沉管隧道基礎(chǔ)拋石夯平裝備與施工技術(shù)

付院平，黃濤，李家林，鄒春曉，劉兆權(quán)

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

港珠澳大橋沉管隧道位于珠江口外伶仃海域，隧道基礎(chǔ)拋石夯平分布區(qū)域分別為：1）東西島島頭3個(gè)鋼圓筒切割后砂面標(biāo)高-16.0 m，在此標(biāo)高之上拋填塊石并夯平；2）過(guò)渡段非堆載區(qū)范圍清除隆起后，拋填塊石并夯平；3）天然地基段基槽開(kāi)挖后，拋填塊石并夯平[1]。施工區(qū)域圖見(jiàn)圖1。

過(guò)渡段非堆載區(qū)清除拱起淤泥至沉管底部以下3.3 m后，拋填10耀100 kg塊石達(dá)2.0 m厚并水下夯平；天然地基段一般區(qū)段拋填塊石達(dá)2.0 m厚水下夯平，部分管節(jié)局部軟土層較厚及與擠密砂樁處置區(qū)銜接的區(qū)段增加夯填塊石厚度至3.5 m；總拋石夯平量達(dá)47萬(wàn)m3，夯平面積約27萬(wàn)m2，最大夯平水深-47 m。

圖1 拋石夯平施工區(qū)域圖Fig.1 Construction area map of riprap tamping

2 施工特點(diǎn)

港珠澳大橋沉管隧道為我國(guó)首條外海、深水、深埋沉管隧道，施工水域通航環(huán)境復(fù)雜，航線交錯(cuò)、流量大，安全管理難度大，穿越中華白海豚保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求嚴(yán)格，隧道基礎(chǔ)拋石夯平施工具有以下特點(diǎn)：

1）施工難度大，施工精度要求高。工程地處外海，氣象水文條件復(fù)雜，拋填完成后進(jìn)行夯平密實(shí)，夯平后精度要求達(dá)到300 mm，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循，且由于部分隧道基礎(chǔ)帶有坡度，拋石標(biāo)高控制及夯平后檢測(cè)要求很高。

2）工期緊、工程量大。隧道基礎(chǔ)拋石量約47萬(wàn)m3，夯平面積約27萬(wàn)m2。

3）安全管理難度大。工程水域通航環(huán)境復(fù)雜，航線交錯(cuò)，流量大，航道區(qū)域基槽縱橫向交錯(cuò)，水流情況復(fù)雜，給施工船舶停靠駐位增加難度，基礎(chǔ)塊石拋填夯平歷時(shí)較長(zhǎng)，分區(qū)域交替作業(yè)，且沉管隧道位于主航道及臨時(shí)航道相互緊臨并多次轉(zhuǎn)換，夯平作業(yè)需要盡量減少作業(yè)船舶及壓縮作業(yè)時(shí)間。

4）施工水域處于白海豚保護(hù)區(qū)核心區(qū)和緩沖區(qū)，保護(hù)工作壓力大。島隧工程處于中華白海豚保護(hù)區(qū)核心區(qū)和緩沖區(qū)，對(duì)白海豚保護(hù)提出了諸如瞭望觀察、監(jiān)視、噪音及水污染監(jiān)測(cè)與控制等要求。

3 地質(zhì)條件

沉管隧道基礎(chǔ)勘探深度內(nèi)的地層主要為第四系覆蓋層，由燕山期花崗巖、震旦系混合片巖及混合花崗巖等基巖風(fēng)化層組成。

第四系覆蓋層（Q）：上部為全新統(tǒng)耀更新統(tǒng)海相、陸相、河流相、海陸交互相沉積層，直接覆蓋于不同巖性的剝蝕面上，其厚度受基巖面標(biāo)高及海平面侵蝕深度控制。

4 施工水域

沉管隧道基礎(chǔ)施工水域以隧道軸線為中心南北各寬500 m，東西方向以兩島之間為5 700 m。1號(hào)臨時(shí)錨地長(zhǎng)2 000 m，寬1 500 m；2號(hào)臨時(shí)錨地長(zhǎng)2 100 m，寬800 m。

在E11耀E14管節(jié)施工時(shí)，施工船舶在海事核準(zhǔn)的區(qū)域范圍內(nèi)施工。劃定專用區(qū)域用于施工船舶臨時(shí)停泊，不能阻塞、防礙航道航行安全，同時(shí)有2艘警戒船護(hù)航警戒，防止與施工無(wú)關(guān)船舶進(jìn)入施工區(qū)域。

5 拋石夯平裝備

5.1 船舶選型

根據(jù)工程特點(diǎn)進(jìn)行施工船舶選型，沉管隧道基礎(chǔ)拋石夯平最大寬度54 m，根據(jù)工程技術(shù)要求，船舶還需具有備料和儲(chǔ)料能力。綜合考慮基槽寬度及載重備料要求，經(jīng)比選，上海振華重工振駁28號(hào)船舶性能能夠滿足施工需求并可作為拋石夯平施工定位船舶，其性能見(jiàn)表1。

表1 船舶性能表Table 1 Ship performance table

5.2 船舶改造

針對(duì)工程超水深、變水深、大徑流、高精度等施工特點(diǎn)，為克服水流對(duì)拋石精度的影響，需對(duì)船舶進(jìn)行改造，并研發(fā)新的拋石工藝和裝備[2-3]以滿足拋石精度要求。

溜管下料是通過(guò)設(shè)置在滑移臺(tái)車(chē)上的溜管進(jìn)行精確拋石的新型工藝，該工藝可以保證塊石不受水流影響，確保下料位置的準(zhǔn)確性，溜管通過(guò)臺(tái)車(chē)可進(jìn)行移動(dòng)定位，做到定點(diǎn)定量拋填；溜管可進(jìn)行不同高度的調(diào)節(jié)，能夠滿足不同水深變化要求，并滿足防風(fēng)防臺(tái)要求；拋石裝備同時(shí)具有塊石夯平功能。

為滿足16耀46 m水深變化要求，溜管由4節(jié)套管（大管套小管）連接組成，第一節(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；溜管行走小車(chē)兩側(cè)設(shè)置卷?yè)P(yáng)機(jī)，可通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)自由提升溜管；利用卷?yè)P(yáng)牽引小車(chē)，可實(shí)現(xiàn)溜管在軌道上自由行走；為保證塊石在溜管中順利下落，管體水下部分設(shè)置泄水孔，船舶改造布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 船舶改造布置圖Fig.2 Ship renovation layout

5.3 夯平設(shè)備

夯平施工設(shè)備采用美國(guó)APE600液壓振動(dòng)錘系統(tǒng)，利用振動(dòng)錘產(chǎn)生的激振力夯平塊石基床。APE600液壓馬達(dá)排量250 cm3、額定壓力35 MPa（350 bar）、額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，偏心力矩230 kg·m、振動(dòng)頻率 23.33 Hz（1 400 cpm）（無(wú)級(jí)變速）、最大振幅14.8 mm、最大激振力4 948.3 kN、最大下潛工作深度47 m。液壓振動(dòng)錘與夯板連接，夯板重量約80 t，尺寸為4 m伊5 m，設(shè)有泄水孔。為了減少夯板的橫向移動(dòng)，在夯板下部加裝11個(gè)“齒”形結(jié)構(gòu)，液壓振動(dòng)錘系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

5.4 控制系統(tǒng)

1）平面控制。在船體兩側(cè)架設(shè)2臺(tái)GPS流動(dòng)站，可對(duì)船體進(jìn)行平面定位，利用測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車(chē)移動(dòng)情況并傳輸至測(cè)量控制室，根據(jù)固定的船體參數(shù)反算得出小車(chē)的平面位置。

2）高程控制。根據(jù)小車(chē)和GPS的相對(duì)位置，可測(cè)算出小車(chē)固定位置與GPS的高差。利用測(cè)繩計(jì)量方式可測(cè)算拋石小車(chē)與溜管底口的高差及夯平小車(chē)與夯板底面的高差。

圖3 液壓振動(dòng)錘系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic vibration hammer system

5.5 測(cè)量管理系統(tǒng)

為滿足塊石拋填和夯平施工定位管理一體化的需求，對(duì)測(cè)量定位管理系統(tǒng)進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)量管理可視界面見(jiàn)圖4。

圖4 測(cè)控可視界面Fig.4 Measuring and control visual interface

6 施工技術(shù)

6.1 船舶駐位

拋石與夯平作業(yè)時(shí)，振駁28號(hào)橫跨基槽順流駐位，在施工管理系統(tǒng)的指令操作下，軸向通過(guò)移船、橫向通過(guò)小車(chē)在軌道上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量拋石與夯平。

6.2 施工定位

根據(jù)施工區(qū)域特點(diǎn)提前繪制拋石基線及網(wǎng)格圖，在測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)定施工基線參數(shù)，拋石船根據(jù)測(cè)量管理系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行移船定位。

6.3 溜管下放

拋石溜管小車(chē)精確定位到指定基線后，下放溜管。根據(jù)基槽設(shè)計(jì)底標(biāo)高反算拋石頂標(biāo)高，并根據(jù)拋石頂標(biāo)高控制溜管下落高度。初步設(shè)定溜管底口至基底為3.5 m，根據(jù)實(shí)際施工要求再做適當(dāng)調(diào)整。溜管距管底口1 m處設(shè)有測(cè)深傳感器，在溜管下放過(guò)程中，測(cè)量人員實(shí)時(shí)上報(bào)傳感器測(cè)深數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器顯示水深數(shù)據(jù)為4.5 m時(shí)，溜管停止下放[4]。

6.4 拋填塊石

溜管設(shè)置完成后，向溜管小車(chē)喂料并估算每個(gè)點(diǎn)位的拋石量，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水下塊石標(biāo)高的變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)估算的拋石量和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)拋石施工。

6.5 標(biāo)高控制

根據(jù)工程特點(diǎn)及工序之間的銜接，以“寧低勿高”-則指導(dǎo)塊石拋填施工，在拋填過(guò)程中，利用測(cè)量管理系統(tǒng)對(duì)溜管周?chē)鷫K石標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行比較，達(dá)到要求后進(jìn)行下一點(diǎn)位的拋填[5-7]。

6.6 夯平施工

控制卷?yè)P(yáng)機(jī)下放夯板，根據(jù)卷?yè)P(yáng)機(jī)出繩長(zhǎng)度計(jì)量功能控制卷?yè)P(yáng)機(jī)行程以及夯沉量，當(dāng)夯板下放至塊石頂時(shí)停止下放，復(fù)測(cè)無(wú)誤后夯沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6.7 夯平軌跡及搭接量

塊石夯平時(shí)應(yīng)分段實(shí)施，每層夯平后的厚度不宜大于2 m，相鄰斷面和相鄰夯點(diǎn)之間搭接量1 m，以確保夯平作業(yè)覆蓋整個(gè)拋石區(qū)域。

7 防臺(tái)措施

施工前做好詳細(xì)的安全措施，做好防臺(tái)防突風(fēng)預(yù)案。風(fēng)浪大于7級(jí)時(shí)停止作業(yè)，8級(jí)風(fēng)以上施工船舶駛離施工地點(diǎn)到指定避風(fēng)場(chǎng)所；拖航時(shí)溜管應(yīng)提升并橫跨至船舷并加固，振動(dòng)錘提升并鎖固，小車(chē)與軌道位置鎖死。

8 工效分析

施工運(yùn)輸自航駁每次可裝載塊石2 000 m3，往返至料場(chǎng)需14 h，等待及裝載塊石需10 h，塊石拋填2 d區(qū)域可供夯平施工1 d，塊石拋填和夯平綜合分析每天可以完成1 500 m3?；蹝伿黄绞┕び?jì)劃投入1艘拋石船，2艘塊石運(yùn)輸自航駁、6臺(tái)挖掘機(jī)，平均每15 d可以完成1個(gè)管節(jié)（長(zhǎng)度180 m）的拋石夯平施工，能夠滿足基槽拋石夯平施工進(jìn)度計(jì)劃要求[8]。

9 結(jié)語(yǔ)

港珠澳大橋沉管隧道是世界唯一深埋沉管隧道，采用溜管與APE600液壓振動(dòng)錘結(jié)合拋填夯平施工技術(shù)屬世界首例。歷經(jīng)1 291 d日夜奮戰(zhàn)，于2016年1月25日?qǐng)A滿完成隧道基礎(chǔ)拋石夯平作業(yè)，為超級(jí)工程打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為類(lèi)似工程提供了施工借鑒。