沉管法隧道管段浮運(yùn)施工工藝

摘要：廣州洲頭咀隧道E3與E4管段浮運(yùn)-轉(zhuǎn)體-浮運(yùn)-寄放施工，是在全程500m的過(guò)程中不使用拖輪，而采用在工程船舶定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，地錨定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，用鋼纜絞拖牽引管段方式。牽引浮運(yùn)過(guò)程中，管段還必須在主航道的位置定點(diǎn)進(jìn)行一次90°轉(zhuǎn)體，確保管段在水域河道狹窄的范圍內(nèi)順利浮運(yùn)轉(zhuǎn)體。本文介紹了廣州洲頭咀隧道E3與E4管段浮運(yùn)前及浮運(yùn)到寄放位置過(guò)程中的施工工藝。

關(guān)鍵詞：沉管法；浮運(yùn)；工程船；地錨；轉(zhuǎn)體；牽引

中圖分類號(hào)：TV52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

On the construction of immersed tunnel tube floating transport

MENG Minqiang

( Guangzhou Salvage Bureau of tunnel， Guangzhou 510260 )

Abstract: Guangzhou Zhoutouzui tunnel E3 and E4 pipe floating - twist - floating - park construction is not used in the whole process of 500 tugs in the m， but the location of engineering ship layout winch and traction， traction and post layout to anchor winch， cable winch towing pipe section， traction floating process pipe must also be in the main channel of the position of a 90 degree rotation. Ensure that the pipe in the waters of the river narrow range smooth swiveling， this paper will describe the Zhoutouzui tunnel E3 and E4 pipe floating and floating to the construction process with position in the process of.

Key words:immersed tube method， floating， engineering ships， anchor， swivel， traction

1前言

廣州洲頭咀隧道E3與E4管段預(yù)制完成后，需等待西岸暗埋段施工完成才能進(jìn)行沉放安裝，故管段在出塢后需拖往系泊區(qū)進(jìn)行臨時(shí)寄放。管段外型尺寸為：E3管段長(zhǎng)×寬×高=83 m×31.4 m×9.68 m；E4管段長(zhǎng)×寬×高=85 m×37.82 m～31.4 m（漸變段）×9.68 m。管段浮運(yùn)-轉(zhuǎn)體-浮運(yùn)-寄放施工，是在全程500 m的過(guò)程中不使用拖輪，而采用在工程船舶定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，地錨定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，用鋼纜絞拖牽引管段方式。絞拖工程船舶使用的錨纜為Φ38 mm～42 mm鋼絲纜，管段浮運(yùn)過(guò)程中的牽引纜為Φ28 mm鋼絲纜。管段在牽引浮運(yùn)過(guò)程中需要在主航道的位置定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90o后再浮運(yùn)進(jìn)入系泊區(qū)。管段浮運(yùn)到位后即用Φ48 mm鋼纜折雙對(duì)管節(jié)進(jìn)行系泊錨固，管內(nèi)壓載水箱按設(shè)計(jì)要求1.05抗浮系數(shù)加壓載水后座底寄放。寄放區(qū)碎石面標(biāo)高-5 m，浮運(yùn)航道底標(biāo)高-5 m。

2施工流程、工藝及有關(guān)校核

2.1施工流程

管段浮運(yùn)前必須完成的工作有：寄放區(qū)碎石鋪墊；管內(nèi)抽排系統(tǒng)安裝；地錨設(shè)計(jì)制作；浮運(yùn)范圍硬式掃床；工程船布置；絞車（卷?yè)P(yáng)機(jī)）布置；牽引點(diǎn)布置；浮運(yùn)管段前端重力錨塊安裝等。管段浮運(yùn)、寄放施工流程，見(jiàn)圖1。

圖1管段浮運(yùn)寄放施工流程圖

2.2施工工藝

2.2.1硬掃床

采用硬質(zhì)器材按設(shè)計(jì)要求的深度放入水下并固定在檢測(cè)船上，檢測(cè)船在測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)浮運(yùn)航道水深進(jìn)行硬掃床，保證基床標(biāo)高大于-5.0 m。

2.2.2岸上地錨及卷?yè)P(yáng)機(jī)布置

（1）在干塢的兩側(cè)布置12個(gè)（P1～P12）150 kN地錨牽引點(diǎn)、二臺(tái)80 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)、四臺(tái)120 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)；

（2）在芳村岸側(cè)布置4個(gè)（A1～A4）150 kN地錨牽引點(diǎn)、二臺(tái)150 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)。

地錨尺寸為L(zhǎng)×B×H =2.5 m×1.6 m×1.7 m，地錨坑長(zhǎng)度方向與堤岸線（塢內(nèi)邊線）平行。岸上地錨及卷?yè)P(yáng)機(jī)布置，見(jiàn)圖2。

2.2.3水面工程船舶及牽引點(diǎn)布置

水面5艘工程船舶、2艘方駁及1～10號(hào)牽引點(diǎn)布置，見(jiàn)圖2。

圖2管段浮運(yùn)、轉(zhuǎn)體布置圖

2.2.4重力錨塊安裝

管段浮運(yùn)到系泊區(qū)前，安裝寄放管節(jié)西北側(cè)的1500kN系固重力錨塊；管段到達(dá)系泊區(qū)后，再安裝寄放管節(jié)東南側(cè)的1 500 kN系固重力錨塊。重力錨塊在水下重量為87 t，4個(gè)（J1、J2、J3、J4）重力錨塊的具體位置，見(jiàn)圖4。

2.2.5管段浮運(yùn)寄放

管段浮運(yùn)前的兩個(gè)月對(duì)浮運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)的水流流速進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，測(cè)量選擇在每月的兩次水流流速相對(duì)緩慢的日子，當(dāng)日測(cè)量時(shí)間段為高平潮前1.5 h至高平潮后2.5 h，共計(jì)240 min。通過(guò)實(shí)測(cè)，這240 min時(shí)間段內(nèi)水流流速均小于0.3 m/s，這也是管段浮運(yùn)轉(zhuǎn)體的最佳時(shí)間段。

管節(jié)浮運(yùn)控制指標(biāo)：鋼纜與管段的夾角在變化過(guò)程中均不小于40°，橫傾角<2ordm;，縱傾角<1 ordm;，干舷不小于15 cm，航行軌跡偏離航線＜2 m。檢測(cè)方法為測(cè)斜儀、GPS、水深傳感器。

管段浮運(yùn)當(dāng)天航道全封航，選擇水流流速較緩慢的時(shí)段進(jìn)行出塢浮運(yùn)，各卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼纜系固于管段的纜樁上。在高平潮前，當(dāng)潮水水位大于1.5 m時(shí)可將管段移到塢口等待。當(dāng)潮高1.5 m及浮運(yùn)航道的底標(biāo)高-5 m時(shí)水深為1.5 m+3.78 m+5 m=10.28 m，管段吃水按9.53 m計(jì)算，富余高度為0.75 m，見(jiàn)圖3。

圖3 管段浮運(yùn)縱斷面布置圖

當(dāng)水流流速滿足浮運(yùn)要求時(shí)可進(jìn)行管段浮運(yùn)出塢，沿隧道安裝軸線緩慢絞拖移動(dòng)管段，管段中心浮運(yùn)到里程K1+521并向西北方向平行浮運(yùn)35 m后可進(jìn)行管段的旋轉(zhuǎn)作業(yè)，管段旋轉(zhuǎn)中心為離隧道軸線北側(cè)35m的一條平行線與K1+521的交點(diǎn)，管段順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，逆時(shí)針走纜，此時(shí)為高平潮。管段浮運(yùn)旋轉(zhuǎn)布置，見(jiàn)圖2。

當(dāng)管段縱軸線旋轉(zhuǎn)至與隧道安裝軸線基本垂直時(shí)，按管段的寄放軸線繼續(xù)拖移管段進(jìn)入系泊區(qū)，此時(shí)為退潮，這過(guò)程要求潮位大于1.5 m，水流流速不大于0.3 m/s。管段浮運(yùn)到位后，在管段浮運(yùn)時(shí)的前纜樁套上系泊錨纜，同時(shí)安裝管段東南端的1 500 kN系固重力錨塊，并在管段浮運(yùn)時(shí)的后纜樁系上系泊錨纜寄放管段，管段寄放平面布置，見(jiàn)圖4。

管內(nèi)各艙壓水，使管段座底于基礎(chǔ)碎石面上，按設(shè)計(jì)要求壓水至管段抗浮系數(shù)大于1.05，在管段的的四周布置警戒標(biāo)語(yǔ)及夜光照明。

2.2.6管段監(jiān)測(cè)及檢查

管段浮運(yùn)時(shí)定位塔上指揮系統(tǒng)裝備應(yīng)正?？煽?，指揮訊號(hào)能通暢下達(dá)，終端各部位監(jiān)測(cè)、測(cè)量手段齊全。管節(jié)起浮后的干舷應(yīng)不小于15 cm，一般不大于25 cm。管節(jié)起浮、浮運(yùn)過(guò)程中，對(duì)管節(jié)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保管節(jié)姿態(tài)穩(wěn)定安全，并在浮運(yùn)過(guò)程中定時(shí)測(cè)量水流流速。

為確保管段座底寄放穩(wěn)定和安全，在管段寄放期間，實(shí)時(shí)對(duì)管段進(jìn)行監(jiān)測(cè)檢查主要包括：管段內(nèi)的砼；鋼封門及下部支座、枕梁和上部牛腿；垂直千斤頂支撐桿與埋件結(jié)合部位；水箱水位。管段外部主要檢查：管段、錨定塊是否有漂移、起浮現(xiàn)象，并對(duì)管段周圍回淤現(xiàn)象進(jìn)行檢查。采用在管段上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行高程和位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)定時(shí)檢查系泊纜的磨損和完整狀況。

管段寄放監(jiān)測(cè)點(diǎn)MD1 、MD2、 MD3、 MD4為錨定塊監(jiān)測(cè)點(diǎn)；GD1、GD2、GD3、GD4、GD5、GD6為管段安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，見(jiàn)圖4。

圖4 管段系泊區(qū)錨固寄放圖

為保證管段寄放時(shí)的安全，在管段的四角分別設(shè)置4個(gè)光閃警示燈及安全標(biāo)志，以明示過(guò)往船舶提前做好避讓措施，保證管段寄放的安全。

2.3施工校核

2.3.1鋼纜受力校核

（1）管段浮運(yùn)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中選擇水流流速較小的時(shí)間段，通過(guò)實(shí)測(cè)浮運(yùn)旋轉(zhuǎn)階段水流速度均不大于0.3m/s，計(jì)算選擇0.3 m/s。管段旋轉(zhuǎn)至與隧道軸線成45ordm; 時(shí)，管段側(cè)面和正面均受水流力作用，此時(shí)受力最大。

當(dāng)管段縱軸平行及垂直于隧道軸線方向時(shí)， 按照《港口工程技術(shù)規(guī)范》計(jì)算，水流作用力為：

F縱= 75.2 kN

F橫33.5 kN

采用牽引鋼纜Φ28 mm，破斷負(fù)荷409 kN，四條鋼絲繩拖纜可以滿足管段浮運(yùn)旋轉(zhuǎn)時(shí)兩面迎流時(shí)最大受力為0.707×（F縱+F橫）=76.85 kN，從而保證管段旋轉(zhuǎn)時(shí)的安全穩(wěn)定。

在水流流速0.2～0.5 m/s狀態(tài)下，管段的縱、橫向作用力，如表1所列。

表1水流速度對(duì)管段的作用力

（2）管段寄放時(shí)，系泊錨固纜采用Φ72 mm鋼絲纜，破斷負(fù)荷3 000 kN。洲頭咀水域最大水流速為0.89m/s，寄放時(shí)的最大迎流面積為370 m2。迎流面最大水流力為F橫= 299 kN，故系泊錨固纜滿足要求。

2.3.2卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力校核

根據(jù)管段浮運(yùn)轉(zhuǎn)體時(shí)的工程船舶布置圖，管段在浮運(yùn)轉(zhuǎn)體過(guò)程中縱向和橫向共有8道鋼纜系固，每道鋼纜與管段的夾角在變化過(guò)程中均不小于40ordm;，每側(cè)的牽引力為103 kN。

每臺(tái)150 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼纜與管段夾角由35ordm;～50ordm;，牽引力的數(shù)值見(jiàn)表2。

表2150 kN卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引纜與管段各角度牽引力

在水流流速為0.3 m/s作用下，兩面迎流時(shí)最大水流力為76.85 kN，故卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力滿足要求。

2.3.3地下錨塊抗拉力計(jì)算

（1）地下錨塊設(shè)計(jì)參數(shù)

L=2.5 m，B=1.6 m，H=1.7 m，錨塊體積6.8 m3，錨塊重量15.64 t，

錨塊設(shè)計(jì)抗拉力150 kN。

（2）錨塊的被動(dòng)土壓力

根據(jù)“朗金理論”計(jì)算，錨塊埋設(shè)于砂土中所受到的水平被動(dòng)土壓力為160.82 kN。

（3）錨塊與砂土面的摩擦力

取錨塊與砂土面的摩擦系數(shù)0.30，則錨塊與砂土面的摩擦力為46.92 kN。

（4）地下錨塊的總抗拉力

錨塊提供的總抗拉力為：F＝160.82 + 46.92 =207.74 kN

因此，錨塊的實(shí)際抗拉力F實(shí)=207.74 kN＞錨塊設(shè)計(jì)抗拉力F設(shè)=150.00 kN，故錨塊設(shè)計(jì)滿足使用要求。

2.3.4管段浮運(yùn)時(shí)間及加壓載水時(shí)間

（1）浮運(yùn)時(shí)間：管段從塢口移至寄放區(qū)，距離為500 m，浮運(yùn)速度為0.167 m/s，則需要50 min，轉(zhuǎn)體需要20 min，在浮運(yùn)過(guò)程中鋼纜的替換需30 min，到位系泊需20 min，共計(jì)需要120 min。

（2）加壓載水時(shí)間：管段到達(dá)寄放區(qū)后進(jìn)行系泊錨固，系泊錨固完成后按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行壓水作業(yè)，管段克服干舷壓水和1.05抗浮系數(shù)壓水共計(jì)約為2 200 t左右，2 200 t水壓入水箱需要時(shí)間約為70 min。

由此可知，管段浮運(yùn)時(shí)間及加壓載水時(shí)間，共計(jì)約需190 min，而整個(gè)浮運(yùn)到位及壓水座底寄放時(shí)間計(jì)劃為240 min，故滿足要求。

3應(yīng)用效果

管段浮運(yùn)是沉管法隧道的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，通?？捎猛陷嗊M(jìn)行拖運(yùn)施工，但采用拖輪方法受施工水域的限制，像本文介紹的廣州洲頭咀隧道E3、E4管段出塢，需要經(jīng)過(guò)浮運(yùn)-轉(zhuǎn)體-浮運(yùn)-寄放這樣一個(gè)過(guò)程后才能將管段系泊于離岸邊不到50 m的位置，如采用拖輪浮運(yùn)就很難在這狹窄水域達(dá)到管段縱橫方向的平衡及管段縱橫調(diào)節(jié)受力滿足要求，到位的準(zhǔn)確性也難以掌控，而且拖輪成本也高。

因此，廣州洲頭咀隧道E3、E4管段采用在全程500 m的浮運(yùn)-轉(zhuǎn)體-浮運(yùn)-寄放過(guò)程中不使用拖輪，而是在工程船舶定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，地錨定位后布置卷?yè)P(yáng)機(jī)及牽引點(diǎn)，用鋼纜絞拖牽引管段方式，牽引浮運(yùn)過(guò)程中管段在主航道的位置定點(diǎn)進(jìn)行一次90ordm;轉(zhuǎn)體，工藝方法包含了管段在水中的浮運(yùn)、轉(zhuǎn)體等全方位的移動(dòng)運(yùn)輸。由于合理的牽引點(diǎn)布置及受力鋼纜與管段的角度均滿足設(shè)計(jì)要求，因此能準(zhǔn)確將管段送到預(yù)定位置，誤差在0.5 m以內(nèi)，可操作性強(qiáng)，既安全又可靠。

4小結(jié)

本文論述的浮運(yùn)方法在沉管隧道、大型構(gòu)件的浮運(yùn)上應(yīng)用非常廣泛，廣州珠江隧道、侖頭隧道、大學(xué)城隧道及浙江舟山隧道等都是用此方法進(jìn)行沉管的浮運(yùn)施工。

選擇安全的潮位是保證管節(jié)浮運(yùn)安全的首要條件，同時(shí)是對(duì)設(shè)備的性能和布置必須滿足要求，并在水流流速的控制范圍內(nèi)浮運(yùn)管段。管段浮運(yùn)的全程都處于動(dòng)態(tài)中，因此浮運(yùn)必須實(shí)施全過(guò)程的測(cè)量監(jiān)控，使管節(jié)在浮運(yùn)過(guò)程中不致偏離規(guī)定航線，方能確保管節(jié)在水域河道狹窄的范圍內(nèi)順利浮運(yùn)就位。

參考文獻(xiàn)

[1] 港口工程技術(shù)規(guī)范(JTJ 214-87) [S].

[2] 起重吊裝技術(shù)手冊(cè)[S].

[4] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(新編軟件版)[M]. 2008.

[5] 水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(JTS257-2008) [S]

[6] 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué) [M]. 北京: 科學(xué)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：孟民強(qiáng)（1956-），男，工程師。長(zhǎng)期從事沉管法隧道浮運(yùn)、沉放安裝設(shè)計(jì)及建造工作。

收稿日期：2013-11-29