超寬超深鋼殼沉管精調(diào)設(shè)備工藝研究及應(yīng)用

王偉，馮海暴，宋神友，董輝

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

深中通道沉管隧道為世界上首次大規(guī)模應(yīng)用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，也是首例特長(zhǎng)雙向八車道海底隧道。隧道全長(zhǎng)6 845 m，沉管段長(zhǎng)5 035 m，由32個(gè)管節(jié)組成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)高10.6 m，寬46 m，長(zhǎng)165 m，重約76 000 t，最大安裝水深約40 m，安裝難度高，施工風(fēng)險(xiǎn)大；管節(jié)接頭位置采用柔性設(shè)計(jì)，由壓縮后的GINA橡膠止水帶止水及適應(yīng)接頭變形。

1.2 精調(diào)系統(tǒng)介紹

本項(xiàng)目沉管水下安裝完成后采用先鋪內(nèi)調(diào)法進(jìn)行管節(jié)水下糾偏。水力壓接完成后，當(dāng)沉管軸線出現(xiàn)偏差需要調(diào)整時(shí)，通過設(shè)在已安沉管對(duì)接端上的糾偏系統(tǒng)頂推待安沉管對(duì)接端邊墻，使得待安沉管尾端實(shí)現(xiàn)糾偏的方法[1-7]。水下先鋪內(nèi)調(diào)法已經(jīng)在港珠澳大橋沉管隧道精調(diào)作業(yè)中得到了充分的驗(yàn)證，首次揭示了先鋪內(nèi)調(diào)法沉管水下軸線調(diào)整過程受力機(jī)理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了50 m水深條件下毫米級(jí)精確調(diào)整。

港珠澳大橋沉管隧道精調(diào)系統(tǒng)主要采用豎向1字形布置方式。精調(diào)鋼構(gòu)架、轉(zhuǎn)動(dòng)梁、錨點(diǎn)等安裝輔助設(shè)施需在一次舾裝作業(yè)區(qū)安裝完成；待沉管水下安裝完成后調(diào)整時(shí)，在沉管兩側(cè)設(shè)置22臺(tái)千斤頂，分為調(diào)位千斤頂和限位千斤頂，精調(diào)設(shè)備重量大、數(shù)量多，過于零散，系統(tǒng)組裝實(shí)施難度大；千斤頂安裝完成后高度為7.5 m，如果出現(xiàn)倒塌，結(jié)合腔內(nèi)作業(yè)人員人身安全威脅大，同時(shí)可能造成管節(jié)的損傷。為深中通道工程研發(fā)的一體式L形精調(diào)系統(tǒng)采用一體式鋁制千斤頂?shù)姆绞?，由鋁合金外框架以及鋁制千斤頂?shù)冉M成，其余部件均采用高強(qiáng)度鋁材，重量輕，強(qiáng)度高。采用快拼式設(shè)計(jì)，可快速拼接和拆開。由10個(gè)液壓千斤頂（單個(gè)千斤頂推力5 000 kN，整體最大推力可達(dá)50 000 kN）、鋁合金托架、豎向限位裝置、可調(diào)節(jié)式龍門吊、安裝輔助工具及泵站控制系統(tǒng)等組成。

2 精調(diào)系統(tǒng)方案選型

深中通道團(tuán)隊(duì)根據(jù)沉管隧道安裝的實(shí)際情況，通過精調(diào)系統(tǒng)能力計(jì)算及技術(shù)需要，研究制定1字形和L形布置方案。并對(duì)兩種布置方案進(jìn)行受力分析[2]與復(fù)核，進(jìn)一步優(yōu)化了L形技術(shù)方案，并擬應(yīng)用于本工程。

2.1 精調(diào)系統(tǒng)能力計(jì)算

本工程按照最大作業(yè)水深-37 m處沉管為糾偏對(duì)象進(jìn)行受力分析計(jì)算，在計(jì)算過程中設(shè)管節(jié)尾端調(diào)整偏差值為50 mm，選取首端為千斤頂頂推端。

2.1.1 主要技術(shù)參數(shù)

沉管總長(zhǎng)Le=165 m，μ為沉管與基床之間的摩擦系數(shù)[8]，根據(jù)拉合作業(yè)過程中的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算出鋼混沉管與碎石基床之間的摩阻力系數(shù)，取值為0.45；f為沉管與基床之間摩擦力；γu為海水密度；Kpu為管節(jié)接頭上部水深；Kpd為管節(jié)接頭底部水深；WGO為管節(jié)承受水壓力的寬度；HGO為管節(jié)承受水壓力的高度；Pm為管節(jié)斷面的平均水壓；P0為橡膠止水帶接頭部位壓縮力；PG為橡膠止水帶平均壓縮力；W為管節(jié)總寬度46 m；WG為寬度方向橡膠止水帶中心距45.27 m。

2.1.2 分析計(jì)算

水深-37 m時(shí)沉管端封門橡膠止水帶輪廓范圍內(nèi)水力壓接后，橡膠止水帶接頭部位壓縮力P0=150 972 kN，橡膠止水帶長(zhǎng)L=108.653 m，橡膠止水帶平均壓縮力PG=1 389.5 kN/m。沉管安裝完成后，橡膠止水帶均勻壓縮狀態(tài)下，各部位受力如圖1所示，壓力值為G上=G下=617.63 kN，GA=GB=137.25 kN。

圖1 橡膠止水帶各部位壓縮受力示意圖Fig.1 Compression force diagram of various parts of rubber water stop

1）安裝限位千斤頂狀態(tài)

在沉管連接端A側(cè)安裝限位千斤頂，并調(diào)節(jié)與沉管鋼端殼充分接觸，在B側(cè)安裝頂推千斤頂，逐漸增加千斤頂推力，使管節(jié)克服摩擦力圍繞軸點(diǎn)做平面運(yùn)動(dòng)。由于安裝限位千斤頂，千斤頂作用點(diǎn)橡膠止水帶只能張開，不能壓縮，故管節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心只能位于該作用點(diǎn)的外側(cè)。各變量的值不變。

沉管連接端A側(cè)限位千斤頂與沉管端部充分接觸，然后再繼續(xù)增加B側(cè)糾偏千斤頂推力，此時(shí)沉管做平面運(yùn)動(dòng)受到基床與管底摩擦力、橡膠止水帶豎向補(bǔ)償力、上下側(cè)水平橡膠止水帶釋放力，由力矩平衡原理得，豎向補(bǔ)償力Pb=61 603.2 kN，摩擦力Pf=14 433.5 kN，止水帶釋放力P釋=42 649 kN。

在管節(jié)精調(diào)時(shí)，千斤頂需要配置25 960 kN的頂推力，按經(jīng)驗(yàn)增加50%計(jì)算得千斤頂推力為38 940 kN，取值為40 000 kN。

2）不安裝限位千斤頂狀態(tài)

在B端千斤頂推力繼續(xù)增加時(shí)，摩擦力方向開始改變，沉管糾偏的橡膠止水帶旋轉(zhuǎn)點(diǎn)需要求?。▓D2），設(shè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)為Zo，位于限位端橡膠止水帶距離為δ處，在沉管糾偏時(shí)，頂推端橡膠止水帶張開量為X，限位端GINA壓縮量為Xo，已知豎向GINA中心間距為45.278 m，頂推千斤頂中心距離豎向GINA中心線為0.659 m。

圖2 沉管糾偏各變量幾何關(guān)系圖Fig.2 Geometric relation diagram of various variables for rectifying deviation of immersed tube

繼續(xù)增加千斤頂推力，根據(jù)水平受力平衡方程得出千斤頂推力為31 090 kN，按經(jīng)驗(yàn)增加30%算得千斤頂推力為40 410 kN，取值為40 000 kN。

根據(jù)兩種計(jì)算方式比對(duì)，單側(cè)千斤頂推力計(jì)算結(jié)果僅相差1 470 kN；考慮到水下作業(yè)的諸多不確定性，精調(diào)系統(tǒng)按照50 000 kN進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 布置方式選擇

通過對(duì)相關(guān)沉管隧道糾偏資料研究、分析，結(jié)合千斤頂結(jié)構(gòu)特性、數(shù)量及現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)1字形與L形方案進(jìn)行對(duì)比分析，兩種方案示意見圖3。

圖3 布置方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of layout scheme

1字形方案：油缸1字形布置，10只油缸在豎向中心線上，總布置高度在5 m范圍。

L形方案：油缸L形布置，其中7只豎向布置，總布置高度在3 m范圍，另外3只水平布置，油缸中心距離均為500 mm。

受力分析計(jì)算，精調(diào)系統(tǒng)單個(gè)千斤頂推力5 000 kN，分別按兩種方式布置在沉管隧道需糾偏一側(cè)，通過力矩公式可計(jì)算出每種方式總的作用力：

式中：F為單根千斤頂推力；L為千斤頂力臂。

計(jì)算得出1字形方案額定推力40 000 kN，L形方案額定推力39 740 kN。

根據(jù)計(jì)算分析，采用L形布置時(shí)，可理解為總的頂推力減少了240 kN，此處可以忽略。

由上述兩種布置方式對(duì)比可知，1字形布置整體高度較高，不便于千斤頂?shù)陌惭b固定，危險(xiǎn)性也較高，施工難度較大。內(nèi)調(diào)頂推時(shí)的反力主要集中在中下部。水越深水壓越大，摩擦反力在沉管底部，L形更有利于推開。設(shè)備高度也有效降低，現(xiàn)場(chǎng)安裝難度和風(fēng)險(xiǎn)均大大降低，故千斤頂選擇L形布置。

3 施工工藝

3.1 輔助設(shè)備安裝

水力壓接完成后，打開人孔門，進(jìn)行貫通測(cè)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行安排調(diào)整布置，在需精調(diào)一側(cè)安裝底部托架及豎向限位和吊裝設(shè)備（圖4）。底部托架由兩部分拼接而成，待拼裝完成好，通過螺釘?shù)啄_將其調(diào)整至水平，并將運(yùn)輸小車放置在底部托架軌道上。底部托架采用鋁合金材質(zhì)，其重量約37 kg/件。再利用剪力鍵的螺紋孔，安裝支架及起吊葫蘆，利用剪力鍵的螺紋孔連接垂直千斤頂限位桿組件。利用Ω止水帶安裝孔，采用螺栓固定安裝防傾覆拉桿。利用剪力鍵的螺紋孔將斜接底座與剪力鍵連接固定。采用特制的工程塑料或鋁制的材料黏貼在剪力鍵預(yù)埋件凹槽內(nèi)，保證千斤頂頂推作業(yè)的順利進(jìn)行。

圖4 底部托架示意圖Fig.4 Bottom bracket diagram

3.2 設(shè)備倒運(yùn)、吊裝

將一體式油缸千斤頂，通過運(yùn)輸小車運(yùn)送到靠近對(duì)接側(cè)人孔門處。利用可調(diào)節(jié)式龍門吊跨過人孔門，架設(shè)在結(jié)合腔內(nèi)，通過電動(dòng)葫蘆起吊，穿過人孔門放置在底部托架的運(yùn)輸小車上，再轉(zhuǎn)運(yùn)至L形豎向吊裝位置。利用電動(dòng)葫蘆將縱向安裝千斤頂依次吊起，通過快插方式疊加，待疊加至第4個(gè)千斤頂時(shí)，將千斤頂通過鎖鉤裝置與沉管側(cè)壁固定連接。水平位置千斤頂均放置在運(yùn)輸小車上將其運(yùn)輸至指定位置固定。并調(diào)整一體式千斤頂?shù)淖赃m應(yīng)機(jī)構(gòu)（旋轉(zhuǎn)螺母調(diào)節(jié)長(zhǎng)度），使千斤頂兩端頂緊沉管鋼端殼。如果縫隙較大的地方（螺母調(diào)節(jié)長(zhǎng)度不夠），則需要增加墊板以填充。并將千斤頂和支架之間的螺釘松開，以適應(yīng)頂推時(shí)的水平移動(dòng)。

3.3 線路連接布置

將液壓管路通過人孔門與分流器及泵站連接，再將液壓軟管從分流器分別與液壓千斤頂連接，注意油口一一對(duì)應(yīng)；利用多芯電纜通過人孔門與分線盒連接，再將分線盒與磁致伸縮位移傳感器連接即可。

精調(diào)作業(yè)系統(tǒng)圖如圖5所示。

圖5 精調(diào)作業(yè)系統(tǒng)圖Fig.5 Fine adjustment operating system diagram

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行及卸壓拆除

開啟泵站，通過控制系統(tǒng)監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)，以及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行屏幕和按鈕的操作。使頂推千斤頂開始加載進(jìn)行糾偏，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)行程后，頂推千斤頂自動(dòng)停止頂推完成糾偏作業(yè)。為確保安全，待鎖定回填后再卸載頂推千斤頂頂力，同時(shí)觀測(cè)沉管尾端穩(wěn)定情況。沉管鎖定回填完成后，拆除精調(diào)系統(tǒng)，將所有工序進(jìn)行逆向拆除。

4 精調(diào)演練

為切實(shí)加強(qiáng)狹窄空間作業(yè)的規(guī)范操作，驗(yàn)證一體式L形精調(diào)系統(tǒng)施工工藝的可行性，深中通道團(tuán)隊(duì)在管節(jié)對(duì)接端結(jié)合腔內(nèi)對(duì)一體式L形精調(diào)系統(tǒng)成套設(shè)備進(jìn)行了安裝調(diào)試演練，包括設(shè)備倒運(yùn)、設(shè)備安裝、設(shè)備試運(yùn)行及拆除等。

精調(diào)系統(tǒng)演練區(qū)域主要位于管節(jié)對(duì)接端結(jié)合腔內(nèi)，結(jié)合腔由端封門間和端鋼殼間組成，內(nèi)部空間狹窄且底部有較多混凝土澆筑孔、排氣孔等凸起物，設(shè)備搬運(yùn)安裝較困難。

一體式L形精調(diào)系統(tǒng)安裝過程中，直接采用小型龍門架進(jìn)行油缸千斤頂?shù)牡踹\(yùn)，簡(jiǎn)單方便，提高了運(yùn)輸效率。采用具有快速拼接功能的整體橫向支架，可輕松實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人工搬運(yùn)和拼接，通過橫向運(yùn)輸車架可輕松實(shí)現(xiàn)沉管結(jié)合腔內(nèi)千斤頂?shù)臋M向運(yùn)輸和縱向運(yùn)輸，有效降低了施工難度。并對(duì)安裝過程中發(fā)現(xiàn)的不足做出了進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。此次演練進(jìn)一步驗(yàn)證了一體式L形精調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的可行性，作業(yè)人員熟悉了精調(diào)系統(tǒng)的工作流程及安裝工藝，達(dá)到了既定的演練目的，并為后續(xù)沉管精調(diào)作業(yè)提出了指導(dǎo)性建議。

5 結(jié)語

本套系統(tǒng)采用的L形一體式設(shè)計(jì)，可以有效的減少系統(tǒng)組裝的環(huán)節(jié)，提高施工工效，實(shí)現(xiàn)了輕量化、小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化要求，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工效果不斷總結(jié)優(yōu)化，可為后續(xù)同類型沉管施工提供借鑒。