大型沉管隧道水下整平和自動(dòng)移船清淤系統(tǒng)研發(fā)應(yīng)用

干志誠(chéng)

摘 要：深中通道項(xiàng)目沉管隧址地處伶仃洋水域。穿越伶仃洋航道、礬石航道、大鏟航道，是我國(guó)繼港珠澳大橋后的又一條外海、深水、深埋沉管隧道，由32節(jié)鋼殼預(yù)組成，全長(zhǎng)5500米，其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165m，曲線變寬管節(jié)長(zhǎng)123.8m。是目前世界上最寬的變寬隧道。施工規(guī)模巨大，受海上風(fēng)浪、流速、淤泥回淤厲害等不利海況影響，施工難度極高?；谠摴こ萄兄频某凉芩抡健⑶逵僮詣?dòng)控制系統(tǒng)，成功解決了大型沉管基礎(chǔ)整平、清淤施工工藝中的關(guān)鍵技術(shù)難題。在施工效率和安全性能上有質(zhì)的飛躍。

關(guān)鍵詞：沉管、碎石整平、清淤、上位機(jī)、串口服務(wù)器、PLC

引言

沉管隧道是將預(yù)制完成的管節(jié)浮運(yùn)安裝到海底基槽碎石墊層上，一次連接固定密封覆蓋鎖固回填，再將管節(jié)內(nèi)水排出而前后貫通的隧道形式，具有工期短、抗震能力強(qiáng)、適應(yīng)水深范圍大，成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)。在沉管基槽開挖、拋夯振密、碎石整平等施工工藝中，基槽碎石整平是基礎(chǔ)處理工藝中時(shí)間最久、難度最大的關(guān)鍵施工工藝，其整平的工藝效率之間占著了整個(gè)隧道施工周期的一半以上，而且其整平的精度直接決定了整條沉管隧道前后貫通的精度。

目前國(guó)內(nèi)沉管隧道建設(shè)中，水下整平通常是采用潛水員水下人工整平、人工打水進(jìn)行水下進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)收。隨著我國(guó)港口監(jiān)測(cè)取向大型化需要，人工水下整平清淤面臨著水下地質(zhì)條件、回淤、波浪潮汐等氣候和地質(zhì)條件影響，如何提高沉管水下整平工效和整平精度是沉管隧道建設(shè)向大型化、智能化邁進(jìn)進(jìn)程中不可逾越的難題。

1工程概況

深中通道是繼港珠澳大橋后珠江口水域的又一集橋、島、隧的超級(jí)工程，深中通道沉管隧道穿越伶仃洋水稻、礬石航道、大鏟航道，全長(zhǎng)5500米，由由32節(jié)鋼殼預(yù)組成，其中標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165m，曲線變寬管節(jié)長(zhǎng)123.8m。是目前世界上最寬的變寬隧道（雙向8車道）。該工程是廣東省有效的提升粵港澳大灣區(qū)一體化的又一力作。

沉管隧道地處伶仃洋水域，是珠江口主要出入海口和最大的河口灣，且航道交叉，為最繁雜的黃金航道，也是海上交通事故的敏感海域。同時(shí)該水域沉管基槽受伶仃洋水下地質(zhì)受“三灘兩槽”地形的影響，具有灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點(diǎn)，灘槽分布呈的基本格局，西部淺、東部深的橫向分布趨勢(shì)。面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和施工規(guī)模大、工期緊的施工條件，施工工藝和施工風(fēng)險(xiǎn)就尤為重要，基于以上施工特點(diǎn)研發(fā)水下碎石整平清淤系統(tǒng)對(duì)整個(gè)施工過程起著關(guān)鍵作用。

2碎石整平清淤系統(tǒng)

主要由測(cè)量定位監(jiān)控系統(tǒng)、整平架運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、外部和甲板供料系統(tǒng)、升降和擱置系統(tǒng)、整平架姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)、清淤系統(tǒng)以及測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)組成。全體系統(tǒng)完全集中在整平船上。

2.1整平裝置定位及監(jiān)測(cè)

本次基礎(chǔ)整平工程采用“沉管隧道基礎(chǔ)整平監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”（Survey System for Immersed Tube Spreading Construction，簡(jiǎn)稱SSITSC），主要包括：定位系統(tǒng)、整平架水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件顯示系統(tǒng)三部分。

①定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)主要長(zhǎng)基線和超短基線兩部分，長(zhǎng)基線由安裝在海底的基陣標(biāo)和安裝在整平架上的定位標(biāo)組成，通過水聲測(cè)距的原理確定整平架在水下的位置。超短基線同樣采用水聲定位的原理，作為整平架的初始定位和長(zhǎng)基線的備份。

②整平架水下監(jiān)測(cè)

水下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包含安裝在整平架框體上的壓力傳感器、長(zhǎng)基線（LBL）信標(biāo)和超短基線（USBL）信標(biāo)等，以及安裝在移動(dòng)漏斗上的壓力傳感器、高度計(jì)和傾斜儀等。壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)整平架和漏斗的高度信息;信標(biāo)用于整平架的定位定向;傾斜儀用于調(diào)整和監(jiān)測(cè)漏斗的傾斜度;高度計(jì)用于測(cè)量基礎(chǔ)的地形。安裝在整平架上的設(shè)備（信標(biāo)除外），數(shù)據(jù)均通過有線電纜傳輸?shù)秸阶鳂I(yè)指揮室。

2.2供料系統(tǒng)

為更好的保障碎石整平系統(tǒng)的工作效率，一套可靠的供料系統(tǒng)也是必不可少。碎石整平系統(tǒng)中的供料系統(tǒng)有外部供料系統(tǒng)和甲板供料系統(tǒng)組成。

外部供料系統(tǒng)

運(yùn)輸石料船運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后供給整平船旁靠的供料鎖固船。供料鎖固船的功能有：用于與整平清淤船旁靠，向整平清淤船提供石料的功能，如下圖2.1-3所示;在錨泊狀態(tài)下，向水下預(yù)放沉管兩側(cè)沉放石料，對(duì)沉管進(jìn)行鎖固限位，避免沉管滑移。在進(jìn)行碎石整平施工時(shí)，供料鎖固船充當(dāng)整平船的中轉(zhuǎn)料倉(cāng)，開始整平前，運(yùn)輸石料船運(yùn)載符合設(shè)計(jì)要求的碎石，將供料鎖固船的料倉(cāng)堆滿;整平施工時(shí)，開啟供料鎖固船甲板上的輸送皮帶，打開料倉(cāng)口，輸送皮帶將碎石輸送至整平船的皮帶輸料裝置中，完成外部供料。同時(shí)隨著整平工作的不斷進(jìn)行，運(yùn)輸石料船持續(xù)的給多功能船輸送石料，確保整平工作連續(xù)進(jìn)行。

甲板供料系統(tǒng)

甲板供料系統(tǒng)包括皮帶輸料裝置、行走投料裝置、輸料軟管等，實(shí)現(xiàn)石料從供料船通過皮帶輸送裝置、行走投料裝置轉(zhuǎn)移至傳輸軟管。

1）皮帶輸料裝置

本設(shè)備共有2套移動(dòng)式皮帶輸料裝置，一套布置在母船二層甲板尾部，一套橫跨月池布置在母船投料行車側(cè)面。移動(dòng)式皮帶由固定式皮帶機(jī)加移動(dòng)卸料小車組成。移動(dòng)卸料小車本身不帶動(dòng)力，由母船投料行車帶動(dòng)其實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸運(yùn)動(dòng)。

2）行走投料裝置

本設(shè)備在母船二層甲板布置有1套行走投料機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由行走軌道、桁架行走架、行走機(jī)構(gòu)、限位裝置、錨定裝置、漏斗、可伸縮溜管、絞車，動(dòng)力泵站等組成。行走投料裝置通過程序控制可與水下整平小車實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)。

行走機(jī)構(gòu)由運(yùn)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，運(yùn)行機(jī)構(gòu)分兩組分別安裝在2個(gè)導(dǎo)軌上，每組運(yùn)行機(jī)構(gòu)安裝有8個(gè)行走輪和4個(gè)水平側(cè)滾輪。兩組共16個(gè)行走輪。

行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在運(yùn)行機(jī)構(gòu)上，由性能優(yōu)越的軸向柱塞油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)高強(qiáng)度的行星齒輪減速箱輸出齒輪與齒條嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)龍門行走。

3）輸料軟管