拋石夯平設(shè)備節(jié)能技術(shù)在港珠澳大橋中的應(yīng)用

李亞軍，豐貫凌，王喜才

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

1.1 工程背景

港珠澳大橋起于香港大嶼山散石灣，分別與澳門明珠和珠海拱北相連接。全長35 km，采用橋隧組合方案，隧道長5.99 km，橋隧通過東、西兩個人工島實現(xiàn)銜接轉(zhuǎn)換。深海開挖的隧道基槽需拋填10~100 kg塊石，并通過夯平增加塊石的緊密程度，然后在塊石層上鋪設(shè)碎石墊層，再進(jìn)行沉管管節(jié)的沉放安裝。對于10~100 kg塊石的拋填與夯實，傳統(tǒng)工藝是配備拋石船，輔以定位船進(jìn)行拋石，然后通過方駁上強夯機掛重錘進(jìn)行水下夯平[1]。此種工藝需要配備的大型船舶較多，船機的費用和燃油消耗高，而且海上拋石和強夯機掛重錘進(jìn)行夯平造成的海洋污染和噪聲污染均較大。

1.2 主要內(nèi)容

利用現(xiàn)有船機資源，研發(fā)了一套集拋石和夯平功能于一身的拋石夯平設(shè)備：通過溜管進(jìn)行水下拋石，利用1臺美國APE600液壓錘與夯板連接進(jìn)行水下夯平。該套拋石夯平設(shè)備加裝在1艘8 000 t方駁上組成拋石夯平船，不僅減少了作業(yè)船舶數(shù)量，降低船機費用和燃油消耗成本，而且提高了夯平效率。項目部對用夯錘夯平和液壓錘連接夯板夯平進(jìn)行了實驗比較，普通夯實100 m2夯3遍約需連續(xù)作業(yè)25 h，而液壓振動錘連接夯板夯平約1 h就能完成，施工效率是傳統(tǒng)工藝的25倍，大大減少了設(shè)備作業(yè)時間，節(jié)省了燃油消耗成本，并且有效解決了拋石和夯平施工中造成的海洋污染和噪聲污染。拋石夯平船全貌見圖1。

圖1 拋石夯平船全貌Fig.1 The riprap ram ship

1.3 實施情況

本工程需完成總拋石量約47萬m3，總夯平面積約27萬m2。拋石夯平船自2012年5月20日改造完成投入施工以來，已順利完成港珠澳大橋沉管隧道E1~E20管節(jié)基礎(chǔ)的拋石夯平任務(wù)，水下夯平最大深度47 m，施工進(jìn)展順利，施工質(zhì)量良好，設(shè)備性能滿足施工要求，為隧道管節(jié)的沉放對接提供了先決條件。

2 節(jié)能原理

通過改變傳統(tǒng)工藝，充分利用現(xiàn)有船機資源，將海上拋石船和夯平船功能集于一身，既提高了夯平施工效率，又減少了作業(yè)船舶數(shù)量，大大降低了船機成本和設(shè)備燃油消耗。而且，采用溜管拋石能有效減少由于水流對石塊沖擊而造成的損耗，節(jié)約了石材資源。

3 節(jié)能技術(shù)

3.1 主要技術(shù)內(nèi)容

通過拋石夯平船甲板上挖掘機將石料船石料轉(zhuǎn)存到拋石夯平船甲板上，利用甲板上挖掘機向小車上部漏斗內(nèi)添加石料，石料從漏斗內(nèi)順著溜管落到海底基槽上。利用1臺美國APE600液壓錘，與夯板通過螺絲連接組成夯平系統(tǒng)進(jìn)行夯平施工。拋石夯平設(shè)備通過軌道及小車行走機構(gòu)在船舷邊移動位置。

3.2 實施方案

該套拋石夯平設(shè)備由振動夯平系統(tǒng)、溜管拋石系統(tǒng)、軌道及小車行走機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)四大部分組成。

3.2.1 振動夯平系統(tǒng)

振動夯平系統(tǒng)由以下幾部分組成：

1）振錘系統(tǒng)：夯板、APE600振動錘、吊架。

2）臺車系統(tǒng)：行走機構(gòu)、臺車本體、臂架。

3） 振動錘動力源。

4）升降振錘系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)。

5） 液壓管線升降系統(tǒng)。

6） 配重系統(tǒng)。

振動錘選用美國APE600液壓錘，通過螺栓與夯板連接，上部與吊架連接。夯板的長寬為5 m×4 m；吊架用鋼板焊接而成，載荷設(shè)計考慮到滿足夯板及振動錘的重量；吊架與錘組之間用鋼絲繩連接。整個振錘系統(tǒng)距離舷側(cè)最小距離為400 mm，整套重量控制在80 t以內(nèi)。臺車系統(tǒng)上布置有錘組動力源、絞車系統(tǒng)、吊臂、支架等，每個臺車下每邊設(shè)置1個滑動體，每個滑動體下面設(shè)置7塊500 mm×280 mm華龍GME滑板，上面及側(cè)面各設(shè)置2塊，振錘夯平系統(tǒng)見圖2。

圖2 振錘夯平系統(tǒng)Fig.2 Thevibration hammer tamping system

3.2.2 溜管拋石系統(tǒng)

共設(shè)置兩套溜管拋石系統(tǒng)，由以下幾部分組成：

1） 溜管裝置。

2） 漏斗裝置。

3）臺車系統(tǒng)：行走輪、臺車本體、臂架。

4）溜管升降系統(tǒng)。

溜管裝置由4節(jié)管組成，大管套小管[2-3]；第1節(jié)管直徑1 200 mm，壁厚20 mm，其余3節(jié)直徑逐漸遞增；每節(jié)管兩頭采用加厚管，壁厚40 mm；第4節(jié)管下端設(shè)耳板。溜管收起后最小長度為13 m，放出后最大長度為44 m。每個溜管開一圓孔，在溜管收起后能用插銷銷緊。漏斗寬3 600 mm，采用20 mm厚鋼板焊接而成，其兩側(cè)設(shè)置防護(hù)板，防止石塊落下砸到其下部的絞車等裝置。設(shè)2臺絞車用于溜管的升降，絞車支持負(fù)載為600 kN，額定速度為6 m/min，鋼絲繩直徑為40 mm，如圖3所示。

圖3 溜管拋石系統(tǒng)Fig.3 The riprap chute system

3.2.3 軌道及小車行走機構(gòu)

主甲板上設(shè)置2條C型軌道用于小車的行走。設(shè)4臺絞車，用于2臺溜管小車和1臺夯平小車的行走。溜管小車上設(shè)置定滑輪，使小車受力為2倍絞車?yán)?，溜管小車為直接拉動。絞車支持負(fù)載為200 kN，額定速度為15 m/min，鋼絲繩直徑為26 mm，如圖4所示。

3.2.4 電氣控制系統(tǒng)

圖4 軌道及小車行走機構(gòu)Fig.4 The rail and trolley traveling mechanism

船舶增設(shè)800 kW柴油發(fā)電機組1臺，專門為臺車行走及升降系統(tǒng)和船舶6臺錨機提供電源。振動夯平錘升降絞車采用變頻控制，兩臺絞車可同步操作也可單獨操作。每臺絞車設(shè)轉(zhuǎn)速編碼器，鋼絲繩定滑輪處設(shè)力矩傳感器。液壓管收放絞車單獨控制。夯平臺車設(shè)3臺絞車的操作臺，并有升降鋼絲繩的拉力及繩長指示。兩臺溜管升降絞車為同步控制（經(jīng)轉(zhuǎn)換也可單獨操作），控制箱及遙控臺安裝于拋石臺車上。4臺行走絞車分別采用主令控制，分別安裝于首尾部絞車附近。臺車上絞車的控制箱分別安裝于臺車上，行走絞車控制箱安裝于船內(nèi)。各絞車電源均引自主配電板的獨立回路。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新點

將拋石夯平功能設(shè)備有效結(jié)合在一起，操作簡單，節(jié)省船舶資源，降低設(shè)備油耗，減少海洋污染和噪聲污染。

3.4 施工操作關(guān)鍵點

1） 振動錘的選擇除了要滿足水下夯平要求外，還必須充分考慮水下夯平作業(yè)對錘組本身的腐蝕，所選用的美國APE600液壓振動錘能滿足水下夯平作業(yè)的耐腐蝕要求。

2） 振動錘升降系統(tǒng)卷揚設(shè)備須保持同步，防止錘體傾斜時鋼絲繩和滑輪受力不均，加劇對鋼絲繩和滑輪的磨損，縮短其使用壽命。

3） 每班工作完成后，4節(jié)溜管應(yīng)收起，避免海浪對溜管的沖擊而造成對漏斗裝置和軌道及行走機構(gòu)的損壞。

4） 在夯平過程中，當(dāng)夯錘落到夯實工作面時，吊繩保持100 kN拉力（夯錘自重約80 t），由于吊重的減輕，小車后配重塊會造成小車后仰，小車在振動下一直上下擺動，從而造成小車上設(shè)備的抖動，設(shè)計時應(yīng)充分考慮如何緩解小車后仰造成的設(shè)備抖動。

4 效益分析

4.1 節(jié)能效益

4.1.1 傳統(tǒng)工藝的能耗量計算

傳統(tǒng)工藝先利用定位駁和拋石船拋石，再用方駁上履帶吊機掛重錘水下夯平，該工藝下耗柴油量的計算過程如下。

1）定位船舶下錨耗柴油量

耗油量=定位駁發(fā)電機功率×定位船舶每天工作時間×365×拋石夯平工期×發(fā)電機組使用系數(shù)（下錨）×柴油機耗油率=300×8×365×4×0.4×200/1 000 000=280.3 t。

其中：考慮船舶定位后不動錨，發(fā)電機不工作，發(fā)電機組使用系數(shù)取0.4。

2）夯平船下錨耗柴油量

耗油量=夯平船發(fā)電機功率×夯平時間×發(fā)電機組使用系數(shù)（下錨）×柴油機耗油率=300×67 500×0.4×200/1 000 000=1 620 t。

其中：夯平時間=夯平工程量/夯平工程量單位用時=270 000/100×25=67 500 h；考慮船舶定位后不動錨，發(fā)電機不工作，發(fā)電機組使用系數(shù)取0.4。

3）夯平船強夯機耗柴油量

耗油量=強夯機發(fā)動機功率×夯平時間×額定耗油率=175×67 500×200/1 000 000=2 362.5 t。

4）傳統(tǒng)工藝耗柴油量

傳統(tǒng)工藝耗柴油量=定位船舶下錨耗柴油量+夯平船下錨耗柴油量+夯平船強夯機耗柴油量=280.3+1 620+2 362.5=4 262.8 t。

4.1.2 本項目采用的拋石夯平設(shè)備的能耗量計算

本項目采用了一套集拋石和夯平功能于一身的拋石夯平設(shè)備，其拋石夯平工藝能耗的計算過程如下：

1）拋石夯平船下錨耗柴油量

耗油量=拋石夯平船發(fā)動機功率×每天工作時間×365×拋石夯平工期×下錨發(fā)電機組使用系數(shù)×額定耗油率 =940×8×365×4×0.5×200/1 000 000=1 097.9 t。

其中：考慮船舶定位后不動錨，柴油機不需要滿負(fù)荷工作，發(fā)電機使用系數(shù)取0.5。

2）液壓錘夯平耗柴油量

耗油量=液壓夯平工程量/液壓錘夯平工程量單位用時×APE600液壓錘動力柜卡特彼勒發(fā)動機耗柴油量/1 000=270 000/100×90/1 000=243 t。

3）本項目采用的設(shè)備耗柴油量

耗油量=拋石夯平船下錨耗柴油量+液壓錘夯平油耗=1 097.9+243=1 340.9 t。

4.1.3 本項目節(jié)約柴油消耗量的確定

節(jié)約柴油消耗量=傳統(tǒng)工藝耗柴油量-本項目采用設(shè)備耗柴油量=4 262.8-1 340.9=2 921.9 t。

4.1.4 節(jié)能量（折合標(biāo)煤）

折合標(biāo)準(zhǔn)煤 =節(jié)約柴油量 ×折標(biāo)煤系數(shù) =2 921.9×1.457 1=4 257.5 t標(biāo)煤。

其中：柴油折標(biāo)煤系數(shù)取值為1.457 1 t標(biāo)準(zhǔn)煤/t柴油[4]。

5 結(jié)語

該套拋石夯平系統(tǒng)設(shè)備成功應(yīng)用后，不僅解決了深海隧道施工管節(jié)沉放基礎(chǔ)的拋石夯平加固難題，提高了工作效率，而且有效地降低了油耗和對海洋環(huán)境的污染，為以后的海底隧道基礎(chǔ)加固積累了寶貴經(jīng)驗。