內(nèi)河沉管隧道管節(jié)寄存系泊施工關(guān)鍵技術(shù)

劉惠平

（交通運(yùn)輸部廣州打撈局 廣州 510260）

0 引言

近年來沉管隧道在城市隧道建設(shè)中逐漸得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，其具有埋深淺、通行能力大、線路短、橫斷面形狀選擇靈活、管節(jié)預(yù)制質(zhì)量易于控制和防水效果好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，沉管隧道管節(jié)預(yù)制完成后，需進(jìn)行浮運(yùn)、系泊及沉放，沉管管節(jié)系泊是管節(jié)沉放前的承上啟下的一步，通過系泊讓管節(jié)從自由狀態(tài)重新回到受到纜繩的約束的狀態(tài)，同時(shí)利用系泊的時(shí)間做好管節(jié)沉放的準(zhǔn)備工作［3-4］。

某項(xiàng)目原施工計(jì)劃在接頭端完成基坑支護(hù)及圍堰拆除、圍堰區(qū)域基槽鑿巖后開展沉管管節(jié)安裝，為了縮短項(xiàng)目的整體工期，項(xiàng)目計(jì)劃將先預(yù)制好的管節(jié)寄存在塢口，第二批管節(jié)預(yù)制啟動時(shí)間比原方案提前約6 個(gè)月開展，采用優(yōu)化工序后續(xù)施工不會對沉管出塢造成影響。沉管管節(jié)絞移出塢時(shí)，管節(jié)兩側(cè)距塢墩距離僅1.8 m，安全距離小，管節(jié)控制難度高，碰撞風(fēng)險(xiǎn)大。管節(jié)整體出塢后，橫向迎流面積大，受橫向水流力大，控制難度大，如何在受限水域中精準(zhǔn)控制管節(jié)位置是本工程的難點(diǎn)之一［5-6］；沉管寄存系泊期間需經(jīng)歷廣州5 月的龍舟水季節(jié)，在龍舟水季節(jié)漲退潮時(shí)，管節(jié)受到的水流力非常大，對沉管系泊系統(tǒng)要求高，本文針對該工程沉管管節(jié)系泊施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析及研究［7-8］。

1 工程概況

廣州市某隧道工程采用沉管法隧道施工，隧道沉管縱向共分為4 段，總長492.0 m，在南岸干塢預(yù)制場內(nèi)分兩批預(yù)制。管節(jié)斷面寬度30.4 m，高度8.7 m，管節(jié)由南向北編號為E1、E2-1、E2-2、E3和E4；其中E1、E3、E4預(yù)制長度均為123.0 m，E2-2為短管節(jié)，與E3管節(jié)拉合共同出運(yùn)寄存，長度為3.5 m，E2-1 長117.0 m。江中沉管節(jié)位于珠江前航道，隧址范圍江面寬約520.0 m，北側(cè)河床標(biāo)高-1.02～2.00 m，在最低通航水位3.59 m下，水深1.59～4.60 m；南側(cè)河床標(biāo)高1.41～4.06 m，在最低通航水位3.59 m 下，水深0.00～2.18 m。沉管管節(jié)在南岸干塢內(nèi)預(yù)制后采用絞移法進(jìn)行出塢浮運(yùn)寄存作業(yè)，在寄存區(qū)系泊，管節(jié)長約123.0 m、重約3萬t。

2 管節(jié)寄存系泊施工

2.1 沉管寄存總體平面布置

考慮到航道改遷及方便沉管安裝，沉管寄存區(qū)域設(shè)定在琶洲大橋至東圃大橋間珠江水域，E4寄存區(qū)靠近沉管基槽，管節(jié)寄存采取縱向迎水流的方式，選用兩點(diǎn)錨泊系統(tǒng)。E4 管節(jié)沿第三階段臨時(shí)航道方向靠海珠側(cè)，沉管結(jié)構(gòu)離航道邊線35.0 m。

E3 管節(jié)遲于E4 管節(jié)安裝，由于隧址附近水域無E3 管節(jié)臨時(shí)寄存的水域，因此E3 寄存區(qū)設(shè)置在南岸干塢塢口臨江側(cè)，寄存區(qū)的縱軸線垂直于河道軸線，管節(jié)結(jié)構(gòu)有31.8 m進(jìn)入塢口堤岸線內(nèi)，如圖1所示。

圖1 寄存位置平面布置Fig.1 Floor Plan of Storage Location

2.2 寄存坑底標(biāo)高及尺寸設(shè)計(jì)

臨時(shí)寄存區(qū)滿足沉管臨時(shí)錨泊寄存的平面尺度要求，臨時(shí)寄存區(qū)底寬每邊考慮富裕值。富裕值及基坑詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 臨時(shí)寄存區(qū)平面尺度Tab.1 Plane Scale of Temporary Storage Area

E4 管節(jié)低潮位時(shí)與基槽底有10 m 的富裕水深，E4寄存區(qū)邊坡按設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行放坡，周圍地質(zhì)條件好，邊坡穩(wěn)定性滿足《沉管法隧道施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范：GB 51201—2016》、《疏浚與吹填工程施工規(guī)范：JTS 207—2012》規(guī)范要求。E3 管節(jié)低潮位時(shí)，與基槽底有1.0 m富裕水深，如圖2所示。

圖2 E4管節(jié)寄存區(qū)縱橫斷面Fig.2 Longitudinal Section and Cross-sectional of the Storage Area of E4 Pipe Section（mm）

2.3 寄存區(qū)管節(jié)系泊布置設(shè)計(jì)

寄存區(qū)管節(jié)系泊系統(tǒng)主要包括系泊纜及錨塊，通過咨詢設(shè)計(jì)單位并參照防洪評價(jià)專項(xiàng)報(bào)告，本工程施工水域最大落潮和漲潮流速如下：

“1998.6”洪水落急條件下推測本工程水域施工期間最大水流速為0.870 m/s；

“2001.2”枯水漲急條件下推測本工程水域施工期間最大水流速為0.955 m/s；

安全起見，沉管系泊計(jì)算流速取值為1.1 m/s。

沉管浮運(yùn)前需在寄存區(qū)布置好系泊系統(tǒng)，以便管節(jié)出運(yùn)到現(xiàn)場后臨時(shí)寄存；E4管節(jié)寄存采取縱向迎水流的方式，其系泊系統(tǒng)為兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)；E4 管節(jié)在寄存期間主要承受縱向水流力，橫向水流作用力相對較??；E3 管節(jié)在寄存期間主要承受橫向水流力，縱向水流作用力相對較小，其系泊系統(tǒng)采用六點(diǎn)系泊系統(tǒng)。M1錨塊距地鐵4號線28.1 m，距臨時(shí)航道邊線47.2 m。M2錨塊距地鐵4號線264.3 m，距臨時(shí)航道邊線47.2 m。M3錨塊距地鐵4號線181.1 m，距臨時(shí)航道邊線157.2 m。M4錨塊距地鐵4號線330.0 m，距臨時(shí)航道邊線169.1 m。M5錨塊距地鐵4號線170.5 m，距臨時(shí)航道邊線195.0 m。M6錨塊距地鐵4號線321.0 m，距臨時(shí)航道邊線206.9 m。寄存區(qū)系泊布置詳如圖3所示。

2.4 管節(jié)寄存期間的水流力計(jì)算和波浪力計(jì)算

2.4.1 水流力計(jì)算

管節(jié)寄存期間主要受水流力和周圍船行波浪影響，已知管節(jié)基本參數(shù)如表2所示。

表2 管節(jié)基本參數(shù)Tab.2 Basic Parameters of the Pipe Joint

按照《港口工程荷載規(guī)范：JTS 144-1-2010》，管節(jié)水流力為：

式中：FW為水流力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；CW為水流阻力系數(shù)，根據(jù)洲頭咀隧道模型試驗(yàn)取1.6；ρ為水密度（t/m3），淡水取1.0 t/m3；V為水流設(shè)計(jì)流速（m/s），取1.1 m/s；A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積（m2）。

水流力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 水流力計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation Results of Flow Force

2.4.2 波浪力計(jì)算

波浪對浮體產(chǎn)生的作用力通?？煞纸鉃橐浑A波浪力和二階波浪力，其中一階波浪力的幅值雖較大，但只是一個(gè)與波浪具有相同的頻率的脈動力，而二階波浪力，特別是平均漂移力和慢漂力，是拖航系統(tǒng)設(shè)計(jì)和拖航阻力估算、浮體在波浪中阻力增加的計(jì)算、潛體在近水面時(shí)的性能分析的主要考慮波浪荷載因素。

對于規(guī)則波而言，二階波浪力包括平均波浪漂移力和倍頻波浪力，對于不規(guī)則波而言，除了平均波浪漂移力和倍頻波浪力，還包括波浪慢漂力與各成分波頻率之和的高頻波浪力。對于管節(jié)拖航系泊系統(tǒng)，系統(tǒng)的固有周期一般都大于波浪周期，主要考慮波浪力的低頻成分，這里主要針對管節(jié)的波浪漂移力計(jì)算［9-10］。

使用ANSYS AQWA 建立水動力分析模型，如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型Fig.4 Calculation Model

考慮0.2 m 波高進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4 所示。則管節(jié)寄存期間受到的水流及波浪合力如表5所示。

表4 管節(jié)波浪作用下漂移力結(jié)果Tab.4 Drift Force Results of Pipe Joints under Wave Action（kN）

表5 管節(jié)受力計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation Results of Pipe Joints

2.5 系泊纜選型

本文以縱向迎水流系泊的E4 管節(jié)作為研究對象，已知寄存區(qū)50 年一遇最高潮為3.90 m，寄存期間最低潮為-0.04 m，零潮位時(shí)的水面標(biāo)高3.59 m，錨塊安裝位置泥面標(biāo)高-0.50 m；且高潮位時(shí)錨纜受力較低潮位時(shí)大，故按照E4 管節(jié)高潮位時(shí)系泊纜受力情況來配備鋼絲繩；E4管節(jié)寄存時(shí)側(cè)視圖如圖5所示。

圖5 E4管節(jié)寄存?zhèn)纫旻ig.5 Side View of E4 Storage

錨纜仰角為8°，錨纜水平夾角為11°，考慮極端情況，錨塊上只有1 根鋼絲繩受力，校核管節(jié)縱向受力，則單根鋼絲繩的受力大小為：

選擇φ52 mm 金屬芯鋼絲繩（折雙）做系泊纜，型號為6×37+1，公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa，鋼絲繩破斷力1 700 kN。鋼絲繩折雙使用，考慮80%的折減系數(shù)，安全系數(shù)n=（1 700×2×0.8）/263.91=10.31>5.0。M1和M2 錨纜直接套在纜樁上。校核管節(jié)橫向力。則F4y=Fwirecos11°sin8°=36.05 kN＞25 kN，滿足要求。

M1和M2錨塊受到的最大拉力為263.91 kN。

E3 管節(jié)上游共設(shè)3 個(gè)錨，計(jì)算時(shí)只考慮2 個(gè)錨平均，計(jì)算方法同上，M3～M6 錨塊受到的最大拉力為537.60 kN，M3～M6 錨纜用80 t 五輪滑車進(jìn)行收緊。E3和E4管節(jié)系泊系統(tǒng)均能滿足水流1.1 m/s情況下的安全系泊要求。

2.6 系泊錨塊選型

錨塊為吸附式重力錨塊，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在管節(jié)寄存區(qū)的預(yù)定位置，利用測量定位配合起重船進(jìn)行錨塊的安裝，E4 管節(jié)設(shè)置2 個(gè)錨塊。E4 錨塊（M1、M2）受到的最大拉力為263.91 kN，綜合考慮，M1～M6 錨塊選擇150 t 錨塊。錨塊主要參數(shù)如圖6 所示。錨塊尺寸為5.5 m×5.5 m×3.5 m，錨塊體積為63.5 m3，錨塊重量為自重150 t，水下101.6 t，錨塊底部與土接觸面積S=15.21 m2，回填3.0 m高擋土面積A=15.28 m2。

圖6 150 t重力式錨塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of 150 t Gravity Anchor Block（mm）

3 系泊系統(tǒng)安裝

3.1 錨塊坑開挖

錨塊坑底部尺寸為6.5 m×6.5 m，四周放坡，按設(shè)計(jì)文件，巖層為1∶1，泥層為1∶2.5，錨塊坑開挖采用挖泥船進(jìn)行開挖。

3.2 錨塊安裝

⑴起重船在錨艇協(xié)助下，測量配合拋錨定位。

⑵起重船就位完畢后，在主鉤上掛好4條φ66 mm×15.0 m的吊索，用卸扣將吊索與150 t重力錨塊連接。

⑶起重船起重船將150 t 重力錨塊吊起，旋轉(zhuǎn)至測量員提前指定位置，并慢慢放低；當(dāng)重力錨塊離海床底約1.0 m 時(shí)，停止下降；測量員乘工作艇至吊索旁，根據(jù)設(shè)的坐標(biāo)利用全站儀進(jìn)行測量定位，直至重力錨塊調(diào)整至設(shè)計(jì)位置，慢慢放低至海床面。

⑷錨塊安裝完成后，用工作艇將需要寄存于海床的錨纜吊至重力錨塊安裝位置，由潛水員在水下將纜繩一端系泊于錨塊的拉耳上；錨纜的另一端打好浮標(biāo)。

⑸重力錨塊安裝完成后，用碎石進(jìn)行回填。

3.3 系泊系統(tǒng)試?yán)?/h3>

⑴將錨塊上系泊鋼絲繩與工作母船上的五輪滑車組連接起來。若系泊鋼絲繩不夠長，采用多鋼絲繩進(jìn)行接駁；

⑵啟動絞車，收緊滑車組間的鋼絲繩，當(dāng)測力計(jì)的讀數(shù)為100 kN 時(shí)，停止絞收鋼絲繩，在工程駁船上做好滑車組位置標(biāo)志；

⑶繼續(xù)啟動絞車，緩慢地絞收滑車組間的鋼絲繩，觀測測力計(jì)的讀數(shù)及滑車組的位置；

⑷當(dāng)測力計(jì)的讀數(shù)為700 kN 時(shí)，停止絞車保持拉力30 min，檢測滑車組的位置。若此時(shí)滑車組位移小于50 mm，錨塊的錨固力符合要求；

⑸當(dāng)滑車組位移大于50 mm，啟動絞車使測力計(jì)的讀數(shù)重新達(dá)到為700 kN，停止絞車保持拉力30 min，檢測滑車組的位置。若此時(shí)滑車組位移小于50 mm，錨塊的錨固力符合要求；

⑹如連續(xù)3次上述操作，滑車組位移仍大于50 mm，則說明錨塊的錨泊力不足，安排潛水員下水檢查錨塊四周的情況，包括錨塊四周埋泥情況，錨塊受力方向有無堆積物隆起，受力方向后部有無凹陷等；

⑺若經(jīng)過試?yán)?，系泊系統(tǒng)不滿足設(shè)計(jì)要求，則需要重新將錨塊吊起，對錨塊坑重新進(jìn)行開挖之后，進(jìn)行錨塊安裝碎石回填，再次進(jìn)行系泊系統(tǒng)拉力試驗(yàn)。

4 管節(jié)系泊寄存注意事項(xiàng)

⑴沉管寄存期間在沉管上下游各設(shè)置1 艘警戒船，對沉管進(jìn)行警戒；

⑵設(shè)置航標(biāo)及安全警示；

⑶對系泊纜及對相對應(yīng)的管面范圍用土工布進(jìn)行包裹，防止由于潮位變化及波浪因素使管節(jié)出現(xiàn)擺動，鋼纜與沉管結(jié)構(gòu)間發(fā)生摩擦導(dǎo)致鋼絲受損；

⑷在寄存管節(jié)周邊增設(shè)航標(biāo)及警示燈標(biāo)，在管節(jié)上設(shè)置警示燈帶及警示牌，警示來往船舶與沉管發(fā)生碰撞；

⑸采購合格廠商的鋼絲繩，做好鋼絲繩的進(jìn)程驗(yàn)算工作。

5 結(jié)論

本文就內(nèi)河沉管隧道系泊施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，包括系泊布置設(shè)計(jì)、寄存期間的水流力和波浪力計(jì)算、系泊纜選型及錨塊選型、系泊系統(tǒng)安裝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究探討。在內(nèi)河大水流環(huán)境下，沉管管節(jié)寄存需要選擇滿足設(shè)計(jì)要求的系泊系統(tǒng)，在正式施工前，對沉管寄存系泊系統(tǒng)進(jìn)行拉力試驗(yàn)，制定方案時(shí)應(yīng)當(dāng)讓整個(gè)沉管寄存系泊系統(tǒng)有一定的安全富裕，合理安排系泊施工，解決了內(nèi)河沉管隧道在受大水流力影響下安全系泊的問題，順利完成了兩段沉管管節(jié)的寄存系泊。目前本項(xiàng)目隧道E3、E4 管節(jié)已完成出塢寄存系泊。