港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)壓艙水系統(tǒng)

林巍

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

1 工程概況與特點(diǎn)

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程。本項(xiàng)目的建設(shè)條件呈現(xiàn)近海工程特點(diǎn)，沉管隧道的施工難度相比國(guó)內(nèi)其它沉管隧道施工難度更高，表現(xiàn)在：

1） 氣象窗口嚴(yán)，沉管管節(jié)安裝作業(yè)時(shí)間有限，熱帶氣旋影響十分頻繁，且主要集中在6—10月。

2）海域流速大，抗風(fēng)險(xiǎn)要求高。該海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮，實(shí)測(cè)最高潮位3.52 m，最低潮位-1.32 m，最大潮差3.58 m，最小潮差0.02 m，平均海平面0.54 m；潮流呈現(xiàn)往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式，具有落潮流速大于漲潮流速，中部海域潮流流速比兩邊大的特點(diǎn)。

3）受遠(yuǎn)期航道規(guī)劃限制，沉管管節(jié)安放作業(yè)的最大水深達(dá)45 m，給施工設(shè)備和工藝帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)[1]。

2 施工要求

管節(jié)壓艙水系統(tǒng)是管節(jié)安裝作業(yè)中不可或缺的一部分，通過向管節(jié)內(nèi)部的水箱內(nèi)加水或排水，在沉放階段及沉放后期，起到了增加或減輕管節(jié)在水中的重量、穩(wěn)定管節(jié)的作用[2]。

在港珠澳大橋的工藝環(huán)節(jié)之中，壓艙水系統(tǒng)主要應(yīng)用于管節(jié)的起浮、沉放、水力壓接以及后續(xù)拆除工序這幾個(gè)階段。

沉管隧道管節(jié)典型施工工序見圖1，涉及壓艙水系統(tǒng)的幾個(gè)主要階段，如圖1陰影部分所示。

圖1 沉管隧道管節(jié)典型施工工序Fig.1 Typical construction procedure of immersed tunnel element

2.1 起浮

一次舾裝作業(yè)完成之后，在干塢內(nèi)灌水將沉管管節(jié)浮起。為了檢查管節(jié)的水密性，并且為了加強(qiáng)起浮時(shí)管節(jié)的穩(wěn)定性，采用了先往壓艙水箱中加水，待塢內(nèi)的水位高出管節(jié)頂面一定高度后，再逐漸排水的起浮工序，因而需使用壓艙水系統(tǒng)進(jìn)行供水和排水。

2.2 沉放

管節(jié)起浮后，移至深塢進(jìn)行二次舾裝，然后出塢、浮運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)。為了使漂浮狀態(tài)的沉管管節(jié)下沉，用壓艙水系統(tǒng)往管節(jié)內(nèi)的水箱內(nèi)加水，使管節(jié)獲得約1%～2%的負(fù)浮力。

另外，考慮沉放期間特殊情況下需要再將管節(jié)提升出水面的可能，要求管節(jié)沉放至基床后，仍能使用壓艙水系統(tǒng)排水來減輕管節(jié)的重量。

2.3 水力壓接

完成沉放和千斤頂初步拉合后，新沉放的管節(jié)與前一個(gè)已安裝管節(jié)間的GINA止水帶初步壓接，形成一個(gè)封閉的空間（下文簡(jiǎn)稱結(jié)合腔）。這時(shí)使用壓艙水系統(tǒng)的預(yù)留管將結(jié)合腔與已安裝管節(jié)內(nèi)部的大氣連通，使結(jié)合腔的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換為常態(tài)大氣壓，再排出結(jié)合腔內(nèi)的殘余水。

2.4 后續(xù)作業(yè)

完成管節(jié)的測(cè)量和（必要時(shí)的）方向修正作業(yè)之后，為了保持管節(jié)在波浪或水流作用下的穩(wěn)定，繼續(xù)往水箱內(nèi)加水使管節(jié)獲得足夠的負(fù)浮力。在管節(jié)頂部回填或管節(jié)內(nèi)壓重混凝土澆筑之前，通常需要有大于3%~5%的負(fù)浮力來維持管節(jié)的穩(wěn)定。

此后，作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)的水箱排水系統(tǒng)將被拆除。

3 總體布置和施工工藝

3.1 總體布置

壓艙水系統(tǒng)的布局受到沉管管節(jié)橫斷面形式的限制。原則上，水箱的位置越靠近管節(jié)的兩端，在浮運(yùn)和沉放作業(yè)期間管節(jié)的穩(wěn)定性就越好?？紤]管節(jié)的縱向受力，實(shí)際將水箱置于吊點(diǎn)的正下方，同時(shí)兼顧了管內(nèi)施工運(yùn)輸和測(cè)量的便利性。壓艙水泵的布置考慮了與主水管相接的方式以及電線和信號(hào)線連接的便利性。

經(jīng)調(diào)研，日本東京灣臨海公路隧道管節(jié)長(zhǎng)135 m、寬32 m、高10 m，單個(gè)管節(jié)重量約為40 000 t，壓艙水箱布置于兩側(cè)的廊道中，水箱間用鋼擋墻隔開，兩條主水管線及壓艙水泵置于行車通道內(nèi)。土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道管節(jié)長(zhǎng)約135 m、寬15.3 m、高8.6 m，單管節(jié)重約18 000 t，與東京灣臨海隧道的不同之處為主水管鄰近側(cè)的水箱壁為鋼結(jié)構(gòu)，而并非利用管節(jié)的側(cè)墻作為水箱壁，起到了在管內(nèi)留出施工通道和光學(xué)測(cè)量時(shí)通視的作用。

港珠澳大橋沉管包括兩個(gè)行車孔和一個(gè)中間管廊，吸取已有成功項(xiàng)目的長(zhǎng)處，最終布置如圖2所示，優(yōu)點(diǎn)在于：

1）長(zhǎng)180 m的管節(jié)內(nèi)布置6個(gè)水箱，對(duì)稱置于兩側(cè)的行車通道中。利用通道兩邊的墻體作為水箱壁，進(jìn)而最大程度的利用了寬14.55 m的車道的橫向空間，并且節(jié)省了臨時(shí)水箱結(jié)構(gòu)的用料。

2）一條主水管貫通中間廊道，支水管與之相連并穿墻接入水箱內(nèi)。與上述調(diào)研項(xiàng)目的單個(gè)管節(jié)內(nèi)設(shè)置的兩套供水系統(tǒng)相比，兩條主水管及各自的抽水泵，既降低了系統(tǒng)失靈的風(fēng)險(xiǎn)，又具備較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖2 港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)壓艙水系統(tǒng)平面示意圖Fig.2 Plan sketch of the ballast tank system of immersed tunnel element for HZMB

3） 壓艙水泵置于管節(jié)尾端（非GINA端），從而便于管內(nèi)的供電纜和信號(hào)線通過管節(jié)尾端的端封門的水下接頭穿出，并與管節(jié)外部的發(fā)電機(jī)和遠(yuǎn)程控制設(shè)備相接。

3.2 施工工藝

由本項(xiàng)目的施工要求，壓艙水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為能用2種方式進(jìn)水，一種是打開管節(jié)中間管廊的主水管上兩端的閥門和支水管上的閥門，通過管內(nèi)外的水位差，讓外部的水通過重力自流入水箱內(nèi)，如圖3所示。使用這種方式的前提條件是管外的水位需高于管內(nèi)水箱的水位，在沉管隧道的施工中應(yīng)用較為普遍，用于沉放開始的壓載階段以及沉放階段管節(jié)需要增加壓載的時(shí)候。

圖3 壓艙水進(jìn)水示意圖（重力自流）Fig.3 Ballast water inflow （flow by gravity）

另一種方式為圖4示意的用泵進(jìn)行強(qiáng)制進(jìn)水。用于兩個(gè)施工階段：

1）干塢內(nèi)剛開始灌水時(shí)，管外的水位較低無法自流進(jìn)入水箱。為了防止管節(jié)過早起浮，需要先加一部分壓艙水。

2）管節(jié)對(duì)接之后，可將新沉管節(jié)與已沉管節(jié)之間的結(jié)合腔內(nèi)的殘余水抽入指定的水箱內(nèi)。

圖4 壓艙水進(jìn)水示意圖（泵送）Fig.4 Ballast water inflow （pumping）

排水時(shí)，開啟水泵抽水箱內(nèi)的壓艙水，壓艙水經(jīng)過主水管由管節(jié)尾端（非GINA端）的端封門排出。

新沉放管節(jié)初步拉合完成后，水力壓接的作業(yè)方法為從已沉放管節(jié)的尾端開啟位于端封門上方的進(jìn)氣管。由于新沉管節(jié)尾端的水壓以及拉合千斤頂?shù)淖饔昧?，結(jié)合腔內(nèi)的壓力大于已沉管節(jié)內(nèi)的普通大氣壓，結(jié)合腔中的少量水從進(jìn)氣管被擠出。然后已沉管節(jié)內(nèi)的空氣從該進(jìn)氣管快速進(jìn)入結(jié)合腔內(nèi)以平衡氣壓，至此GINA產(chǎn)生較大程度的壓縮，水力壓接基本完成。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 壓艙水箱

4.1.1 水箱的容量

壓艙水箱的容量取決于管節(jié)沉放階段以及沉放完成后維持穩(wěn)定所需的重量，在本項(xiàng)目由以下因素計(jì)算確定：

①開始沉放時(shí)，消除管節(jié)的干舷高度所需的重量；

②為達(dá)到1%～2%負(fù)浮力所需的重量；

③沉放過程中，克服表層和底層水密度差異所需的重量；

④調(diào)整管節(jié)的縱向坡度對(duì)水箱一側(cè)的水位增高的影響；

⑤沉放過程中，水箱里的水晃蕩對(duì)水箱高度的影響；

⑥沉放完成后，為維持管節(jié)的穩(wěn)定性，額外增加的重量；

鑒于精細(xì)化設(shè)計(jì)與施工的要求與目標(biāo)，還進(jìn)一步計(jì)算了：

⑦沉放前，由于水管管件的構(gòu)造，壓艙水箱里存在無法排出的殘留水。將這部分重量計(jì)入在水箱容量之中；

⑧水力壓接階段，結(jié)合腔內(nèi)排出去的水的補(bǔ)償重量。雖然結(jié)合腔的水能直接排入水箱內(nèi)，但仍需考慮該部分的水的重量的損失或體積的轉(zhuǎn)移；

⑨沉放完成后，管頂?shù)聂秆b件將被拆除。補(bǔ)償舾裝件被拆除部分的重量。

上述因素組成了2個(gè)工況，一是在沉放階段，滿足管節(jié)負(fù)浮力所需的重量①+②+③+④+⑤+⑦；二是沉放后，為確保管節(jié)穩(wěn)定性所需的重量①+③+④+⑥+⑦+⑧+⑨。通過具體的計(jì)算得到控制工況為后者，并得到壓艙水容量。

4.1.2 水箱結(jié)構(gòu)及防水布

根據(jù)調(diào)研，博斯普魯斯海峽沉管隧道的壓艙水箱采用了鋼擋墻的結(jié)構(gòu)（圖5）。該項(xiàng)目使用了后裝的膨脹螺栓，鉆螺栓孔時(shí)使用面層測(cè)厚儀避開了結(jié)構(gòu)混凝土墻之中的鋼筋。待管節(jié)沉放安裝后，螺栓部位最終被壓重路面混凝土和鐵路兩側(cè)的站臺(tái)的混凝土所覆蓋，進(jìn)而解決了在管節(jié)結(jié)構(gòu)上打孔而可能導(dǎo)致的耐久性的問題。韓國(guó)釜山隧道采用鋼桁架加木板的結(jié)構(gòu)。

圖5 土耳其博斯普魯斯海峽沉管隧道壓艙水箱結(jié)構(gòu)Fig.5 Ballast water tank structureof immersed tunnel in the Bosporusof Turkey

考慮本項(xiàng)目的情況和特點(diǎn)，采用易于安裝且較為經(jīng)濟(jì)的鋼桁架加木板的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)柱腳連接部位采用能保證防腐措施的預(yù)埋鋼板加錨栓的方式（如圖6）。水壓力首先由木板承擔(dān)，再由木板傳遞至鋼立柱，鋼立柱與橫撐及斜撐共同支撐并將力較均勻地傳遞給柱腳。

圖6 HZMB管節(jié)內(nèi)部行車通道的壓艙水箱結(jié)構(gòu)Fig.6 Ballast water tank structure of the driveway in the tunnel of HZMB

管節(jié)結(jié)構(gòu)混凝土澆筑之前先預(yù)埋鋼板和錨桿，澆筑后，一次舾裝階段將水箱的鋼結(jié)構(gòu)及木板運(yùn)輸至管內(nèi)依次安裝。

木板的內(nèi)側(cè)安裝防水布。因?yàn)樗涑叽绱螅瑔螇K防水布的重量大而無法人工搬運(yùn)，所以在水箱結(jié)構(gòu)安裝封閉之前，用叉車將防水布運(yùn)至水箱的內(nèi)部存放。待水箱結(jié)構(gòu)安裝完成后，人工將防水布掛在水箱四壁的掛鉤上。安裝防水布時(shí)需特別注意對(duì)防水布進(jìn)行保護(hù)，避免使用期間壓艙水泄漏。

4.2 水管

4.2.1 幾何布置

本工程水箱布置于兩側(cè)的行車道內(nèi)，主水管布置于中間廊道，主水管的兩端穿過端封門與外界接通。支水管的一端通過三通管連接著主水管，另一端穿過沉管管節(jié)的中墻接入水箱的內(nèi)部。為保證對(duì)新安裝的管節(jié)在中間管廊能夠進(jìn)行貫通測(cè)量，主水管的位置偏向了一側(cè)，見圖7（a）。

圖7 HZMB壓艙水系統(tǒng)Fig.7 HZMB ballast water system

4.2.2 管徑

本項(xiàng)目的主送、排水管的管徑?jīng)Q定因素為：

1）管徑改變沉放期間壓艙水的作業(yè)時(shí)間。

管節(jié)沉放作業(yè)的計(jì)劃時(shí)間越短，則可選擇的沉放窗口越多，反之亦然，尤其對(duì)于外海施工的窗口時(shí)間較緊湊的沉管隧道，縮短作業(yè)時(shí)間，適當(dāng)放寬作業(yè)窗口，對(duì)降低施工風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。而壓艙水作業(yè)是沉放作業(yè)中占用一定量時(shí)間的一個(gè)環(huán)節(jié)，有時(shí)達(dá)1 h或更長(zhǎng)時(shí)間。壓艙水進(jìn)入管內(nèi)的流速取決于管節(jié)所需的壓艙水方量、管徑、水位差和水頭損失等因素[2]，其中管徑是可以人為選擇的。而從另一方面看，管節(jié)系泊作業(yè)期間一般可同時(shí)進(jìn)行壓艙水作業(yè)，因此在一定程度上壓艙水作業(yè)時(shí)間不影響管節(jié)安裝的總時(shí)間。

2） 管徑越大，則水管、閥門和閥門驅(qū)動(dòng)器（如果有）的尺寸和單位重量越大，增加運(yùn)輸和安裝的難度。

3）管徑越大，需要更大功率的閥門驅(qū)動(dòng)器和壓艙水泵來開閉閥門和抽水，進(jìn)而增加設(shè)備采購費(fèi)用和供電費(fèi)用。

4）管徑越大，閥門關(guān)閉瞬間導(dǎo)致水管強(qiáng)烈震動(dòng)的水錘效應(yīng)（water hammer effect）就越明顯。水錘效應(yīng)較大時(shí)，其沖擊作用可能引起管線的破裂，甚至損壞閥門和固定件。

對(duì)于支水管，其管徑的選擇主要考慮總流量的分配，與主水管管徑相匹配，通常選擇比主水管管徑小的水管。

根據(jù)調(diào)研，韓國(guó)釜山沉管隧道采用了400 mm內(nèi)徑的主水管，可在兩側(cè)同時(shí)進(jìn)水，支水管內(nèi)徑200~250 mm；日本沉管隧道多采用200 mm內(nèi)徑的主水管配以150 mm內(nèi)徑的支水管。

綜合上述因素，本項(xiàng)目最終選用兼顧施工便利性、進(jìn)水時(shí)間與經(jīng)濟(jì)性的內(nèi)徑250 mm的主水管，配以200 mm內(nèi)徑的支水管。

4.2.3 連接方式及分段長(zhǎng)度

當(dāng)管節(jié)數(shù)量較多時(shí)，考慮經(jīng)濟(jì)性需周轉(zhuǎn)使用，即壓艙水管在已沉放的管節(jié)內(nèi)使用完畢后，拆卸至后續(xù)管節(jié)內(nèi)使用。為此，對(duì)水管進(jìn)行分段拼裝的設(shè)計(jì)，水管的連接方式多為法蘭式或卡箍式。兩種連接方式各具優(yōu)缺點(diǎn)：

法蘭式可較好地抵抗閥門關(guān)閉瞬時(shí)的“水錘效應(yīng)”，避免管節(jié)內(nèi)部在沉放階段出現(xiàn)接頭部位的漏水。而卡箍式較容易安裝，在一次舾裝階段安裝時(shí)效率較高。根據(jù)調(diào)研，博斯普魯斯海峽沉管隧道和日本已建沉管隧道使用法蘭連接，而韓國(guó)釜山沉管隧道采用的是卡箍連接。

考慮本項(xiàng)目水深大，水錘效應(yīng)明顯的特點(diǎn)，使用了更為牢固的法蘭連接。

支水管穿過沉管的混凝土墻進(jìn)入水箱內(nèi)，經(jīng)研究采用了預(yù)埋法蘭管的穿墻方法，如圖7（b）左上所示。其優(yōu)勢(shì)在于：

1）預(yù)埋的法蘭管與混凝土牢固結(jié)合，可有效阻斷閥門關(guān)閉時(shí)的“水錘效應(yīng)”震動(dòng)。

2） 預(yù)埋的法蘭管不突出結(jié)構(gòu)混凝土表面，對(duì)混凝土澆筑的模板沒有特殊要求。

3）除了穿墻部分法蘭管將永久埋在墻體中，其它部位的水管可拆卸并周轉(zhuǎn)使用。

此外，水箱內(nèi)側(cè)鋪防水布時(shí)，法蘭盤可將防水布夾住，確保接頭部位的水密性。

4.2.4 其它

當(dāng)往水箱內(nèi)進(jìn)水時(shí)，為了防止水流力作用于水箱底的反力對(duì)支水管的結(jié)構(gòu)造成破壞，也為了保護(hù)防水布，本項(xiàng)目在支管的出水口下方制作了一個(gè)防護(hù)鋼板構(gòu)造（見圖7（b） 右下），該鋼板通過栓接與上方的支水管相連。

5 設(shè)備選型

壓艙水系統(tǒng)的設(shè)備單價(jià)相比結(jié)構(gòu)更加昂貴。根據(jù)沉管的不同施工方式，所需的設(shè)備種類也有差異?？傮w上可分為兩種，即需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的“沉放安裝船法”（placing pontoon/catamaran method）和沉放時(shí)需要人員進(jìn)入管內(nèi)操作的“人孔測(cè)量塔-浮箱法”（tower pontoon method）。

第一種方法所需的設(shè)備較多，包括安置在管節(jié)內(nèi)部的壓艙水泵、閥門、閥門驅(qū)動(dòng)器、監(jiān)視攝像機(jī)、控制柜以及沉放安裝船上的發(fā)電機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、計(jì)算機(jī)和顯示屏等。該方法的優(yōu)勢(shì)是沉放時(shí)不需人員進(jìn)入管內(nèi)，所有的操作皆可在沉放安裝船上的指揮室完成，便于集中控制，突發(fā)事件時(shí)也能避免管內(nèi)操作人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。并且對(duì)于水深大，無法設(shè)置很高人孔的沉管隧道，也是不得不使用的方式。但由于需要用到較多的控制和監(jiān)視設(shè)備，施工費(fèi)用偏高。

對(duì)于第二種方法，由于人員可進(jìn)入管內(nèi)進(jìn)行操作和查看，所需的設(shè)備相對(duì)少，必要的設(shè)備包括泵和閥門。比如荷蘭的第二COEN沉管隧道，進(jìn)水時(shí)只需人工操作打開閥門，而排水時(shí)則通過水箱上方設(shè)置的小型吊機(jī)將潛水泵置入水箱內(nèi)抽水。

本項(xiàng)目由于中間段管節(jié)水深大，管頂水深最大可達(dá)35 m，無法在管頂設(shè)置很長(zhǎng)人孔，因而必須選用第一種。

5.1 壓艙水泵

選擇水泵需特別注意的問題有：

1）可靠性：管節(jié)沉放作業(yè)是決定沉管隧道施工成敗的重要環(huán)節(jié)之一。在沉放時(shí)，如果水泵失效，則意味著管節(jié)的負(fù)浮力無法被控制，產(chǎn)生的后果將不堪設(shè)想，尤其對(duì)于深水沉放的管節(jié)，發(fā)生故障時(shí)甚至無法將維修人員送入管內(nèi)進(jìn)行檢查和維修，因而必須選用高質(zhì)量、高可靠度的水泵。必要時(shí)，甚至需要在管內(nèi)設(shè)置備用水泵。

2）揚(yáng)程：取決于沉放現(xiàn)場(chǎng)的水位與管節(jié)水箱內(nèi)水位的高差，以及被抽出的水通過壓艙水管時(shí)的水頭損失，并考慮預(yù)留一定的富余量?？刂乒r通常為管節(jié)沉放至接近基槽底部時(shí)，為了重新將管節(jié)拉起來或?yàn)榱藴p輕管節(jié)著床的負(fù)浮力，需要排出壓艙水箱內(nèi)的水。然而由于該項(xiàng)目沉管管節(jié)段總長(zhǎng)度超過5 km，從兩端洞口排水方式的便利性與效率顯然不如直接從管節(jié)尾端海水側(cè)排出的好。因而計(jì)劃在第n+2個(gè)管節(jié)安裝完成后，拆除第n個(gè)管節(jié)內(nèi)的水箱時(shí)，從第n+2個(gè)管節(jié)的尾端（非GINA端）將第n個(gè)管節(jié)內(nèi)的壓艙水排出（對(duì)于離洞口近的管節(jié)當(dāng)然也可用其它方式排水，例如用泵車運(yùn)出）。因此，確定水泵揚(yáng)程時(shí)還附加了壓艙水通過2個(gè)管節(jié)長(zhǎng)度的主水管的水頭損失。

3） 流量：流量的大小決定了抽水時(shí)間的長(zhǎng)短，因而需要核定是否滿足施工計(jì)劃時(shí)間要求。

4） 尺寸：由于本項(xiàng)目管節(jié)數(shù)量達(dá)到33個(gè)之多，設(shè)備安裝的可行性、便利性和周轉(zhuǎn)使用的可能性均和尺寸有關(guān)。周轉(zhuǎn)使用的次數(shù)決定了設(shè)備采購的數(shù)量，即方案的經(jīng)濟(jì)性。

5.2 閥門

不同于沉放水深較淺的管節(jié)。管頂人孔能露出水面，人員可通過人孔進(jìn)出管節(jié)。港珠澳大橋沉管隧道水深達(dá)到45 m，在管節(jié)沉放期間，人員無法進(jìn)入管內(nèi)手動(dòng)操作閥門。因此在主水管、分支水管和連接壓艙水泵的管路上分別設(shè)置了蝶閥，該蝶閥（包括壓艙水泵）可在安裝船指揮室采用電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，實(shí)現(xiàn)閥門的開啟和關(guān)閉，如圖8所示。

圖8 港珠澳大橋沉管隧道閥門布置示意圖Fig.8 Valve arrangement in immersed tunnel of HZMB

5.3 閥門驅(qū)動(dòng)器

除了選擇高可靠性及合適重量和尺寸的產(chǎn)品，閥門驅(qū)動(dòng)器選擇時(shí)要特別注意一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)器在管節(jié)沉放期間供電或信號(hào)通信中斷時(shí)能夠自動(dòng)將閥門關(guān)閉。

管節(jié)沉放期間，當(dāng)電纜或通信纜由于某種原因斷開，或發(fā)生無法對(duì)閥門驅(qū)動(dòng)器供電或下指令時(shí)，如果閥門仍處于打開狀態(tài)，則等同于沉管管節(jié)出現(xiàn)了一個(gè)漏洞，海水將一直灌入管節(jié)的內(nèi)部。為避免風(fēng)險(xiǎn)，閥門驅(qū)動(dòng)器的通信或供電被中斷時(shí)必須能夠關(guān)閉閥門。

根據(jù)調(diào)研，土耳其博斯普魯斯海峽隧道的解決方案為選用內(nèi)置彈簧的閥門驅(qū)動(dòng)器，供電中斷時(shí)，彈簧將自動(dòng)復(fù)位關(guān)閉閥門；若通信異常，無法遠(yuǎn)程操控關(guān)閉閥門時(shí)，則人為中斷驅(qū)動(dòng)器的供電，也能及時(shí)將閥門關(guān)閉。類似的措施運(yùn)用在了本項(xiàng)目的主管道蝶閥驅(qū)動(dòng)器上。

5.4 其它設(shè)施

1）直尺、水位管、液位傳感器和監(jiān)視攝像機(jī)

為了掌握每個(gè)水箱實(shí)際的水量，在分支水管上安裝透明管并標(biāo)記水位刻度，以便于從中管廊進(jìn)行讀數(shù)，見圖7。

在沉放期間，人員無法進(jìn)入管內(nèi)，于是在水箱底部安裝液位壓力傳感器，根據(jù)壓力值換算水位高度，進(jìn)而計(jì)算壓艙水的方量?？紤]到管節(jié)沉放時(shí)可能出現(xiàn)縱傾的姿態(tài)，因而將液位壓力傳感器安裝在水箱的中間部位，測(cè)量水箱的平均儲(chǔ)水高度。同時(shí)，在管內(nèi)設(shè)置若干帶云臺(tái)的監(jiān)視攝像機(jī)，讀取水位刻度與液位傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行比對(duì)。攝像機(jī)也用于監(jiān)視管內(nèi)的漏水（包括水箱和水管等關(guān)鍵部位）和設(shè)備的運(yùn)行情況。

2）壓力表和壓力計(jì)

為了監(jiān)視壓載泵的工作情況，在泵的兩側(cè)可設(shè)置壓力表。同樣，為了檢查水管在管節(jié)外側(cè)是否由于回淤等原因被堵塞，或?yàn)榱伺袛喙芄?jié)對(duì)接拉合階段GINA是否已完全封閉，在管節(jié)內(nèi)部靠近端封門的水管上設(shè)置壓力表。當(dāng)需要在管外進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，可使用壓力計(jì)，通過信號(hào)線將數(shù)據(jù)傳輸至管外的指揮室。

3） 輔助設(shè)施

輔助設(shè)施包括管內(nèi)臨時(shí)照明、傾斜儀（采用遠(yuǎn)程操控時(shí)可將管節(jié)縱傾、橫傾值集合至壓艙水的監(jiān)視數(shù)據(jù)中）、控制柜、將管內(nèi)的電纜與信號(hào)纜接至管外的水下密封接頭等，較為常規(guī)。

6 關(guān)鍵問題

6.1 經(jīng)濟(jì)性——周轉(zhuǎn)使用

本工程共有33個(gè)管節(jié)，如果每個(gè)管節(jié)都獨(dú)立安裝和使用1套壓艙水結(jié)構(gòu)和設(shè)備，顯然是極大的浪費(fèi)，因而壓艙水系統(tǒng)的周轉(zhuǎn)使用可有效節(jié)省工程費(fèi)用。

水箱結(jié)構(gòu)、水管（包括閥門）和壓艙水泵由于體積較大，需要在管節(jié)兩端的端封門完全封閉前運(yùn)至管內(nèi)進(jìn)行安裝，即在一次舾裝階段進(jìn)行安裝，而拆除的前提為：當(dāng)前管節(jié)首端（GINA端）的端封門和相鄰管節(jié)的尾端（非GINA端）的端封門已被拆除，具備空間供施工車輛進(jìn)入該管節(jié)進(jìn)行拆除、運(yùn)輸作業(yè)；同時(shí)還需滿足當(dāng)前管節(jié)已完成路面壓重層或管頂回填施工，且管節(jié)在扣除壓艙水及壓艙水箱重量后仍具備足夠的重量來確保管節(jié)的負(fù)浮力。

對(duì)于管節(jié)內(nèi)安裝的閥門驅(qū)動(dòng)器、控制柜、傾斜儀、壓力計(jì)、液位傳感器和纜線等精密儀器和設(shè)備，因?yàn)轶w積較小，重量較輕，而費(fèi)用相對(duì)昂貴，所以有條件時(shí)需考慮更多次的周轉(zhuǎn)使用，即考慮在二次舾裝階段通過管頂?shù)娜丝走\(yùn)輸至管內(nèi)進(jìn)行組裝。管節(jié)沉放后，即可拆除并通過端封門上的人孔艙門運(yùn)出。

采用以上周轉(zhuǎn)方式并結(jié)合施工計(jì)劃，可計(jì)算出需要加工或采購的壓艙水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的數(shù)量，其中需要考慮設(shè)備有損壞時(shí)的備用數(shù)量，以節(jié)約工程成本。

6.2 供電與通信

沉管管節(jié)起浮后，除頂面外四周被海水包圍，因而管內(nèi)通信與供電必須盡早考慮。對(duì)于本項(xiàng)目，一次舾裝時(shí)纜線通過管頂?shù)娜丝捉尤牍軆?nèi)；在二次舾裝階段，沉放安裝船與管節(jié)連接后，由于浮運(yùn)及后續(xù)工序的供電和控制都在安裝船上，故纜線從管節(jié)尾端的臨時(shí)鋼端封門接入管內(nèi)。

在沉放期間，由于洋流作用及沉放深度較大，纜線在水流力和自重作用下可能被拉斷，或發(fā)生與管節(jié)沉放安裝所使用的鋼絲纜絞纏在一起，因此要對(duì)纜線進(jìn)行加強(qiáng)處理，包括附加鋼絲網(wǎng)，增強(qiáng)纜線的抗拉能力，或在纜線上懸掛浮體，降低纜線自重產(chǎn)生的拉力。

7 結(jié)語

港珠澳大橋沉管隧道工程至2013年8月已安全沉放3節(jié)管節(jié)，上述壓艙水系統(tǒng)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，效果良好。今后隨著工程的推進(jìn)，該壓艙水系統(tǒng)將得到進(jìn)一步完善。

[1]劉曉東．港珠澳大橋總體設(shè)計(jì)與技術(shù)挑戰(zhàn)[C]//第十五屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集．北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2011．LIU Xiao-dong.Overall design of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge and technical challenges[C]//The 15th China ocean（shore） engineering academic symposium proceeding.Beijing：CCCCHighway Consultancy Co.，Ltd.，2011.

[2] 田惠一郎.沈埋函トンネル技術(shù)マニュアル [M].改訂版.東京：財(cái)団法人沿岸開発技術(shù)研究センター，2002．SONODA KEIITIROU.Immersed tube tunnel technical manual[M].Revised version.Tokyo：Juridical Foundation Coast Development Technical Study Centre，2002.

[3] 李煒．水力計(jì)算手冊(cè)[M]．第二版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006．LIWei.Hydraulic calculation manual[M].Second edition.Beijing：China WaterPower Press，2006.