超大型沉管管節(jié)拉合系統(tǒng)及控制方法

湯慧馳，岳遠(yuǎn)征，張建軍，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

超大型沉管管節(jié)拉合系統(tǒng)及控制方法

湯慧馳，岳遠(yuǎn)征，張建軍，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

管節(jié)拉合作業(yè)是沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)安裝過(guò)程中銜接管節(jié)沉放及水力壓接的重要步驟，港珠澳大橋沉管隧道使用的拉合系統(tǒng)包括自動(dòng)搭接、距離監(jiān)測(cè)、拉力檢測(cè)、水下視頻監(jiān)控等功能。文章詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)及控制方法的4個(gè)階段7個(gè)步驟。工程實(shí)踐證明，可以完全適用于沉管隧道管節(jié)拉合作業(yè)。

港珠澳大橋；沉管；管節(jié)；拉合系統(tǒng)；控制方法

0 引言

港珠澳大橋沉管隧道的預(yù)制管節(jié)是目前世界上體量最大、重量最大的鋼筋混凝土構(gòu)件，沉管安裝作業(yè)水域存在基槽區(qū)流態(tài)復(fù)雜、海水密度變化大、交叉作業(yè)船舶多、船行波影響大等特點(diǎn)、難點(diǎn)。

為了精確控制沉管安裝過(guò)程中管節(jié)的姿態(tài)及受力，管節(jié)拉合作業(yè)有著嚴(yán)格的潮水、流速和時(shí)間限制，需要利用小潮汛低平潮時(shí)段按時(shí)完成管節(jié)拉合作業(yè)。

1 工程概況

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[1]。島隧工程是港珠澳大橋的控制性工程，隧道采用沉管方案，沉管段總長(zhǎng)5 664 m，采用節(jié)段式柔性管節(jié)結(jié)構(gòu)，共33節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，由8節(jié)長(zhǎng)22.5 m、寬37.95 m、高11.4m的節(jié)段組成，總重約7.5萬(wàn)t，最大沉放水深約46 m，是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。

2 工藝簡(jiǎn)介

沉管管節(jié)的安裝包括沉放準(zhǔn)備、絞移沉放、著床、拉合、水力壓接及貫通測(cè)量6個(gè)主要步驟[2]，拉合作業(yè)是銜接管節(jié)著床和水力壓接的關(guān)鍵步驟。

管節(jié)安裝過(guò)程中，待安管節(jié)著床后，需要將待安管節(jié)平穩(wěn)拉向已安管節(jié)，直至待安管節(jié)端部的GINA橡膠止水帶碰觸已安管節(jié)的端鋼殼，并提供一定的拉力壓縮GINA橡膠止水帶鼻尖[3]，使待安管節(jié)與已安管節(jié)間形成密閉接合腔，達(dá)到初步水密狀態(tài)，為水力壓接創(chuàng)造條件。

3 設(shè)備介紹

根據(jù)工程特點(diǎn)及工藝要求，設(shè)計(jì)制造了專用的拉合系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備水下自動(dòng)搭接、精確測(cè)量管節(jié)對(duì)接端面間距離、精確監(jiān)測(cè)千斤頂拉力、水下可視化等功能。如圖1所示，拉合系統(tǒng)主要由①主控臺(tái)；②主動(dòng)拉合單元；③被動(dòng)拉合單元；④電子線纜及液壓油管卷盤；⑤油泵控制柜等部分組成[4]。

圖1 管節(jié)拉合系統(tǒng)平面布置圖Fig.1 Pulling-connecting system layoutof tubeelements

被動(dòng)拉合單元安裝在已安管節(jié)尾端兩側(cè)，主動(dòng)拉合單元安裝在待安管節(jié)首端兩側(cè)，主、被動(dòng)拉合單元完成連接后，主動(dòng)拉合單元提供拉力，將待安管節(jié)拉向已安管節(jié)。待安管節(jié)上的主動(dòng)拉合單元通過(guò)液壓油管與電子線纜與安裝船甲板上的油泵控制柜連接，然后通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線將千斤頂?shù)母黜?xiàng)數(shù)據(jù)傳輸給控制室的主控臺(tái)。

該設(shè)備通過(guò)以下四項(xiàng)特殊系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)復(fù)雜的水下條件，滿足工程要求，同時(shí)也提高了工作效率，大大降低了潛水員的工作強(qiáng)度，減少了施工成本。

3.1 水下自動(dòng)搭接系統(tǒng)

水下自動(dòng)搭接系統(tǒng)由2組千斤頂及被動(dòng)拉合單元上的反勾結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的配合，實(shí)現(xiàn)了操作人員在主控臺(tái)完成拉合系統(tǒng)的水下搭接，擺脫了以往需要潛水員連接主、被動(dòng)拉合單元的工藝，減少了潛水員水下作業(yè)時(shí)間及作業(yè)量。

3.2 水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)

水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)利用2組水下電視錄像監(jiān)控作為主體設(shè)備，主界面實(shí)時(shí)顯示水下情況，指揮室通過(guò)有線傳輸視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步顯示。主要硬件包括低光攝像頭、C2300高強(qiáng)度防水電纜、手提箱式控制臺(tái)等。通過(guò)該套系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控拉合系統(tǒng)在水下的工作狀態(tài)，為指揮操作提供參考，減少了潛水員水下檢查的工作量。

3.3 距離監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

距離監(jiān)控系統(tǒng)利用2組磁至位移傳感器作為距離監(jiān)控設(shè)備，主控臺(tái)界面實(shí)時(shí)顯示千斤頂伸出距離。主要硬件包括磁至位移傳感器、水下電子接頭、電子控制單元等。

利用該套系統(tǒng)，通過(guò)與管節(jié)安裝參數(shù)的比對(duì)，不僅可以判斷拉合系統(tǒng)是否順利完成搭接，還能了解待安管節(jié)與已安管節(jié)之間的端面間距，為拉合作業(yè)操作提供依據(jù)。

3.4 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用2組壓力傳感器作為壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，主控臺(tái)界面實(shí)時(shí)顯示拉合系統(tǒng)壓力。主要硬件包括壓力傳感器、拉合單元截止閥、壓力泄壓閥、液壓控制模塊、電子控制單元等。

利用壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)管節(jié)重量、摩擦力、設(shè)備性能等參數(shù)，可以綜合判斷拉合作業(yè)處于的階段，從而更好地控制拉合作業(yè)的進(jìn)程。

4 施工工藝流程及控制方法

按照管節(jié)安裝的流程，管節(jié)拉合作業(yè)可分為4個(gè)階段7個(gè)步驟，分別是沉放準(zhǔn)備階段的系統(tǒng)安裝，管節(jié)沉放階段的液壓油管及電子線纜（以下簡(jiǎn)稱“管線”）下放，拉合階段的水下無(wú)人自動(dòng)搭接（以下簡(jiǎn)稱“搭接”）、預(yù)緊、距離拉合、壓力拉合以及水力壓接階段的配合。

4.1 沉放準(zhǔn)備階段——拉合系統(tǒng)安裝

為減小拖纜對(duì)拉合系統(tǒng)的影響，在管節(jié)沉放準(zhǔn)備階段進(jìn)行系統(tǒng)的安裝調(diào)試。首先對(duì)照塢內(nèi)標(biāo)定的位置，準(zhǔn)備安裝管節(jié)首尾端的主、被動(dòng)拉合單元，然后通過(guò)水下接頭將油管及線纜連接至主動(dòng)拉合單元，利用管頂錨固裝置固定管節(jié)頂面的管線，減小水流對(duì)管線的擾動(dòng)。安裝完成后，對(duì)2臺(tái)千斤頂同步性進(jìn)行測(cè)試，并依次檢查各系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備是否存在滲漏油現(xiàn)象、數(shù)據(jù)顯示是否正常等。

4.2 沉放階段——管線下放

管節(jié)沉放及著床過(guò)程中，利用主控臺(tái)與管節(jié)同步下放管線，根據(jù)管節(jié)姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、安裝船吊纜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及拉合卷盤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，調(diào)整管線長(zhǎng)度，始終保持管線下放長(zhǎng)度大于管節(jié)下放距離。為確保拉合系統(tǒng)管線的安全，在管線下放過(guò)程中需要人員巡視，防止管線尤其是電子線纜出現(xiàn)刮蹭造成損壞，同時(shí)甲板人員需要定時(shí)手動(dòng)檢查管線富裕長(zhǎng)度，與系統(tǒng)提供的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，確保下放長(zhǎng)度滿足要求。

4.3 拉合作業(yè)階段

4.3.1 水下無(wú)人自動(dòng)搭接

如圖2所示，待安管節(jié)著床后，利用主控臺(tái)控制主動(dòng)拉合單元，依次進(jìn)行回收豎向千斤頂、伸出拉合千斤頂、伸出豎向千斤頂?shù)牟僮?，完成待安管?jié)主動(dòng)拉合單元與已安管節(jié)被動(dòng)拉合單元的搭接作業(yè)。

圖2 拉合系統(tǒng)水下無(wú)人自動(dòng)搭接Fig.2 Unmanned automatic lap jointunder water of pulling-connecting system

搭接作業(yè)為拉合作業(yè)首個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，如果拉合系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)完成水下搭接作業(yè)，需要潛水船及潛水員水下輔助進(jìn)行搭接，必將延長(zhǎng)1～1.5 h的拉合作業(yè)時(shí)間，可能會(huì)導(dǎo)致在水力壓接時(shí)海流增大，波浪增高，錯(cuò)過(guò)最佳安裝窗口，影響整個(gè)安裝作業(yè)效率及成功率，增加作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2 拉合預(yù)緊

主、被動(dòng)拉合單元搭接完成，回程拉合千斤頂，使拉合千斤頂拉力達(dá)到784 kN，消除主、被動(dòng)拉合單元之間以及鋼結(jié)構(gòu)與混凝土支墩之間的間隙。根據(jù)重載試驗(yàn)的觀察及數(shù)據(jù)分析，拉合千斤頂拉力在490～784 kN區(qū)間內(nèi)時(shí)，上述間隙已經(jīng)消除。

4.3.3 距離拉合

根據(jù)管節(jié)姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、拉合控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合判斷兩管節(jié)端面間距，設(shè)定距離拉合長(zhǎng)度，將待安管節(jié)拉向已安管節(jié)，使距離拉合完成時(shí)待安管節(jié)的GINA止水帶鼻尖與已安管節(jié)尾端端鋼殼接觸。

在距離拉合過(guò)程中，為保護(hù)拉合系統(tǒng)，同時(shí)更加平穩(wěn)地將待安管節(jié)拉向已安管節(jié)，需要綜合調(diào)整管節(jié)負(fù)浮力與安裝船吊力，控制管節(jié)與碎石基床之間的摩擦力小于拉合系統(tǒng)拉力[5]，需要綜合調(diào)整安裝船各纜力的大小，使吊纜力基本保持不變或者同步變化，確保在距離拉合過(guò)程中管節(jié)在平行于碎石基床平面的受力均衡。

4.3.4 壓力拉合

待安管節(jié)GINA止水帶鼻尖與已安管節(jié)尾端端鋼殼接觸后，拉合系統(tǒng)進(jìn)一步提高拉力，使待安管節(jié)的GINA止水帶盡量壓縮，在兩管節(jié)間形成密閉接合腔，為水力壓接創(chuàng)造條件。

4.4 水力壓接階段

水力壓接階段，拉合系統(tǒng)保持70%左右的拉力，輔助水力壓接進(jìn)行排水，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩管節(jié)端面間距，輔助判斷水力壓接的進(jìn)展，為壓接決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用本套拉合系統(tǒng)，按照既定的控制方案施工，取消了潛水員水下千斤頂搭接作業(yè)，減少了潛水員水下檢查搭接質(zhì)量、測(cè)量?jī)晒芄?jié)端面間距的時(shí)間，不僅提高了工作效率，還減少了潛水員的工作強(qiáng)度；同時(shí)利用該系統(tǒng)進(jìn)行距離監(jiān)測(cè)，可以在對(duì)接全過(guò)程中連續(xù)進(jìn)行，相對(duì)于潛水員測(cè)量提高了精度，減少了誤差。

經(jīng)過(guò)港珠澳大橋島遂工程E1～E20管節(jié)現(xiàn)場(chǎng)安裝驗(yàn)證，本套拉合系統(tǒng)及控制方法效率高，安全性高，節(jié)省成本，完全適用于沉管隧道管節(jié)拉合作業(yè)。

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[5]尚乾坤，王殿文.鋼筋混凝土沉管管節(jié)與基床摩擦阻力的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2015，35（7）：46-48. SHANG Qian-kun,WANG Dian-wen.Friction research between immersed reinforced concrete tube elementsand foundation bed[J]. China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.

Pulling-connecting system and controlmethod for elem ents of u ltra-large immersed tubes

TANGHui-chi,YUEYuan-zheng,Zhang Jian-jun,NING Jin-jin
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao，Shandong 266071,China）

The pulling-connecting construction of tube elements is an important step between immersion and hydraulic crimping of tube elements during the floating transportation and installation process of immersed tunnel.The pullingconnecting system was used for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel,it includes automatic lap,distance monitoring,pulling test,underwater videomonitoringand other functions.We introduced the system and controlmethod,which was divided into seven steps in four phases.The engineering practice has proved that it can comp letely suitable for the pullingconnecting construction of immersed tubeelements.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;immersed tube;element;pulling-connecting system;controlmethod

U455；U459.5

B

2095-7874（2015）11-0123-04

10.7640/zggw js201511033

2015-10-19

湯慧馳（1990— ），男，江蘇南通市人，工程師，技術(shù)主辦，港口航道與海岸工程專業(yè)。E-mail：keithbobo@163.com