外海深水沉管隧道碎石基床高精度控制技術(shù)及應(yīng)用

張建軍

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

0 引言

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，海洋高新技術(shù)的介入和裝備的不斷升級(jí)改進(jìn)，我國(guó)離岸深水拋石基床整平技術(shù)[1]得到廣泛應(yīng)用。2018年建成通車(chē)的港珠澳大橋，將沉管安裝和碎石基床整平技術(shù)推向一個(gè)嶄新的臺(tái)階?！敖蚱?號(hào)”整平船在此工程中展現(xiàn)出了高超的“整平技藝”，這是專(zhuān)為港珠澳大橋沉管隧道碎石基床鋪設(shè)設(shè)計(jì)建造的施工專(zhuān)用船舶。港珠澳大橋沉管隧道的基礎(chǔ)碎石墊層施工最大水深達(dá)50 m，墊層施工長(zhǎng)度約6 km，整平精度要求達(dá)到±40 mm。對(duì)于規(guī)模如此巨大、整平精度高的海上基礎(chǔ)碎石鋪設(shè)，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有工程先例，在國(guó)外可參考的經(jīng)驗(yàn)和研究成果也少之又少。本文從“津平1號(hào)”碎石基床鋪設(shè)整平入手，對(duì)碎石基床整平技術(shù)[2-3]進(jìn)行了全面分析，通過(guò)采取各種技術(shù)控制措施，最終實(shí)現(xiàn)了高精度碎石基床鋪設(shè)。

1 “津平1”碎石整平技術(shù)簡(jiǎn)介

“津平1”的主體為箱型“回”字形雙層甲板結(jié)構(gòu)，平臺(tái)四角上布置有4根采用齒輪齒條形式驅(qū)動(dòng)的樁腿，如圖1所示。平臺(tái)中央為月池，上部設(shè)有1臺(tái)可以縱向移動(dòng)的大車(chē)。大車(chē)上裝有帶有拋石管的小車(chē)，拋石管隨大車(chē)和小車(chē)的移動(dòng)，完成規(guī)定行程，同時(shí)將石料鋪設(shè)至海底槽床上。

圖1 整平船整平鋪設(shè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of leveling ship leveling

到達(dá)指定工作區(qū)域后，經(jīng)過(guò)插樁、抬升過(guò)程使平臺(tái)固定于一定的高度。碎石石料由進(jìn)料口進(jìn)入，通過(guò)皮帶機(jī)系統(tǒng)接力傳輸后最終進(jìn)入拋石管。拋石作業(yè)分2層完成，拋石作業(yè)后通過(guò)自身進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，驗(yàn)收整平精度。滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求后，平臺(tái)下降、拔樁，移動(dòng)平臺(tái)至下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行碎石整平作業(yè)，直至一節(jié)沉管的碎石鋪設(shè)完成。

2 工前控制技術(shù)

為了確保整平船系統(tǒng)裝置的穩(wěn)定與可靠，在施工前，需要對(duì)各個(gè)系統(tǒng)裝置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的校核控制。通過(guò)使用專(zhuān)業(yè)儀器和校核技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的診斷分析。綜合比對(duì)建立參數(shù)指標(biāo)，可以快速判斷測(cè)控裝置高程的準(zhǔn)確和可靠性，迅速對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)修正調(diào)整。

2.1 高程系統(tǒng)校核

在施工前，為了確保施工管理系統(tǒng)中拋石管位置的正確性，需要對(duì)拋石管位置進(jìn)行校核。通過(guò)使用水準(zhǔn)儀、全站儀、掃平儀、測(cè)尺4種儀器及方法分別對(duì)拋石管進(jìn)行測(cè)量，獲得多個(gè)坐標(biāo)及高程，與施工管理系統(tǒng)拋石管信息顯示窗口顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

通過(guò)比對(duì)，可以快速判斷施工管理系統(tǒng)軟件參數(shù)設(shè)置的正確性以及輸出結(jié)果的準(zhǔn)確性，檢查出各個(gè)系統(tǒng)軟件之間的通訊情況是否異常，確保整平作業(yè)時(shí)系統(tǒng)正常、可靠。

1）全站儀三角高程校核

在隧道測(cè)量平臺(tái)用LeicaTS3O全站儀對(duì)碎石整平船拋石管底部高程進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)。將棱鏡的中心位置固定于拋石管底部中心，量出棱鏡中心距離拋石管底部中心即棱鏡高，測(cè)出拋石管的底部高程，最后與系統(tǒng)顯示高程進(jìn)行比對(duì)修正。

2）RTK+水準(zhǔn)引測(cè)校核

在船體某處確定1個(gè)高程基準(zhǔn)，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量辦法測(cè)出拋石管底部高程。

3）掃平儀校核

在測(cè)量平臺(tái)上架設(shè)掃平儀，將安裝有接收器的塔尺放到拋石管上，測(cè)量求出拋石管底部高程。

4）潛水員水下確認(rèn)

利用已安管節(jié)頂部高程點(diǎn)對(duì)拋石管底部高程進(jìn)行檢核。將拋石管移至已安管節(jié)中間部位的高程特征點(diǎn)上方，潛水員沿拋石管下潛至管節(jié)頂部，用特制測(cè)尺從拋石管底部位置量取到特征點(diǎn)的高差，多次測(cè)量取平均值，將特征點(diǎn)的高程換算至拋石管口，并與此時(shí)GNSS高程顯示的高程數(shù)據(jù)比對(duì)確認(rèn)。

2.2 船體傾斜儀修正

施工前通過(guò)傾斜儀修正，在施工過(guò)程中傾斜儀準(zhǔn)確檢測(cè)船體傾斜角度。為了確保傾斜儀的正確工作，需要用掃平儀進(jìn)行檢校。船體調(diào)平的具體流程如圖2所示。

圖2 船體傾斜儀修正流程Fig.2 Hull tiltmeter correction process

當(dāng)船體調(diào)平后，如果傾斜儀檢測(cè)界面顯示傾斜，對(duì)其歸零處置。

通過(guò)上述作業(yè)，保證了整平船船體水平和傾斜儀的正常工作，從而使得拋石管在下放過(guò)程中處于自然垂直狀態(tài)，避免了與夾緊裝置之間的摩擦力過(guò)大而對(duì)設(shè)備造成損傷。同時(shí)，船體水平也會(huì)減少整平作業(yè)時(shí)的水平軌道撓度，提高碎石壟的整平精度。

2.3 油缸系統(tǒng)修正

拋石管頭部是固定的主管和可以伸縮的平衡管，通過(guò)4根平衡油缸共同作用可以調(diào)節(jié)平衡管的伸出長(zhǎng)度（可達(dá)1.2 m），以滿(mǎn)足拋石鋪設(shè)標(biāo)高的精調(diào)要求。

在拋石管正下方設(shè)置激光測(cè)距儀，先測(cè)出油缸的初始位置，然后控制油缸伸出一定距離，并記錄每一次伸出的距離（圖3）。對(duì)比系統(tǒng)顯示的伸長(zhǎng)量和實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量，如果超出要求范圍，對(duì)油缸進(jìn)行改正值修正，確保油缸伸出量的系統(tǒng)顯示值與實(shí)測(cè)值一致。

圖3 油缸系統(tǒng)修正示意圖Fig.3 Revision diagram of oil cylinder system correction

3 施工過(guò)程監(jiān)控技術(shù)

3.1 拋石管傾斜監(jiān)控

造成拋石管傾斜的因素有很多，主要包括海水流速過(guò)大引起的拋石管的傾斜；在施工過(guò)程中拋石管底部和碎石之間的摩擦力引起的拋石管傾斜，大小車(chē)的行走速度過(guò)快引起的拋石管傾斜。為減小拋石管傾斜帶來(lái)的控制誤差，可采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)降低拋石管傾斜度。

對(duì)于拋石管底部摩擦而可能造成的拋石管傾斜，可以通過(guò)改變投入管內(nèi)的石料高度來(lái)降低拋石管傾斜。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，拋石管內(nèi)石料高度在6～8 m時(shí)能顯著降低拋石管傾斜度。除此之外，可以通過(guò)調(diào)整施工速度（臺(tái)車(chē)行走速度）來(lái)有效控制傾斜。施工時(shí)，整平船臺(tái)車(chē)以0.8～1.0 m/min的速度施工就能夠形成精度高的墊層，可控制拋石管的傾斜。

3.2 船體撓度監(jiān)控

整平船船體在大、小車(chē)行走等因素的影響下，會(huì)產(chǎn)生撓度，影響基床整平精度。

船體撓度的變化可以根據(jù)簡(jiǎn)支梁撓度計(jì)算公式做簡(jiǎn)單計(jì)算。以大車(chē)作用在船體鋼軌上的外力為固定荷載，跨中一個(gè)集中荷載下的最大撓度在梁的跨中，撓度計(jì)算公式為：

式中：W為梁的最大撓度，mm；F為梁跨中受力，kN；L為梁長(zhǎng)度，m；E為鋼的彈性模量，E=2 100 000 N/mm2；I為梁的截面慣矩，mm4。

將整平船的對(duì)應(yīng)數(shù)值代入公式，計(jì)算出船體撓度為50.7 mm。同樣，大車(chē)本身的撓度為22.4 mm，兩者相加為73.1 mm。

通過(guò)整平設(shè)備管理系統(tǒng)對(duì)船體撓度監(jiān)控，然后調(diào)整刮刀箱上液壓油缸的伸縮量可以消除此影響，當(dāng)高程變化超過(guò)5 mm時(shí)進(jìn)行調(diào)整，可以有效控制碎石壟面的平整度。

3.3 GPS信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

港珠澳大橋位于低緯度地區(qū)[4]，電離層對(duì)GPS測(cè)量精度影響很大。為了保證測(cè)量精度，整平船在施工過(guò)程中對(duì)GPS信號(hào)質(zhì)量也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)在GPS參考站附近的加密控制點(diǎn)上架設(shè)RTK流動(dòng)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)GPS信號(hào)質(zhì)量，整平設(shè)備管理系統(tǒng)自身也對(duì)GPS信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。

除此之外，在施工現(xiàn)場(chǎng)整平期間，通過(guò)空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心，得到了具體的TEC數(shù)據(jù)變化曲線圖。通過(guò)預(yù)報(bào)中心提供的數(shù)據(jù)，也可以看出在電磁波暴的活躍時(shí)間段，電磁波波動(dòng)比較大，對(duì)GPS定位精度產(chǎn)生的影響也最為顯著。要有效避開(kāi)GPS信號(hào)質(zhì)量較差的時(shí)間段，來(lái)避免測(cè)量精度損失。

3.4 聲吶系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋

測(cè)量整平成型的精密聲吶的精度是（±0.03 m+H/1 000），電子分解能是±0.01 m。對(duì)于測(cè)量距離變化引起的誤差，通過(guò)將測(cè)深距離限定在1.5～2.7 m之間來(lái)保證精度。同時(shí)采用兩套聲吶系統(tǒng)，測(cè)量聲吶和修正聲吶，修正聲速來(lái)彌補(bǔ)水密度變化引起的測(cè)量誤差。經(jīng)過(guò)修正后的聲吶精度可以達(dá)到±10 mm以?xún)?nèi)。

3.5 深水深槽流速監(jiān)控

港珠澳大橋施工區(qū)域的海流既受周邊島嶼與地形的制約，又受伶仃洋下泄流及桂山島西面水域上溯流及大濠水道上溯流的影響，其海流的變化非常復(fù)雜。在此環(huán)境中開(kāi)挖的基槽，槽內(nèi)海流變化更加復(fù)雜。

在整平船上安裝使用挪威NORTEK公司的闊龍400 kHz聲學(xué)多普勒流速剖面儀，最大測(cè)量剖面60～90 m，測(cè)量范圍10 m/s，測(cè)量準(zhǔn)確度為示值的±1%±0.5 cm/s。流速儀能夠?qū)ι钏酆Ａ鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以避免因流速過(guò)大時(shí)施工造成拋石管前端的水流沖擊。

4 技術(shù)應(yīng)用成果

港珠澳大橋島隧工程共計(jì)完成33個(gè)管節(jié)的碎石基床鋪設(shè)工作，其精度完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求[5]，沉管安裝施工質(zhì)量合格，沒(méi)有出現(xiàn)基礎(chǔ)質(zhì)量問(wèn)題。由于數(shù)據(jù)較多，這里僅列出1個(gè)管節(jié)驗(yàn)收數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明（見(jiàn)表1）。

表1 某管節(jié)碎石壟整平驗(yàn)收數(shù)據(jù)Table1 Leveling acceptance data of a tube section lithotripsy

通過(guò)表1可知90.62%以上的點(diǎn)均落在±20 mm誤差范圍以?xún)?nèi)，整平精度完全可以達(dá)到±40 mm[6]的質(zhì)量控制要求。

管節(jié)安裝后與貫通測(cè)量的高程最大偏差值為-3.3 mm，最小偏差-3.2 mm，由此可以反映出碎石基床整平的高精度。

5 結(jié)語(yǔ)

外海沉管隧道碎石基床高精度控制技術(shù)，其自動(dòng)化程度高，在深水離岸情況下鋪設(shè)精度高，施工效率高，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步。

面對(duì)現(xiàn)代沉管技術(shù)高質(zhì)量、高精度要求不斷提高的趨勢(shì)，施工技術(shù)、自動(dòng)化、智能化的程度不斷提高，這將從整體上提高我國(guó)水工領(lǐng)域施工質(zhì)量及施工效率，對(duì)我國(guó)的水運(yùn)工程建設(shè)和大型跨海通道建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。