超大型沉管壓載水系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

李家林，林凡剛，劉永軍，李有志

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

沉管隧道是將預(yù)制好的管節(jié)浮運安裝到海底基槽碎石墊層上，依次連接固定后進行覆蓋回填，再將管節(jié)內(nèi)壓載水排出而貫通的隧道形式，具有工期短、抗震能力強、水密性好、適應(yīng)水深范圍大、成本低等諸多優(yōu)點；同時，因沉管體積大且水下安裝，面臨浮運難度大、現(xiàn)場施工復(fù)雜、姿態(tài)不易控制以及管內(nèi)與船上電力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎T多技術(shù)難題[1]。

1 工程概況

港珠澳大橋為橋、島、隧集成的超級工程，其中沉管隧道穿越伶仃西航道和銅鼓航道段，由33節(jié)沉管組成，采用節(jié)段式半剛性管節(jié)，全長5 664 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長180 m，重約8萬t，最大沉放水深46 m。

沉管隧道地處外伶仃水域，呈NNW—SSE方向喇叭形入?？?，匯集珠江入海的虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門4個口門徑流，為珠江主要出入?？诤妥畲蟮暮涌跒常匦魏退畡恿l件特別復(fù)雜，且航道交叉，為最繁雜的黃金航道，也是海上交通安全事故頻發(fā)的敏感海域。

面對復(fù)雜多變的施工條件，在管節(jié)沉放與水力壓接期間按1.01耀1.05抗浮系數(shù)進行目標(biāo)壓載量計算，同時對管節(jié)進行姿態(tài)監(jiān)測以及接合腔拉合壓力和流量監(jiān)測；在安裝過程中管節(jié)姿態(tài)出現(xiàn)異常情況會造成管節(jié)無法繼續(xù)安裝，需將正在沉放的管節(jié)進行起浮作業(yè)；基于以上工程施工特點研發(fā)的壓載水控制系統(tǒng)對整個工程施工過程起著關(guān)鍵性作用。

2 壓載水系統(tǒng)

主要由壓載水箱、壓載管系與閥門遙控、壓載水泵、液位遙測、測控柜及控制終端組成，用于管節(jié)起浮、系泊和沉放安裝時進行壓重控制，調(diào)節(jié)壓載水箱的水量，以實現(xiàn)管節(jié)浮運時干舷調(diào)節(jié)、管節(jié)助沉、管節(jié)壓載等功能。

2.1 沉管內(nèi)壓載水系統(tǒng)布置

管節(jié)內(nèi)部設(shè)壓載水箱、給排水管系、壓載水泵和閥門遙控等。6個壓載水箱設(shè)于2個車行道內(nèi)，其中中間2個位于管節(jié)中心，兩側(cè)4個位于主吊點下方；2套揚程55 m、排量600 m3/h、轉(zhuǎn)速1 450 r/min、功率160 kW的300CLS-580A型壓載水泵可互為備用；壓載水總管管徑為DN600、1套組合控制柜和閥組、測量傳感器、電動遙控閥、CCTV網(wǎng)絡(luò)攝像機、照明配電箱、4芯動力電纜水下插座、水下光纖插座等設(shè)備。系統(tǒng)布置圖如圖1所示。

圖1 沉管內(nèi)壓載水系統(tǒng)布置圖Fig.1 Layout plan of ballast water system in immersed tube

2.2 閥門遙控系統(tǒng)

由監(jiān)控計算機、測控柜、電液集成式閥門驅(qū)動裝置、閥門、電源、手動應(yīng)急操作裝置組成。監(jiān)控計算機有管路系統(tǒng)模擬界面，可在監(jiān)控計算機上進行所有閥門的開/關(guān)操作，并帶有反饋信號顯示和綜合故障報警，蝶閥驅(qū)動頭配有手動應(yīng)急操作接口，如圖2所示。

圖2 閥門遙控系統(tǒng)原理框圖Fig.2 Principles of valve remote control system

閥門采用對夾式蝶閥，蝶閥與電液集成式閥門驅(qū)動裝置裝配方式，驅(qū)動裝置由油箱、微型液壓泵組、控制閥組、外殼、底板、閥位指示器、控制模塊和液壓驅(qū)動器組成。安裝在閥門元件上通過指令控制電機的轉(zhuǎn)向，改變液壓泵的出油流向，操控閥門開、閉，閥門的開啟、關(guān)閉及開度位置可通過閥位指示器顯示。

2.3 遠程控制系統(tǒng)

系統(tǒng)分為管節(jié)外部與管節(jié)內(nèi)部兩部分，外部控制設(shè)備布置在浮運安裝船上，由主船“津安3”或副船“津安2”控制臺下達工作指令，通過副船“津安2”4根水下組合電纜與管內(nèi)控制系統(tǒng)實現(xiàn)管節(jié)外與水下管節(jié)的供電和通訊聯(lián)系。管內(nèi)控制柜可實現(xiàn)各設(shè)備及傳感器自動數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換并通過水下組合電纜將信號傳輸至操控臺，最終顯示在人機界面上[2-5]。根據(jù)工作要求進行操控臺操作，從而實現(xiàn)管節(jié)壓載與監(jiān)測功能。

2.3.1 主控船

在主船“津安3”設(shè)有主控操作臺，控制室上部設(shè)有無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（AP）、及其配套的天線、PLC組件、MIMIC模擬板、計算機工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機等。主船上可以單獨控制管內(nèi)壓載水系統(tǒng)，也可遙控輔船壓載水操作系統(tǒng)。

2.3.2 副控船

在輔船“津安2”設(shè)有操作控制臺，控制室上部設(shè)有無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（AP）、及其配套的天線、冗余PLC組件、MIMIC模擬板、計算機工作站、網(wǎng)絡(luò)交換機、軟啟動控制柜等，甲板上有水下4芯動力電纜及19芯通訊組合電纜。輔船可以單獨控制壓載水系統(tǒng)，但當(dāng)主船遙控輔船壓載水操作系統(tǒng)時，輔船獨立控制壓載水系統(tǒng)的權(quán)限被取消。

2.3.3 管內(nèi)外通訊及供電

安裝船與水下管節(jié)內(nèi)的供電和通訊聯(lián)系，采用水下主動力電纜（4芯）和組合纜（19芯電纜+4芯光纜）及安裝在端封門上的水下可插拔連接器實現(xiàn)，水下電纜及水下插座為一用一備，為冗余切換的必要組件，保證管節(jié)外和管節(jié)內(nèi)動力及通訊暢通。

2.4 液位測量系統(tǒng)

系統(tǒng)由監(jiān)控計算機、測控柜、液位傳感器、固定座等部分組成。液位測量設(shè)備采用壓力式液位傳感器，測量范圍為0耀10 m，每個水箱安裝1個液位傳感器，采用自帶固定座方式與管節(jié)底板螺栓固定。

2.5 測控柜

閥門操控和液位信號測量等監(jiān)控功能均由PLC完成，采用電液集成式閥門驅(qū)動裝置操控閥門，PLC系統(tǒng)直接給電液集成式閥門驅(qū)動裝置發(fā)出控制信號，并獲取反饋信號；PLC系統(tǒng)與遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過 Profibus總線通訊，通信介質(zhì)為光纖形式；測控柜還對1臺壓載水泵進行信號采集，水泵控制箱提供相應(yīng)的I O接入點，包括水泵啟動、水泵停止、水泵運行狀態(tài)、水泵故障報警信號[6-7]。

2.6 監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控計算機為1臺工控機，在監(jiān)控系統(tǒng)中可觀察各水箱的液位狀態(tài)，根據(jù)需要操控閥門及壓載泵的開閉，進行相關(guān)的壓載作業(yè)。監(jiān)控系統(tǒng)分兩部分，一套為遠程監(jiān)控計算機，裝在安裝船上；一套為就地操作屏，裝在管節(jié)內(nèi)。當(dāng)管節(jié)下沉作業(yè)時，主要在安裝船上監(jiān)控壓載作業(yè)；當(dāng)作業(yè)管節(jié)與相鄰管節(jié)連接成功后，改由在管節(jié)內(nèi)就地監(jiān)控壓載作業(yè)。

2.6.1 監(jiān)控計算機功能

1）閥門遙控：可在計算機上操控13個電液式蝶閥。計算機軟件界面上有MIMIC板，板上設(shè)置用于顯示電動蝶閥打開、關(guān)閉等指示。

2）液位遙測：可在計算機上顯示6個壓載水箱的液位。計算機軟件顯示各個壓載水箱的液位和閥門分布圖，并顯示管節(jié)的縱、橫傾狀態(tài)。

3）水泵控制：遠程啟/?？刂疲@示其運行狀態(tài)、監(jiān)測報警等信息。

4）視頻監(jiān)視：通過視頻攝像頭可以觀察壓載水箱內(nèi)水尺數(shù)據(jù)。

5）懸吊絞車受力監(jiān)控：獲取懸吊絞車受力數(shù)據(jù)，如果懸重超出設(shè)定的允許范圍，壓載水系統(tǒng)將發(fā)出報警信號，并對閥門、泵等設(shè)備進行相應(yīng)的應(yīng)急操作。

6）壓載作業(yè)：根據(jù)作業(yè)要求，按預(yù)定壓載水箱水位，可手動或通過計算設(shè)定程序自動操控閥門，完成管節(jié)壓載水系統(tǒng)的試壓、消除干舷的壓載、下沉壓載、最終加載、排水等作業(yè)環(huán)節(jié)。

2.6.2 與其它系統(tǒng)的信息交互

1）視頻監(jiān)視：通過視頻攝像頭可以觀察壓載水箱內(nèi)的水尺數(shù)據(jù)。

2）測量信息：獲取測量系統(tǒng)內(nèi)的管節(jié)傾斜數(shù)據(jù)，結(jié)合視頻獲取的水尺數(shù)據(jù)進行換算，得出壓載水箱實際的液位數(shù)據(jù)，與傳感器的液位數(shù)據(jù)進行校核。獲取測量的海水密度，進行精確的壓載水計算。

3）懸吊絞車：獲取懸吊絞車的受力數(shù)據(jù)，如果懸重超出設(shè)定的允許范圍，壓載水系統(tǒng)將發(fā)出報警信號，并對閥門、泵等設(shè)備進行相應(yīng)的應(yīng)急操作。

3 壓載水系統(tǒng)應(yīng)用

管節(jié)沉放前，測量管節(jié)首尾兩端-10 m處海水鹽度，確定海水密度，在沉放階段需滿足沉放前干舷消除、加載下沉以及沉放后加載穩(wěn)定，最終階段加載抗浮系數(shù)為1.06[8]。

3.1 壓載需求量計算

1） 消除干舷：1 762 t；2）海水重度變化：779 t；3）最終壓載：4 706 t；4）水箱需總壓載重量：1 762+779+4 706=7 247 t。

3.2 水箱高度計算分析

1）水箱縱向長度按照30 m計算，行車管廊寬度按14.55 m計算；2）水箱壓載量水體高度：7 247/（30伊14.55伊1.016 3伊6）=2.72 m；3）水箱底部殘余水體高度：0.3 m；4）縱坡影響高度：30伊0.03=0.9 m；5）橫向晃動高度：14.55伊tan 6=1.52 m；6）水箱總高為：壓載高度+殘余水體高度+縱坡影響和橫向晃動的大值=2.72+0.3+1.52=4.54 m。

根據(jù)以上計算，按照30 m水箱長度來考慮，水箱的高度應(yīng)該不小于4.54 m。

3.3 管節(jié)壓載水作業(yè)工況及計算

不同海域、不同水深、不同水溫的海水密度有差別，因此在沉管安裝施工海域需對海水密度進行測量，從而計算出目標(biāo)壓載量。系統(tǒng)采用高精度水箱液位測量傳感器及非GINA端端封門3個均勻高差分布的壓力傳感器，得到傳感器信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波處理，然后通過計算得到工作水域平均海水密度。

海水密度界面如圖3所示。

圖3 海水密度界面圖Fig.3 Seawater density interface

3.3.1 管節(jié)澆筑完成后的試壓

通過計算，壓載水總量為7 247伊1.25=9 059 t，壓載時間為9 059/600=15 h。管節(jié)需標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護期為28 d，因此管節(jié)內(nèi)壓載水系統(tǒng)試壓的壓載時間初步計算為15 h，可通過管節(jié)外部壓載泵縮短壓載作業(yè)時間。

3.3.2 消除干舷壓載

沉放開始前，先對壓載水箱加水，達到消除干舷的目的。為控制加載時管節(jié)附加彎矩，消除干舷階段，對6個加載水箱同步加載。消除30 cm干舷壓載量為1 762 t；海水重度變化為779 t；總壓載水量為1 762+779=2 541 t；壓載水箱加水高度為（1 762+779）/（30伊14.55伊1.016 3伊6）=0.955 m；壓載時間為1 h。

3.3.3 下沉壓載

下沉加載階段，為保持管節(jié)下沉過程中穩(wěn)定性，對主吊點下方4個水箱加載，加載抗浮系數(shù)達到1.02。壓載水量1 569 t；加載高度0.884 m；此時中間水箱水位1.255 m；兩側(cè)水箱水位2.139 m；壓載時間為1 569/2 541=0.62 h。

3.3.4 管節(jié)測量

管節(jié)沉放到碎石基床上，通過拉合系統(tǒng)調(diào)整，液壓千斤頂拉合后，需對管節(jié)位置信息進行測量。當(dāng)測量數(shù)據(jù)符合施工要求時，進行管節(jié)最終壓載；若測量數(shù)據(jù)不符合施工要求，需對管節(jié)進行再次定位調(diào)整，此時管節(jié)抗浮系數(shù)為1.02，懸吊絞車可直接對管節(jié)進行提升作業(yè)，必要情況下也可使用壓載泵進行排水作業(yè)。

3.3.5 最終加載

沉放就位并測量確認管節(jié)符合施工要求后，安裝船完成下放定位作業(yè)，斷開與管節(jié)非連接端電纜水下接頭及相關(guān)懸索、橫向/縱向調(diào)整纜索，在已完施工管節(jié)內(nèi)對沉放管節(jié)連接端電纜接頭供電，再對6個壓載水箱進行最后加載，使管節(jié)抗浮安全系數(shù)達到1.06，根據(jù)前面計算，此時壓載水箱總水位為2.72+0.3=3.02 m；壓載水量為180伊424.5伊1.026 5伊0.04=3 138 t；壓載時間為 3 138/2 541=1.23 h；應(yīng)急排水量和時間與壓載過程相似，反向操作。

3.3.6 排水作業(yè)

最終壓載完成后，通過非連接端壓載泵進行排水作業(yè)。壓載水箱總壓載水重量7 247 t；排水時間為7 247/600=12.08 h。

3.4 管內(nèi)姿態(tài)監(jiān)測

管節(jié)沉放對接過程中，需對姿態(tài)進行不斷監(jiān)測與調(diào)整。沉放中若出現(xiàn)較大橫向或縱向傾斜，會造成吊點受力不均而造成設(shè)備故障，同時也可造成壓載水箱內(nèi)壓載水外泄，對管內(nèi)電氣設(shè)備造成損壞。對接過程中若出現(xiàn)較大的傾斜，將直接導(dǎo)致安裝工作失敗。

該系統(tǒng)在管內(nèi)安裝有2臺高精度傾斜儀，傾斜儀數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)接口，讀取管節(jié)傾斜傳感器和絞車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，將管節(jié)姿態(tài)、絞車力矩和沉放繩長度等信息進行圖形顯示，最終通過調(diào)節(jié)沉放纜的收放長度進行姿態(tài)控制。

3.5 壓力及流量監(jiān)測

管節(jié)拉合過程中需控制接合腔內(nèi)壓力，排水階段需對結(jié)合腔內(nèi)壓力變化值速率及排水量進行監(jiān)測，防止GINA側(cè)翻，同時也用于判斷接合腔水力壓接的密封性。

該控制過程在已安管節(jié)利用便攜式電腦對流量計及高精度壓力傳感器進行數(shù)據(jù)讀取。通過排水閥開啟角度控制接合腔內(nèi)壓力值變化速率，并在系統(tǒng)內(nèi)自動生成速率及流量變化曲線，使壓力傳感器壓力值最終與接合腔內(nèi)正常水位壓力值一致，由流量計對排水量進行計量，并對排水量和理論計算排水量進行比較，從而最終完成施工。拉合壓力及流量監(jiān)測界面見圖4。

圖4 拉合壓力及流量監(jiān)測界面Fig.4 Pulling pressure and flow monitoring interface

3.6 管節(jié)起浮

通過人機界面按管節(jié)起浮排水施工工藝流程，逐步點擊界面上的驅(qū)動頭及壓載泵按鈕進行操作，即可實現(xiàn)沉管壓載水箱排水并實現(xiàn)管節(jié)起浮。為保證設(shè)備工作效率與可靠性，管內(nèi)配備2臺功率為160 kW、流量為495 m3/h德國進口壓載泵，該設(shè)備為一用一備冗余設(shè)計，壓載水泵采用軟啟動控制方式，即解決壓載水泵啟動時對副控駁船電站沖擊問題，又滿足主動力水下電纜最大負載電流必須小于水下電纜連接器額定負載要求。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，解決了沉管浮運安裝期間沉放、起浮、姿態(tài)調(diào)整、拉合壓力監(jiān)測等諸多技術(shù)難題，且具有可操作性強、安全系數(shù)高、勞動強度低等優(yōu)點，為在類似工程中應(yīng)用積累了成功技術(shù)經(jīng)驗。該系統(tǒng)冗余設(shè)計大大降低了施工過程中電氣設(shè)備存在的不確定性風(fēng)險，具有極高的推廣與應(yīng)用價值。