深中通道西人工島大直徑鋼圓筒拆除施工技術

岳遠征，柳陽，李文祥，鄭偉濤

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

深中通道西人工島島壁采用大直徑鋼圓筒及副格圍護結(jié)構形式，鋼圓筒及副格之間通過寬榫槽連接。為提供首節(jié)沉管與島上暗埋隧道對接條件，島隧結(jié)合部二次止水體系施工完成并經(jīng)過檢驗后，拆除島頭X03—X07號鋼圓筒及兩側(cè)副格[1-2]，見圖1。待拆除的鋼圓筒頂標高+3.0 m，嵌入海床面約24 m，筒體直徑28 m，筒壁厚19 mm，Q345B材質(zhì)；鋼圓筒頂部1 m范圍內(nèi)板厚25 mm，單個圓筒共計48道T肋，副格鋼板厚14 mm，設置11道T肋[3]，如圖2所示。

圖1 島隧結(jié)合部平面位置圖Fig.1 Location plan of island tunnel junction

圖2 鋼圓筒及副格結(jié)構圖Fig.2 Structure drawing of steel cylinder and sub grid

鋼圓筒內(nèi)填充中粗砂，并在后續(xù)依次施打排水板進行筒內(nèi)軟基處理和施工高壓旋噴樁進行隧道地基處理。筒體拆除標高范圍以上包含高壓旋噴樁返漿水泥塊及部分排水板遺留。

2 施工工況分析

鋼圓筒拆除施工共分為筒內(nèi)挖砂、水下切割以及鋼圓筒吊運3個作業(yè)工序。結(jié)合各施工工序，針對4種工況進行應力及結(jié)構變形分析。具體為：

工況一：鋼圓筒開挖至-3 m。

工況二：打開鋼圓筒，確保圓筒及副格內(nèi)水位與海平面相通，筒內(nèi)挖砂至設計標高；其中X03、X07號鋼圓筒開挖至-12 m，剩余筒體開挖至-16 m。

工況三：鋼圓筒及副格整體切割至設計標高，其中X03、X07鋼圓筒切割至-11 m，剩余筒體切割至-15 m；筒壁切割完成后，保留吊點位置的豎肋及副格頂部1.5 m位置不切割，豎肋保留數(shù)量為8根，同時豎肋兩側(cè)各保留1 m寬鋼圓筒筒壁不切割。

工況四：鋼圓筒及兩側(cè)副格按照8點吊形式，分組進行起吊。

鋼圓筒拆除作業(yè)集中在12月至翌年2月期間，施工地處珠江口伶仃洋，受人工島島形及自然條件等影響，鋼圓筒拆除過程中，受波浪力、水流力、風荷載、靜水壓力共同作用[4]，受力工況復雜。為此，將鋼圓筒及副格倉平面簡化為矩形平面，通過有效分布寬度將岸壁簡化為懸臂梁進行分析計算，計算采用模型如圖3所示。計算時均按正面迎水、迎風、迎浪的不利情況考慮[5]。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model diagram

2.1 波浪力

施工海域全年以風浪為主，涌浪少見；海域較大波浪主要是由臺風引起，年平均波高為0.2 m，年平均周期為3.1 s；結(jié)合西人工島2 a重現(xiàn)期分析，11月至翌年2月期間，以NE向、N向、NW向波為正常施工工況的波浪，以NNW向為強浪向[5]。波高玫瑰圖見圖4。

圖4 波高玫瑰圖Fig.4 Wave height rose map

2.2 水流力

對西人工島島隧結(jié)合部在大潮和小潮漲潮和落潮期間特征流場進行數(shù)值模擬[5]，并綜合現(xiàn)場實測流速，待拆除鋼圓筒在各時間段的流速分布范圍如下：

1）大潮漲潮和落潮期間，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范圍為0.3～0.9 m/s。

2）小潮漲潮和落潮期間，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范圍為0.3～0.8 m/s。

作用于筒壁上的水流力標準值計算結(jié)果見表1。

表1 水流力標準值計算結(jié)果Table 1 Calculation results of flow force standard value

2.3 風荷載

按圍護結(jié)構計算鋼圓筒水面以上部分承受的風荷載標準值[5]，計算結(jié)果見表2。

表2 風荷載標準值計算結(jié)果Table 2 Calculation results of standard value of wind load

2.4 靜水壓力

根據(jù)水文資料，設計高水位取1.89 m。靜水壓力引起的單位寬度彎矩標準值為199.76 kN·m/m；T肋間距寬度彎矩標準值為549.11 kN·m[5]。

3 施工情況

3.1 工藝流程

鋼圓筒拆除是對整體圍堰結(jié)構的破壞，拆除前對島隧結(jié)合部二次止水體系與待拆除鋼圓筒之間區(qū)域進行回水，驗證二次止水體系止水效果并確保鋼圓筒內(nèi)外側(cè)水頭基本持平[4]。施工流程見圖5。

圖5 施工流程圖Fig.5 Construction process

3.2 開挖及切割標高

鋼圓筒內(nèi)開挖及水下切割標高以沉管底標高進行推算，其中X04、X05、X06三組開挖標高為-16 m，切割標高為-15 m，兩側(cè)X03、X07兩組開挖標高-12 m，切割標高為-11 m。

3.3 拆除順序制定

結(jié)合西人工島海域相關波浪、潮汐資料，落潮流對鋼圓筒穩(wěn)定性有較大影響。施工水域漲落潮時，受島體阻水影響在島頭形成繞流，位于中間的X05號鋼圓筒與水流流向基本平行，兩側(cè)鋼圓筒的遮擋能夠有效降低島隧結(jié)合部的回淤量及水流沖擊作用，故首先拆除X05號鋼圓筒；同時，優(yōu)先拆除落潮流下游X04、X05鋼圓筒，北側(cè)X06、X07鋼圓筒其后拆除，可略微減弱已切割但尚未吊離鋼圓筒所受的波浪力及動水壓力。因此，最終確定鋼圓筒施工拆除順序為X05→X04→X06→X07→X03。以上鋼圓筒按照流水作業(yè)進行拆除作業(yè)，并適當壓縮流水步距，避免已切除的鋼圓筒長時間擱置形成安全隱患。

3.4 鋼圓筒工況分析及穩(wěn)定性驗算

在鋼圓筒拆除過程中受多種作用力耦合，不同施工狀況下，鋼圓筒整體受力情況各不相同。筒內(nèi)開挖階段，內(nèi)部砂土標高下降，自身抗傾覆能力下降。水下切割階段破壞鋼結(jié)構完整性，造成自身應力傳遞不均，易發(fā)生應力集中，進而造成局部變形失穩(wěn)。另外，吊裝拆除期間，吊裝方式及吊點選擇極為重要，控制吊索具與鉛垂方向夾角，可防止水平拉應力過大造成筒體橢圓度變化過大，避免喪失結(jié)構整體性。因而，需通過對施工各階段進行理論分析，評估施工各階段鋼圓筒受力情況。主要進行以下工況受力穩(wěn)定性驗算，見表3。

表3 各階段受力組合及驗算結(jié)果Table 3 Stress combination and checking results of each stage

4 施工技術保障措施

根據(jù)理論計算結(jié)果，針對各工況下所存在的安全風險，制定相應的技術保障措施，以確保施工過程安全順利進行。

4.1 筒內(nèi)開挖技術

鋼圓筒拆除作業(yè)前首先需對筒內(nèi)砂進行挖除。開挖作業(yè)采取分段作業(yè)方式[4]，第一段采用陸上干法開挖，利用挖掘機開挖，自卸車出運。結(jié)合穩(wěn)定性驗算結(jié)果，該階段開挖深度不超過6.1 m。干法開挖階段同步進行鋼結(jié)構銹蝕情況的評估，并對筒體制作階段保留的吊耳進行加固。

第二段開挖采用大型抓斗船開挖至設計底標高。為防止靜水壓力過大造成筒體變形，開挖前將圓筒內(nèi)外聯(lián)通，保持內(nèi)外水壓力一致。副格倉最大寬度不足10 m，最小寬度僅為2 m，選用伸縮臂蚌式液壓抓斗挖機進行垂直開挖，并對前期施工的高壓旋噴樁樁頭進行破碎。該階段開挖為水下切割前置工序，結(jié)合潛水人員水下檢查筒壁情況，在滿足開挖水深的基礎上，利用抓斗有針對性的敲擊圓筒筒壁，震落粘結(jié)的砂土、水泥塊，方便后續(xù)切割并防止切割過程中掉落傷人。

4.2 鋼圓筒及副格水下切割技術

鋼圓筒拆除穩(wěn)定性驗算工況中，水下切割階段使鋼圓筒由完整結(jié)構發(fā)展為不完整結(jié)構，易發(fā)生不均勻變形或破壞。根據(jù)計算結(jié)果，施工過程中以風速≤13.6 m/s（6級），波高H13%≤0.7 m，流速≤0.9 m/s等氣象指標作為作業(yè)許可標準。同時嚴格控制切割標高、預留結(jié)構尺寸及數(shù)量。為降低起吊作業(yè)安全風險，水下切割階段遵守以下作業(yè)要點：

1）清楚預留部分結(jié)構位置，嚴禁超割或者欠割。

2)測定圓筒頂面標高，測繩懸吊弧形標尺確定切割標高，保證切割標高及割縫順直度。

3）切割前清理割縫內(nèi)外筒壁黏著物，避免切割鐵水回流粘連，并用薄鐵片進行貫通檢查。

4）整體割縫呈環(huán)形，切割作業(yè)對稱進行，且均勻分組分段作業(yè)，避免視線不明重復切割。

未開挖前大直徑鋼圓筒處于多種外力共同作用下，外海一側(cè)受力要大于島內(nèi)側(cè)，鋼圓筒內(nèi)的回填砂類似有一定剛度的彈簧，吸取部分變形[6]。而在開挖作業(yè)期間，圓筒內(nèi)土體高度下降，開挖高度范圍內(nèi)圓筒變形持續(xù)發(fā)生，因而切割期間嚴格按照穩(wěn)定性驗算結(jié)果進行預防傾覆的結(jié)構預留，待圓筒起吊前司索完畢后再行切除。

4.3 水上吊裝技術

鋼圓筒水上吊裝依照風速、水位及流速等氣象條件進行作業(yè)窗口規(guī)劃，結(jié)合當日的潮汐情況一般選擇在平潮期進行吊裝。

起吊作業(yè)各細部工序需保證連貫完成，并嚴格按照鋼圓筒穩(wěn)定性驗算結(jié)果準確布置吊索具。吊索具布置完成后，起重船豎向施加提升力拉直鋼絲繩，但不對鋼圓筒施加提升力。潛水人員水下完成預留防傾覆T肋切割。切割順序自內(nèi)而外，最后切割海側(cè)預留T形肋。過程中仔細檢查割縫，避免發(fā)生粘連。

待拆除鋼圓筒單組吊重約380 t，起吊吊點采用制作時自帶吊點，每個吊點計算承受荷載1 000 kN。結(jié)合每組鋼圓筒的重量，吊裝方式采用8點同步起吊，采用具有兩主鉤、兩副鉤大型起重船進行作業(yè)。其中，兩主副鉤各系掛直徑86 mm，長25 m的鋼絲繩共8根，用120 t卸扣與鋼圓筒相鄰8個吊點連接。司索布置如圖6所示。

圖6 司索布置圖Fig.6 Cable layout

通過對吊點起吊時所受的拉應力、剪應力及T形肋所受的正應力和剪應力的計算復核得出[7]，吊索具與鉛垂方向的夾角不超過15°，確保在起吊轉(zhuǎn)運的過程中鋼圓筒不發(fā)生變形。

起吊過程中按照起重作業(yè)相關規(guī)程，采取試吊校驗設備運行狀態(tài)。正式起吊后，逐級加載，施加起重力至理論吊重。無法起吊后繼續(xù)施加起重力，但不超出理論吊重的10%。仍無法起吊則逐級降低起重力，由潛水人員檢查割縫粘連情況，確認割縫貫通后再次嘗試起吊。起吊作業(yè)過程中，起重船施加豎向提升力，禁止越鉤及偏心起吊，主副鉤同時提升，起吊出水后，絞錨移船至安全距離后開啟動力吊運至指定地點。

5 結(jié)語

大直徑薄壁筒體海上拆除作業(yè)在國內(nèi)的相關施工經(jīng)驗較少。深中通道西人工島島壁結(jié)構鋼圓筒直徑大，受島體形狀及自然條件影響，拆除作業(yè)筒體受力工況復雜，且對周邊已施工的現(xiàn)澆隧道構成較大安全風險。通過簡化受力模型，分解受力工況，對鋼圓筒拆除全過程安全風險較高的階段進行受力分析，并制定有針對性的技術安全措施，有效保障了工程安全順利推進，可為類似工程提供參考。