)沉管隧道管節(jié)線形控制具有一定借鑒意義。

沉管隧道；線形控制；沉管安裝；管節(jié)調(diào)位

0 引言

根據(jù)國際沉管隧道施工慣例，沉管隧道施工順序一般先進(jìn)行兩端安裝，最后在中間段或暗埋段處合龍，即最終接頭施工。沉管安裝過程需要嚴(yán)格控制管節(jié)線形及平面誤差，確保隧道施工質(zhì)量。管節(jié)線形控制不僅包含安裝前的線形調(diào)整，還包括安裝后的管節(jié)調(diào)位，沉管安裝過程的定位包含鼻托導(dǎo)向或?qū)驐U定位，沉管安裝后的管節(jié)調(diào)位從施工環(huán)境上劃分為體外調(diào)整和體內(nèi)調(diào)整。本文從沉管線形調(diào)位方面研究了世界幾個(gè)具有標(biāo)志性的沉管隧道進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)管節(jié)平面軸線的控制和調(diào)整方法進(jìn)行了闡述。

影響管節(jié)沉放后尾端偏差的主要因素有：鋼端殼平整度、導(dǎo)向裝置的安裝精度。鋼端殼的平整度受管節(jié)預(yù)制精度影響，導(dǎo)向裝置的安裝精度取決于管節(jié)二次舾裝件的特征點(diǎn)標(biāo)定精度。如果預(yù)制過程中鋼端殼的平整度過大導(dǎo)致管節(jié)尾端偏差超過設(shè)計(jì)值，需要進(jìn)行管節(jié)調(diào)位來確保管節(jié)安裝后的平面誤差，此外也可以通過提前進(jìn)行管節(jié)導(dǎo)向裝置調(diào)整或通過管節(jié)錯(cuò)牙的方式保證沉管隧道線形。

1 安裝前調(diào)整

當(dāng)前一管節(jié)安裝完，尾端的軸線偏差通過貫通測(cè)量值獲得，下一管節(jié)沉放前，需要對(duì)管節(jié)的特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，通過 CAD 等專業(yè)軟件能準(zhǔn)確計(jì)算出管節(jié)的尾端偏差范圍。在盡量減少管節(jié)體位調(diào)整的前提下，可以通過調(diào)整導(dǎo)向桿與導(dǎo)向托架之間的間隙來滿足施工精度，如果尾端偏差較大，可先調(diào)整導(dǎo)向裝置間的縫隙，后通過管節(jié)錯(cuò)牙的方式，保證沉管安裝的精度。這一方法在上海外環(huán)沉管隧道[1-2]和港珠澳大橋沉管隧道中得到應(yīng)用，且效果顯著。調(diào)整管節(jié)對(duì)接端橫向錯(cuò)位時(shí)盡量不要過大，否則會(huì)影響管節(jié)的施工質(zhì)量。

2 安裝后調(diào)整

世界上大多數(shù)沉管隧道在做好施工前管節(jié)預(yù)制及舾裝件標(biāo)定精度的前提下，沉管安裝后采取了不同類型的管節(jié)平面調(diào)整方案。內(nèi)部調(diào)整的案例主要有千斤頂調(diào)整和楔形塊調(diào)整，外部調(diào)整的案例主要有 EPS體外調(diào)整和尾端調(diào)整。

2.1 日本多摩川沉管隧道

多摩川沉管隧道全長(zhǎng) 1 549.5 m，由 12 個(gè)管節(jié)組成，單個(gè)管節(jié)長(zhǎng) 128.6 m，寬 39.9 m，最大沉放水深 28.8 m，隧道基礎(chǔ)采用后鋪法，管節(jié)縱坡采用尾端的豎向千斤頂調(diào)整[3]。沉管沉放到位后，如果尾端偏差大于設(shè)計(jì)值，在新安裝管節(jié)結(jié)合腔內(nèi)兩豎向側(cè)墻安裝油壓千斤頂，一側(cè)為反力支撐千斤頂，一側(cè)為修正千斤頂，上一管節(jié)結(jié)合腔內(nèi)安裝限位千斤頂。內(nèi)部千斤頂頂推的調(diào)整量必須經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，主要取決于水力壓接時(shí)的 GINA壓縮量、蠕變變形量、可防水的壓縮量、地震拉伸量和溫度變形量等。

期間，E5 管節(jié)安裝后尾端偏離軸線 8 cm，采用內(nèi)部千斤頂調(diào)位的方式，尾端修正最大頂推力3 600 t，頂推距離 1.1 cm，尾端調(diào)整 2.2 cm。

管節(jié)調(diào)位方式如圖1所示。

圖1 多摩川沉管隧道管節(jié)調(diào)位示意圖Fig.1 Sketch of Tamagawa immersed tunnel alignment

2.2 厄勒海峽沉管隧道

厄勒海峽沉管隧道全長(zhǎng) 4 000 m，其中沉管段長(zhǎng) 3 510 m， 由 20 個(gè) 管 節(jié) 組 成 ， 單 管 節(jié) 長(zhǎng) 175.5 m，寬度 39.75 m，高度 8.7 m，重約 55 000 t，最大沉放水深 22 m。隧道基礎(chǔ)首次采用先鋪法即碎石基床機(jī)械刮平工藝，有別于常見的填砂法[4]?？紤]到沉管預(yù)制時(shí)鋼端殼的平面誤差及安裝誤差，管節(jié)預(yù)制期間對(duì)接端預(yù)留液壓千斤頂孔洞，事先將千斤頂放置在預(yù)留的外墻孔洞中，沉管安裝后尾端軸線偏差大于設(shè)計(jì)值時(shí)，進(jìn)行體內(nèi)千斤頂調(diào)位處理。首先降低管節(jié)壓載量以減小沉管與基床的摩擦力，提升管節(jié)的豎向吊力，以滿足千斤頂?shù)捻斖埔蟆?/p>

該工程采用安裝在外墻內(nèi)的 3 個(gè) 500 t千斤頂，精調(diào)施工后沉管軸線允許偏差為±25 mm，管節(jié)安裝斷面間相對(duì)允許誤差為±10 mm，精調(diào)完成后鎖住千斤頂，當(dāng)壓載混凝土和回填完成后，拆除精調(diào)設(shè)備。

該系統(tǒng)運(yùn)輸及操作靈活，不受外界干擾，施工相對(duì)便捷，但是受預(yù)留的影響，設(shè)備投入量較大，維護(hù)工作量大。

體內(nèi)調(diào)位方式如圖2所示。

圖2 厄勒海峽沉管隧道體內(nèi)調(diào)位示意圖Fig.2 Sketch of Oresund Strait immersed tunnel internal alignment

2.3 上海外環(huán)沉管隧道

上 海 外 環(huán) 隧 道 全 長(zhǎng) 2 880 m， 其 中 沉 管 段 長(zhǎng)736 m，由 7 個(gè)管節(jié)組成，單管節(jié)長(zhǎng) 100～108 m，寬度 43 m，高度 9.55 m，最大沉放水深 33 m。隧道基礎(chǔ)采用后鋪法，管節(jié)尾端側(cè)墻上預(yù)留兩臺(tái)豎向千斤頂，支撐在臨時(shí)鋼管樁樁帽上，通過豎向調(diào)整管節(jié)縱坡。管節(jié)軸線調(diào)整采用內(nèi)置千斤頂“頂頭擺尾”的方式，即在沉管結(jié)合腔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的千斤頂，糾偏后利用臨時(shí)鋼支撐代替千斤頂，等到管段回填覆蓋結(jié)束后再拆除臨時(shí)鋼支撐，頂推距離及千斤頂噸位通過初始計(jì)算獲得。

期間，E3 管節(jié)安裝后尾端軸線偏差 131 mm，尾 端 調(diào) 整 時(shí) 最 大 頂 推 力 3 600 t， 尾 端 調(diào) 整 26 mm，如圖3所示。后續(xù)管節(jié)沉放過程采用錯(cuò)位對(duì)接調(diào)整的方式，逐漸消除較大的尾端軸線偏差，以滿足施工要求。

2.4 韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道

韓國釜山—巨濟(jì)沉管隧道全長(zhǎng) 3 700 m，其中沉管段長(zhǎng) 3 240 m，由 18 個(gè)管節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng) 180 m，寬度 26.46 m，高度 9.97 m，重約 48 000t，最大沉放水深 49 m，隧道基礎(chǔ)采用先鋪法施工工藝[5]。

圖3 上海外環(huán)沉管隧道管節(jié)調(diào)位示意圖Fig.3 Sketch of immersed tunnel alignment on Shanghai outer ring road

針對(duì)管節(jié)水下精確調(diào)位系統(tǒng)，專門開發(fā)了體外調(diào)整系統(tǒng) EPS，該系統(tǒng)由 2 套 EPS 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成，單 套 EPS 寬 42.15 m， 高 度 9 m， 重 約 1 400 t，分別橫跨在沉管首端和尾端，該系統(tǒng)底部共配置4 臺(tái) 800 t的豎向千斤頂和 8 臺(tái) 200 t的水平千斤頂，豎向千斤頂將管節(jié)提升，脫離基床；水平千斤頂將提升的管節(jié)進(jìn)行水平方向的微調(diào)，以滿足管節(jié)線形控制的精度要求。

該系統(tǒng)安裝過程繁瑣，系統(tǒng)精度高，自動(dòng)化程度高，能夠適應(yīng)深水條件，但是系統(tǒng)與管節(jié)相對(duì)固定，拆卸及操作不夠靈活。

EPS體外調(diào)整如圖 4所示。

圖4 EPS管節(jié)體外調(diào)整示意圖Fig.4 Sketch of Busan-Geoje crossing immersed tunnel external alignment

2.5 土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道

博 斯 普 魯 斯 海 峽 沉 管 隧 道 全 長(zhǎng) 1 387 m， 由11 個(gè)管節(jié)組成，其中 135 m 長(zhǎng)的管節(jié) 8 個(gè)，110 m 管節(jié) 1 個(gè)，98.5 m 的管節(jié) 2 個(gè)，最大沉放水深約 60 m。隧道基礎(chǔ)采用后鋪法，沉管沉放時(shí)尾部安裝2臺(tái)豎向千斤頂，進(jìn)行管節(jié)縱坡調(diào)位，水平方向安裝專門設(shè)計(jì)的尾端調(diào)整系統(tǒng)[6]。

針對(duì)工程施工特點(diǎn)，專門研發(fā)了一套沉管尾端調(diào)位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2臺(tái)水平向千斤頂組成，沉管出塢前采用浮吊船將鋼結(jié)構(gòu)安裝在沉管尾端并固定，隨著沉管一起浮運(yùn)、沉放，千斤頂可調(diào)行程為 20 cm，最大頂推力為 200 t。

該系統(tǒng)設(shè)備獨(dú)立，安裝簡(jiǎn)單，使用快捷，拆卸、運(yùn)輸需要一定時(shí)間，能夠滿足沉管體外調(diào)整的需求。

體外尾端調(diào)整系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 博斯普魯斯海峽沉管隧道體外精調(diào)系統(tǒng)Fig.5 Sketch of Bosporus Strait immersed tunnel external alignment

2.6 港珠澳大橋沉管隧道

港珠澳大橋島隧工程全長(zhǎng) 6 000 m，其中沉管隧道長(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 80 000 t，最大沉放水深約 45 m。隧道基礎(chǔ)采用先鋪法。針對(duì)管節(jié)調(diào)位，開發(fā)了體內(nèi)精調(diào)系統(tǒng)。沉管安裝后進(jìn)行貫通測(cè)量，測(cè)得尾端軸線偏差大于設(shè)計(jì)值時(shí)，需要進(jìn)行沉管精調(diào)。通過在沉管對(duì)接端結(jié)合腔的已安沉管和待安沉管側(cè)墻上設(shè)置頂推千斤頂和限位千斤頂，啟動(dòng)液壓頂推系統(tǒng)頂推待安管節(jié)側(cè)墻，使得待安沉管尾端實(shí)現(xiàn)調(diào)整。系統(tǒng)采用高精度傳感器和集成化控制系統(tǒng)完成千斤頂?shù)捻斖谱鳂I(yè)，最大頂推力 5 500 t，能夠滿足水深 45 m 以上的沉管體內(nèi)精調(diào)作業(yè)。如圖6所示。

期間，E5 管節(jié)沉放后管節(jié)尾端偏差 6.4 cm，進(jìn)行了體內(nèi)精調(diào)，系統(tǒng)頂推 1.5 cm，調(diào)整后的管節(jié)尾端偏差為 26.5 mm。

2.7 楔形塊調(diào)整

楔形塊調(diào)位是一項(xiàng)日本專利，該系統(tǒng)是在沉管外側(cè)墻上安裝楔形塊設(shè)備，設(shè)備連接豎向千斤頂，當(dāng)管節(jié)對(duì)接后需要尾端偏位時(shí)，啟動(dòng)一側(cè)油缸，新安管節(jié)側(cè)的楔形塊在千斤頂?shù)耐屏ψ饔孟屡c已安管節(jié)的楔形塊呈現(xiàn)接觸并相互擠壓的狀態(tài)，管節(jié)一側(cè)的位置相對(duì)張開，以達(dá)到管節(jié)尾端調(diào)位的目的。楔形塊向下擠壓時(shí)對(duì)接端張開的距離與新安管節(jié)尾端調(diào)整的距離有一定的幾何關(guān)系，需要通過計(jì)算獲得數(shù)據(jù)。楔形塊調(diào)整如圖7所示。

圖6 港珠澳大橋沉管隧道體內(nèi)精調(diào)示意圖Fig.6 Sketch of HZMB immersed tunnel internal alignment

圖7 楔形塊調(diào)整示意圖Fig.7 Sketch of immersed tunnel wedge block alignment

3 結(jié)語

為了確保沉管隧道的線形控制要求，管節(jié)預(yù)制的精度尤其是鋼端殼的平整度控制指標(biāo)是至關(guān)重要的，高精度的測(cè)量手段能夠提高管節(jié)的預(yù)制精度，有效降低管節(jié)安裝后的調(diào)位風(fēng)險(xiǎn)；導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的調(diào)位能夠通過管節(jié)對(duì)接端的錯(cuò)牙調(diào)整控制管節(jié)尾端的軸線偏差。沉管安裝是高風(fēng)險(xiǎn)的施工，一套安全有效的管節(jié)調(diào)位系統(tǒng)能夠降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保沉管隧道工程的工期和質(zhì)量。

[1] 潘永仁，楊我清.沉管隧道平面軸線控制與調(diào)整方法探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2004（3）：62-65. PAN Yong-ren,YANG Wo-qing.Discussion on the horizontal alignment of immersed tube tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2004(3):62-65.

[2] 朱家祥，陳彬.外環(huán)沉管隧道工程[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2005. ZHU Jia-xiang,CHEN Bin.Immersed tunnel technology on outer ring road[M].Shanghai:Shanghai Scientific and Technical Publishers,2005.

[3] 高木武康.日本多摩川隧道的設(shè)計(jì)與施工[J]. 世界隧道，1995（5）：52-75. TAKAGI Takeyasu.Designment and Construction of JAPAN Tamagawa immersed tunnel[J].World Tunnel,1995(5):52-57.

[4] 蘭利敏，王華.厄勒海峽沉管隧道會(huì)議論文集[C].成都：中鐵西南科學(xué)研究院，2003. LAN Li-min,WANG Hua.Oresund Strait immersed tunneling congress conference proceeding[C].Chengdu:China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Co.,Ltd.,2003.

[5]COWI.Busan-Geojo Fixed Link Project[R].2009.

[6]ADMIRAAL J B M.Execution of immersed tunnel and relevant examples[M]//ITA/AITES-Training Course Tunnel Engineering. Istanbul,2005.

Linear control method of immersed tube tunnels

MA Zong-hao,SUN Jian,GUAN Ze-xu
（No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266001,China）

The linear control of immersed tunnel is very important process in the immersed tube tunnel installing.The alignment methods of landmark meaning immersed tube tunnels all over the world were classified and compared in this paper.It expounds the process of linear alignment of immersed tube tunnel,which has significant to control the linear for immersed tunnels. Key words：immersed tunnel;linear control;immersed tube tunnel installing;the alignment of tube

U455.46

：A文獻(xiàn)標(biāo)志碼：2095-7874（2014）11-0012-04

10.7640/zggwjs201411004

2014-06-26

馬宗豪 （1983 — ），男，山東煙臺(tái)市人，碩士，工程師，從事港口與航道工程。E-mail：penguinhao 2003@163.com