基于軸線干塢法的沉管浮運關(guān)鍵技術(shù)

仇正中，蔣賢德，王金緒，胡嘉懿

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120；5.廣州打撈局，廣東 廣州 510260；6.湖北文理學院，湖北 襄陽 441053）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，跨海越江隧道工程項目不斷增多，沉管隧道以其地質(zhì)適應能力強、兩岸接線短、交通聯(lián)系功能強、工期短、風險小等優(yōu)點，在城市水下隧道工程中得到越來越廣泛的應用。管節(jié)浮運是沉管隧道建設(shè)中的一項重要環(huán)節(jié)[1]。

沉管隧道常用的浮運方案有拖輪浮運、拖輪拖動移動干塢、絞車拖運與拖輪頂推、岸控絞車和駁船絞車拖運等。潘永仁等[2]介紹了上海外環(huán)沉管隧道管節(jié)浮運工藝，采用拖輪浮運，并采取浮筒助浮措施；彭紅霞等[3]探討了移動干塢法進行管節(jié)預制的侖頭-生物島沉管隧道管節(jié)浮運工藝，采用“拖運半潛駁+定錨絞車牽引”相結(jié)合方案；吳峰[4]介紹了軸線干塢法進行管節(jié)預制的天津海河沉管隧道管節(jié)浮運工藝，采用“錨塊系泊+岸控牽引”的方式進行；宿發(fā)強[5]介紹了港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)浮運特點，采用大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪作業(yè)?；诖笮统凉芨∵\方案的調(diào)研，除軸線干塢法外，管節(jié)一般采用拖輪浮運方案；軸線干塢法預制的管節(jié)沿隧道軸線浮運，一般運距較短，采用岸控絞車即可進行浮運作業(yè)。

襄陽東西軸線沉管隧道項目采用雙軸線干塢方案，管節(jié)最大浮運距離（東汊）接近700 m，超出了岸控絞車使用范圍；江面最窄處（西汊）僅280 m，拖輪布置困難，且浮運距離短采用拖輪方案經(jīng)濟性差。本工程提出了“鋼管樁系泊+管面絞車絞移”相結(jié)合方案，完成了軸線干塢法預制管節(jié)長距離絞移至設(shè)計位置。

1 工程概況

1.1 項目簡介

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項目主線全長5.4 km，其中沉管段長1 011 m，見圖1。項目兩次通過漢江，東汊沉管段660 m，設(shè)置6個標準管節(jié)E1—E6（4×120.5 m+2×86.5 m）和1個5 m短管節(jié)；西汊沉管段長351 m，設(shè)置4個標準管節(jié)W1—W4（4×86.5 m）和1個5 m短管節(jié)，短管節(jié)在塢內(nèi)與標準管節(jié)相連，管節(jié)結(jié)構(gòu)寬31.2 m，高9.2 m，管節(jié)浮運干舷20 cm。

圖1 項目地理位置圖Fig.1 Project location

1.2 水文氣象條件

襄陽東西軸線沉管隧道位于漢江西汊和東汊，補充水系主要為漢江及漢江支流小清河、唐白河、浩然河。自崔家營水庫建成后，工程區(qū)域江面徑流平緩，常年流速小于0.3 m/s，汛期小于0.8 m/s。2018年6月漢江首次實行中下游梯級聯(lián)合生態(tài)調(diào)度[6]，生態(tài)調(diào)度時期流速小于1.0 m/s。水庫常年蓄水水位62.73 m，最低水位62.23 m。工程河段航道等級Ⅲ級，施工船舶可以選用1 000噸級一頂四駁船隊，船隊尺度為167 m（長）×21.6 m（寬）×2.0 m（深）。

襄陽風向除5～8月以南風及東風為主外，其余多為北風及西至西北風。大風一般隨寒潮或暴雨而來，約8級左右，最大風速19～20 m/s，相應其風向多是北風或西北風。

2 浮運關(guān)鍵參數(shù)

2.1 水流力計算

根據(jù)水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，項目浮運安裝作業(yè)窗口確定為流速≤0.3 m/s，風速≤6級，能見度≥1 000 m。管節(jié)浮運過程中，最大絞移速度≤0.3 m/s。根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[7]，水流荷載計算如下：

式中：v為設(shè)計流速，m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，取2；ρ為水密度，t/m3；A為計算構(gòu)件在與水流垂直平面上的投影面積，m2。管節(jié)水流荷載計算見表1。

表1 管節(jié)浮運水流荷載Table 1 Current load of tunnel elements floating

沉管在浮運安裝過程中，漢江東、西汊進行封航，管節(jié)安裝不受船行波影響。管節(jié)干舷較小，風荷載較小，不予考慮。

2.2 錨樁設(shè)計

軸線干塢法管節(jié)絞移浮運通常采用錨塊系泊，根據(jù)管節(jié)浮運荷載，錨塊一般重150～200 t，需大型起重船安裝。襄陽東西軸線項目船機設(shè)備受限，大型起重船無法進場，采用錨樁代替錨塊。

錨樁采用2根直徑1.2 m，壁厚12 mm的Q235鋼管樁，見圖2。鋼管樁布置3個吊耳，防止打樁過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動，吊耳之間通過錨鏈連接，距泥面以上1 m。鋼管樁采用DZJ-120振動錘施打，入土深度10 m。水中錨樁布置在沉管水下基槽外邊線以外20～30 m范圍內(nèi)，里程為2個管節(jié)交接處，東汊錨樁布置10處，西汊錨樁布置6處。

圖2 錨樁布置示意圖Fig.2 Anchor pile arrangement

管節(jié)浮運過程中，纜繩受力最大工況為四纜系泊，水平角度25°，錨點距水面14 m，管節(jié)距離錨樁150 m。管節(jié)浮運過程中纜繩最大受力：

沉管精調(diào)系統(tǒng)采用沉管尾端橫調(diào)纜法進行糾偏，設(shè)計荷載為60 t，大于管節(jié)水流荷載，故錨樁設(shè)計荷載為60 t。

根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[8]，采用m法進行水平力作用下樁的計算，樁頂可自由轉(zhuǎn)動時，計算樁的相對剛度值T=2.42 m，4T＜10 m，滿足彈性長樁計算理論，嵌固點深度t=2T=4.84 m，最大應力σ=M/Wz=153.8 MPa<215 MPa，錨樁應力滿足設(shè)計要求。

3 管節(jié)浮運工藝

3.1 管節(jié)出塢方式

以東汊干塢為例，在塢內(nèi)注水工作之前，將管段臨時系泊纜帶至塢頂?shù)劐^，收緊系泊纜，防止塢內(nèi)注水管段起浮后發(fā)生移位損傷管段。干塢注水前，在E6管面布置8臺15 t絞車，絞車布置如圖3所示。待E6管節(jié)安裝完成后，起重船進塢，將E6管面拆除出的絞車安裝至E5管節(jié)，以此循環(huán)。

圖3 管面絞車布置Fig.3 Winch layout on tunnel elements

管節(jié)起浮準備工作完成，塢門拆除，解除E6管節(jié)臨時系泊纜，更換為絞移纜。塢內(nèi)調(diào)試完成后，選擇能見度良好、水流小于0.3 m/s的窗口期進行E6沉管出塢施工。

管節(jié)通過管面絞車絞移出塢，管首出塢后，進行纜系轉(zhuǎn)換，確保管節(jié)正常出塢，見圖4。

圖4 管節(jié)出塢纜系轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Winding rope conversion of tunnel elements undocking

3.2 管節(jié)浮運方案

沉管出塢后，沉管尾部絞車鋼絲繩更換至塢口岸上錨樁，沉管浮運工序如下：

1）E6管節(jié)出塢帶纜，管面絞車與纜繩相連，纜繩L1、L2、L7、L8分別提供管節(jié)前進、后退方向動力，L3、L4控制管節(jié)管首橫向偏移，L5、L6控制管節(jié)管尾橫向偏移。

2）E6管節(jié)絞移前進，絞移至纜繩L1、L2提供的動力相對較小時，進行纜系轉(zhuǎn)換，將纜繩L3、L4從S2、S7錨樁轉(zhuǎn)換至S4、S9錨樁，纜繩L7、L8從岸上錨樁轉(zhuǎn)換至S2、S7錨樁。此時，纜繩L3、L4、L5、L6分別提供管節(jié)前進、后退方向動力，L1、L2控制管節(jié)管首橫向偏移，L7、L8控制管節(jié)管尾橫向偏移。

3）管節(jié)出塢后，不同管節(jié)根據(jù)浮運距離不同進行2～5次換纜，絞移至待安裝區(qū)進行二次舾裝，完成管節(jié)安裝工作。沉管絞移過程見圖5。

圖5 沉管絞移浮運示意圖Fig.5 Floating diagram of immersed tunnel elements

3.3 工期優(yōu)化

相比于旁建干塢法、工廠法等方法，軸線干塢法管節(jié)預制、浮運安裝、岸上段結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆等均需要按序施工，工期相對較長。襄陽東西軸線項目受征拆影響，施工工期緊；東、西汊沉管共10節(jié)，數(shù)量較多，有優(yōu)化必要。襄陽東西軸線沉管隧道采用陸上最終接頭方案，未修建專門的管節(jié)寄放區(qū)，沉管在塢內(nèi)進行寄放，在待安裝區(qū)進行二次舾裝。

以E6管節(jié)為例，沉管舾裝作業(yè)需在基床整平完成后進行，占用主線工期。沉管二次舾裝內(nèi)容包括：管節(jié)水下鋼纜固定→拆除管面8臺絞車→測量A塔吊裝→沉放A、B駁拖帶→測量B塔吊裝→安裝縱、橫調(diào)纜→拆除管節(jié)水下固定鋼纜，管節(jié)二次舾裝共需4 d。管節(jié)舾裝見圖6。

圖6 沉管舾裝圖Fig.6 Outfitting of immersed tunnel elements

優(yōu)化措施：E6管節(jié)絞移至E5管節(jié)安裝位置，進行二次舾裝作業(yè)，舾裝完成后管面重新安裝4臺絞車帶纜，此時E6管節(jié)可同時進行基床整平作業(yè)。待E6基床整平完成后，測量塔絞車配合4臺管面絞車將E6管節(jié)絞移至待安裝區(qū)，然后拆除4臺管面絞車，重新布置縱、橫調(diào)纜，主線工期約1 d。

相比于原工序，優(yōu)化后的工藝增加了管面4臺絞車安拆作業(yè)，且沉放駁和E6管節(jié)同步絞移難度較大，但是節(jié)省了3 d主線工期。

為使沉放駁與管節(jié)同步絞移，將兩者從柔性連接變成剛性連接。具體做法：沉放駁與管節(jié)通過吊點相連，在吊點附近管面布置連接件，每個吊點預加約30 t的豎向預緊力，使管節(jié)與沉放駁之間形成一個整體，便于絞移作業(yè)[9]，見圖7。

圖7 沉放駁與管節(jié)連接件Fig.7 Connection between deposition barge and tunnel elements

除沉管二次舾裝外，其余工序也進行了優(yōu)化，浮運安裝時間見表2。

表2 單節(jié)管節(jié)浮運安裝工期Table 2 Installation period of single tunnel element floating transportation d

表2所示，管節(jié)基床整平作業(yè)時，同時進行沉管管頂一次舾裝及管面絞車布置；舾裝件拆除作業(yè)，將沉放駁、測量塔等拆除完成后，剩余舾裝件拆除可與下一個管節(jié)整平作業(yè)同時進行。襄陽東西軸線項目通過工序優(yōu)化，單個管節(jié)安裝時間控制在22 d左右，相比常規(guī)沉管安裝周期30 d節(jié)約了8 d。

4 結(jié)語

1）根據(jù)襄陽東西軸線沉管隧道船機設(shè)備受限特點，提出了用鋼管錨樁代替混凝土錨塊方案。根據(jù)沉管浮運和管節(jié)安裝精調(diào)系統(tǒng)荷載，設(shè)計出了“雙鋼管樁+錨鏈連接”的錨樁方案，并經(jīng)現(xiàn)場驗證可行。

2）根據(jù)軸線干塢法施工特點，在岸控絞車基礎(chǔ)上，提出了管面8臺絞車換纜絞移出塢、浮運方案，為類似項目提供了依據(jù)。

3）針對沉管二次舾裝、一次舾裝、舾裝件拆除等施工工序進行優(yōu)化，將單個管節(jié)安裝時間控制在22 d，相比常規(guī)沉管安裝周期30 d節(jié)約了8 d。