溜管拋石精度控制技術(shù)及在港珠澳大橋隧道基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

梁天戈，伍紹博，蘇懷平

（1.英國布里斯托大學(xué)，英格蘭布里斯托市 BS8 1TH；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

溜管拋石精度控制技術(shù)及在港珠澳大橋隧道基礎(chǔ)施工中的應(yīng)用

梁天戈1，伍紹博2*，蘇懷平3

（1.英國布里斯托大學(xué)，英格蘭布里斯托市 BS8 1TH；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

溜管拋石施工工藝用于深水作業(yè)，是保障水下設(shè)施安全性、穩(wěn)定性的有效施工手段。文章敘述了溜管拋石精度控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，主要包括拋石船及相關(guān)技術(shù)發(fā)展、海床測量集成系統(tǒng)和溜管拋石系統(tǒng)及儀器應(yīng)用，重點闡述在港珠澳大橋島隧工程中溜管拋石系統(tǒng)化精度控制管理，采用典型施工期實測數(shù)據(jù)分析溜管拋石精度，說明溜管拋石精度控制技術(shù)的提高與發(fā)展。

溜管拋石；精度控制；港珠澳大橋；隧道基礎(chǔ)

0 引言

隨著拋石施工水深的不斷增加，溜管拋石施工工藝的應(yīng)用逐漸成為了一種趨勢，施工精度控制是保證溜管拋石技術(shù)質(zhì)量的關(guān)鍵。鑒于港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)施工環(huán)境復(fù)雜，拋石精度要求高，溜管拋石精度控制采用了網(wǎng)格式拋填法和拋石標(biāo)高控制體系等技術(shù)，達(dá)到同類國內(nèi)工程較高水平。本文通過對溜管拋石精度控制技術(shù)的調(diào)研，結(jié)合港珠澳沉管隧道基礎(chǔ)施工中溜管拋石精度的控制管理，對溜管拋石精度控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

1 精度控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 拋石船及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

拋石船及相關(guān)技術(shù)發(fā)展共分三個階段[1]。第一階段為抓斗拋石，任何配備有抓斗裝置的作業(yè)船舶可作為拋石船使用，但不具備深海拋石能力，僅限于沿海拋石。第二階段為帶狀拋石，這一階段的拋石船為可承載大量石料的專業(yè)側(cè)拋船，應(yīng)用于拋石精度要求不高的淺海拋石施工。第三階段為溜管拋石，由單個落石管組成的溜管引導(dǎo)石料進(jìn)行拋石。國際上此類船舶主要為荷蘭的Royal BoskalisWestminster、Tideway、Van Oord及比利時的Jan De Nul四家公司所擁有。

用于深水溜管拋石的船舶已發(fā)展到先進(jìn)的動力定位柔性溜管拋石船，如Van Oord公司的“Stornes”，是在自卸式散貨船基礎(chǔ)上研發(fā)的拋石作業(yè)船，船長175 m，寬26 m，深14.5 m，吃水9 m，可承載27 000 t（圖1）。該船貨艙內(nèi)配備雙自動卸貨通道，通過C形傳送帶和回轉(zhuǎn)臂實現(xiàn)自卸，回轉(zhuǎn)臂向船外延伸控制的范圍在77 m以內(nèi)；船舶中部設(shè)有月池及溜管下降裝置，有利于管理施工作業(yè)和穩(wěn)定船體。柔性溜管的連接方式與鉆井管道相近，其優(yōu)勢在于提升組裝與拆卸速度，并可在不影響航行的情況下自動完成溜管的安裝或拆除（圖2）。此拋石船自2009年9月份應(yīng)用于工程，2014年11月14日在北海挪威海域的溜管拋石水深達(dá)1 277 m，創(chuàng)造了溜管拋石水深記錄。

圖1 柔性溜管動力定位拋石船“Stornes”截面圖Fig.1 Crosssection of flexible fall pipe dynam ic positioning vessel"Stornes"

圖2 柔性溜管動力定位拋石船“Stornes”細(xì)節(jié)圖Fig.2 Detailsof flexible fallpipe dynam ic positioning vessel"Stornes"

1.2 海床測量集成系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

為保證和提高溜管拋石在黏土層施工的精度，國際上多采用海床測量集成系統(tǒng)實施海床地質(zhì)、地勢的勘測工作。該系統(tǒng)主要組成部分為圓錐動力觸探裝置和溫度、鹽度、深度儀等，圓錐動力觸探勘測數(shù)據(jù)經(jīng)分析可得出溜管拋石施工的具體技術(shù)指標(biāo)，而溫度、鹽度、深度儀則用于水密度和深度測量，并通過綜合其他參數(shù)來推導(dǎo)海床標(biāo)高，以檢驗多波束測深儀所提供數(shù)據(jù)的正確性[2]。

例如，在北海北部挪威海域，天然油氣田Knarr Field基礎(chǔ)拋石回填施工過程中，施工區(qū)距離挪威弗洛羅100多km，拋石回填基礎(chǔ)施工水深約400 m。基于海床地質(zhì)的特殊性及其表面凹凸不平的特點，海床測量集成系統(tǒng)被投入使用。

1.3 深水溜管拋石系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

溜管分為柔性和剛性兩種，深水溜管拋石系統(tǒng)大都采用柔性溜管，其中復(fù)合筒和伸縮管為柔性溜管的兩個特色。復(fù)合筒可增加溜管長度，為深水溜管拋石提供條件[3]。伸縮管用于控制下料點距海床的高度，實現(xiàn)精準(zhǔn)拋石。控制測量系統(tǒng)下位機(jī)也是溜管系統(tǒng)中的一部分，它通過連接工控機(jī)來進(jìn)行水下觀測（圖3）。推進(jìn)器等下位機(jī)附屬機(jī)械裝置可矯正因水文影響所致的施工偏差，提高拋石精度控制。此外，水下影像無線傳輸設(shè)備的應(yīng)用，提升了控制測量系統(tǒng)在水下作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力，有助于提高深水溜管拋石系統(tǒng)的工作效率，保證溜管拋石精度[4]。

圖3 水下溜管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structureof fallpipe system under the sea

在加拿大丘吉爾下流河域溜管拋石保護(hù)性工程中，深水溜管拋石系統(tǒng)在其基礎(chǔ)施工得到應(yīng)用。施工區(qū)位于拉布拉多大西洋沿海區(qū)域和紐芬蘭阿瓦隆半島之間的貝爾島海峽。施工方案是以梯狀形式對海底電纜進(jìn)行單層或雙層覆蓋，電纜間隔為3 m（圖4）。

圖4 溜管拋石施工（加拿大丘吉爾下流河域工程）Fig.4 Construction of fallpipe rock dumping (Canadian Lower Churchill Project)

2 港珠澳大橋島隧工程

2.1 基礎(chǔ)施工設(shè)計與船舶選用

港珠澳大橋隧道總長6.7 km，其中沉管段長5 664 m，在隧道基礎(chǔ)施工中，有2m的拋石夯平層，最大拋石水深近50 m。拋石基礎(chǔ)施工共分為3個區(qū)域，即島頭區(qū)域、E4-S3至E6-S2管節(jié)區(qū)域（最大水深約25m）和E6-S2至E23管節(jié)區(qū)域（最大水深約50m）。圖5為典型溜管拋石施工截面圖，拋填約2 m厚10～100 kg的塊石。溜管拋石施工流程見圖6。

圖5 E7～E10管節(jié)橫斷面圖Fig.5 Crosssection of par tof tunnelelem ent E7～E10

圖6 塊石拋填施工流程圖Fig.6 Construction processof rock dumping and filling

中交港珠澳大橋島隧工程項目總部研發(fā)及制造浮體式拋石夯平船“振駁28號”見圖7，船體分上料區(qū)和儲料區(qū)，船上配備有溜管拋石小車和液壓振動錘夯平系統(tǒng)，作業(yè)施工時配備2艘塊石運輸船舶。拋石船船長82 m，寬28m，深7.6 m，吃水5.2m，排水量12 000 t。

圖7 拋石夯平船（振駁28號）Fig.7 Rock dum ping vessel(Zhenbo No.28)

2.2 溜管拋石精度控制管理

沉管基礎(chǔ)拋石精度要求高，具體精度控制措施體現(xiàn)在增設(shè)溜管拋石小車、使用網(wǎng)格式拋填法和采取拋石標(biāo)高控制等方面[5]。

溜管拋石小車上的溜管由4節(jié)最小內(nèi)徑為1.2 m的套管組成，其頂部配有高精度GPS，底部設(shè)有泄流孔，可適應(yīng)水深變化。溜管下料點配備多通道測深儀，方便塊石拋填標(biāo)高控制。小車兩側(cè)配有卷揚(yáng)機(jī)，溜管可通過卷揚(yáng)機(jī)自由提升或下降。小車在平臺上的移動及基礎(chǔ)施工受網(wǎng)格式拋填法控制，小車在滑道上移動時，船體上測距儀對其進(jìn)行實時監(jiān)測。小車上另設(shè)有位置偏差補(bǔ)償裝置，進(jìn)一步提升了工作效率和拋石精度（圖8）。

圖8“振駁28號”的溜管小車Fig.8 Fallpipe vehicleon the rock dumping vessel"Zhenbo No.28"

工程施工前期，依據(jù)施工區(qū)域特點，合理劃分溜管拋石小區(qū)。經(jīng)過對點位間距及形狀進(jìn)行拋填效果分析（圖9），決定點位間距設(shè)置為3m，拋石網(wǎng)格布置方式為矩形。施工過程中，利用拋石網(wǎng)格圖及首級GPS測量控制網(wǎng)，輔助振駁28號定位。當(dāng)一個點位塊石拋填完畢后，溜管小車按照拋石網(wǎng)格圖移動至下一點位進(jìn)行作業(yè)。

圖9 斷面5測點折線圖Fig.9 Line chartof themeasure pointsat cross section 5

拋石標(biāo)高控制首先利用了磁感應(yīng)系統(tǒng)測定溜管底口至溜管小車指定的位置距離，根據(jù)小車和GPS天線盤之間船體參數(shù)反算得到溜管底口標(biāo)高，其次利用多通道測深儀對溜管周圍塊石標(biāo)高進(jìn)行實時監(jiān)測，并根據(jù)所顯示的監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)計標(biāo)高進(jìn)行比對，達(dá)到要求后方可進(jìn)行下一點位的拋填。

2.3 典型施工數(shù)據(jù)采集與分析

典型施工位于沉管管節(jié)E10和E11交接處，總長度為50 m，共分2個部分，第一部分為E10中前20 m，拋石點位間距為2 m，第二部分為E10剩余長度及E11長度共30 m，拋石點位間距為3 m。典型施工目的是為了選擇拋石網(wǎng)格圖合適的點位間距，以達(dá)到控制溜管拋石標(biāo)高、提高施工精準(zhǔn)度等成效。

典型施工數(shù)據(jù)由多通道測深儀完成，當(dāng)其下方塊石頂標(biāo)高高于設(shè)計斷面標(biāo)高10 cm時即停止點位拋填。由于測深儀易受到塊石擾動基底泥面的影響，需等數(shù)據(jù)顯示處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，測深儀傳送數(shù)據(jù)至塊石拋填監(jiān)控系統(tǒng)，實行對塊石標(biāo)高的實時監(jiān)控[6]。

典型施工區(qū)域內(nèi)每10m一個斷面、縱向每2 m一個點位，對斷面掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得出斷面測點折線圖。圖9所示為某拋石橫向點位為3m的斷面，共24個測試點。設(shè)計標(biāo)高為-43.42 m，拋石前泥面標(biāo)高平均-45.29 m，拋石后標(biāo)高平均-43.31m，平均拋石厚度為1.98m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.23 m。上述數(shù)據(jù)分析表明，橫向點位間距為3 m時拋填效果較好，拋石施工所在區(qū)域斷面之間影響較小，斷面高程偏差都控制在30 cm以內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

1）目前，國際上在控制精度技術(shù)方面以拋石船優(yōu)化創(chuàng)新、海床測量集成系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)以及完善深水溜管拋石系統(tǒng)為發(fā)展方向。

2）港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)施工利用GPS測量定位系統(tǒng)，用網(wǎng)格式拋填法使溜管拋石小車得以準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)了溜管拋石精度控制系統(tǒng)化管理，達(dá)到了較高拋石精度控制，促進(jìn)了國內(nèi)溜管拋石技術(shù)在精度控制上的發(fā)展。

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[6]靳勝，冀晉.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)拋石夯平施工典型施工總結(jié)[R].珠海：中交股份聯(lián)合體港珠澳大橋島隧工程第Ⅰ工區(qū)項目經(jīng)理部，2012. JIN Sheng,JIJin.Typical construction of rock dumping and treatment for tunnel foundation in island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].Zhuhai:ProjectManagement Dept.ofWork AreaⅠfor Island and Tunnel ProjectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge Joint Venture of China Communications Construction Co.,Ltd.,2012.

Accuracy control techniques of fall pipe rock dum ping and its app lication in tunnel foundation construction of the Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge

LIANGTian-ge1,WUShao-bo2*,SUHuai-ping3
（1.University of Bristol,Bristol BS8 1TH,England;2.CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200032,China；3.China Communications2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.,Ltd.,Chongqing401121,China）

Fall pipe rock dumping is used in the deepwater construction,it can ensure the safety and stability of subsea facilities effectively.We discussed the development in accuracy control techniques of fall pipe rock dumping,include the development of dumping vessel with its technologies,the application of seabed survey integrating system,fall pipe rock dumping system with its related instruments.We focused on the accuracy controlmanagement system of fall pipe rock dumping in the island and tunnel projectof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,analyzed the accuracy of all pipe rock dumping using the data from a typical construction.The improvement and development of the accuracy control techniques in this projectwere reflected.

fall pipe rock dumping;accuracy control;Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;tunnel foundation

U455.4

B

2095-7874（2015）11-0068-05

10.7640/zggw js201511019

2015-10-19

梁天戈 （1994— ），男，吉林長春市人，土木工程專業(yè)。*通訊作者：伍紹博，E-mail：215724876@qq.com