外海深水整平船插樁施工工藝

◎李更新 沈陽化工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院 商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院

畢子楊 沈陽化工大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院 中交一航局第二工程有限公司

依據(jù)零丁洋海域地質(zhì)勘測資料結(jié)果顯示港珠澳大橋海底隧道勘探海域內(nèi)的地層主要分布在由燕山期花崗巖、震旦系混合片巖及混合花崗巖等基巖風(fēng)化層組成的第四系覆蓋層（Q）。其中上部為全新統(tǒng)～更新統(tǒng)海相、陸相、河流相、海陸交互相沉積層，直接覆蓋于不同巖性的剝蝕面上，其厚度受基巖面標高及海平面侵蝕深度控制。覆蓋層按沉積年代、沉積環(huán)境區(qū)間劃分為四大單元層。其地質(zhì)情況較為復(fù)雜，軟硬夾層情況較多，為整平船插樁工作帶來極大困難與風(fēng)險。一般情況下，只有當(dāng)四個樁腿全部處于密實的第四單元層時，整個船體穩(wěn)固，不會因作業(yè)受力等其他情況而導(dǎo)致平臺支撐不穩(wěn)定。若當(dāng)整平船樁腿位于第一─三單元層或軟硬夾層時，即處于不穩(wěn)定狀態(tài)，樁腿可能出現(xiàn)突然下沉至中密層，即第四單元層。

圖1 港珠澳大橋沉管隧道總覽

港珠澳大橋海底隧道沉管段總長5664m，是目前為止世界上最長外海深埋采用“先鋪法”施工工藝沉管的海底隧道，隧道由33個管節(jié)組成，每個標準管節(jié)長180m，其碎石基床共62條壟，需7個船位鋪設(shè)完成。E1、E2、E32、E33采用人工整平、水下人工整平和機械整平相結(jié)合的方法進行碎石基床鋪設(shè)，其余29個管節(jié)基礎(chǔ)均由整平船獨立完成碎石基床鋪設(shè)，因此研究抬升系統(tǒng)插拔樁工藝關(guān)乎整平作業(yè)效率、船舶誘導(dǎo)定位精度及平臺安全。

1.整平船升降系統(tǒng)概況

專為港珠澳大橋島隧工程沉管隧道碎石墊層鋪設(shè)設(shè)計建造的施工專用性整平船采用自升式平臺結(jié)構(gòu)，平臺四角分布有4根圓柱型樁腿，每根樁腿筒體外側(cè)對稱焊接布置有2排背對背齒條，每側(cè)齒條上均等布置了4套抬升機構(gòu)，整船共有32套抬升機構(gòu)。樁尖為半封閉“興”字形結(jié)構(gòu)，可適合巖石、砂、黏土等不同地質(zhì)插樁工況。每個樁腿旁各設(shè)有1套鎖緊系統(tǒng)，對稱排列。鎖緊系統(tǒng)的目的是在平臺主體和樁腿之間提供一個剛性連接，在拖航、惡劣海況和拋石整平作業(yè)時，該鎖緊系統(tǒng)來實現(xiàn)樁腿與平臺之間垂向鎖定，保證平臺插樁時縱向穩(wěn)定與力矩平衡。

圖2 整平船升降系統(tǒng)示意圖

升降控制系統(tǒng)是典型機、電一體化控制系統(tǒng)，邏輯復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、自動化程度高，是抬升機構(gòu)最為關(guān)鍵部分，其穩(wěn)定性是平臺順利實現(xiàn)升降的保證。平臺升降過程中，電控驅(qū)動單元根據(jù)平臺實時重量嚴格控制制動器釋放與抱閘，保證平臺支撐力前提下驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)運動，從而使平臺平滑穩(wěn)定上升或下降。電機直接驅(qū)動平行軸減速箱，平行軸減速箱與行星減速箱組成的高速比傳動機構(gòu)，輸出高扭矩來驅(qū)動爬升齒輪，與樁腿上的齒條進行嚙合運動，以此實現(xiàn)船身相對樁腿的上下動作。

樁腿升降系統(tǒng)是碎石鋪設(shè)整平船的關(guān)鍵設(shè)備之一，針對隧道基礎(chǔ)復(fù)雜的地基條件和作業(yè)工況，整套抬升機構(gòu)的可抬升載荷系數(shù)大、自重輕、安全系數(shù)高，能確保整個平臺穩(wěn)定在樁腿上，真正的實現(xiàn)“站得住、升得起、拔得出”；同時通過電氣系統(tǒng)的控制可實現(xiàn)無級調(diào)速，提高系統(tǒng)工作效率，保證平臺具有良好的安全性能及操縱性能，為順利進行碎石基床鋪設(shè)施工提供了強有力的保障。升降系統(tǒng)以解決港珠澳大橋沉管隧道基礎(chǔ)碎石鋪設(shè)整平關(guān)鍵技術(shù)為切入點，依托當(dāng)今現(xiàn)有碎石鋪設(shè)施工工藝，研發(fā)設(shè)計建造具有中交自主知識產(chǎn)權(quán)的自升式拋石整平船大載荷抬升機構(gòu)，攻克若干關(guān)鍵技術(shù)，并嚴格通過船級社等相關(guān)認證，最終實現(xiàn)港珠澳外海高精度碎石基床鋪設(shè)整平作業(yè)裝備。

2.插樁施工工藝

整平船升降系統(tǒng)的應(yīng)用主要集中在插樁作業(yè)過程中，而整平船插樁作為碎石基床鋪設(shè)整平前的重要工藝流程，不但是整平鋪設(shè)高精度保證，更是施工作業(yè)過程中制約安全的關(guān)鍵因素。以下就抬升系統(tǒng)插樁工藝流程做具體描述。

2.1 多波束掃測

整平船進場插樁作業(yè)前，需要先進行多波束掃測。通過多波束掃測觀測整平船作業(yè)范圍內(nèi)是否存在大型石塊、塌方、淤泥等異物。同時獲取該區(qū)域的原泥面標高，為整平船插樁提供原始泥面標高數(shù)據(jù)，提升整平船插樁可預(yù)知性與安全性。

2.2 整平船拖航及定位

整平船進場前，需進行船體水平校核、樁腿升降系統(tǒng)校核、拋石管高程校核、大小車軌道校核、拋石管油缸校核、聲吶系統(tǒng)校核、料位計校核等。并進行風(fēng)險自查、船舶試運行檢查。整平船拖航期間，樁腿最低點與平臺底部基線平齊，采用吊拖為主，傍拖為輔的方式進行拖航進場。吊拖利用設(shè)在艏端的smit拖點或船艉的拖力單樁進行牽引，傍拖利用設(shè)在船舷雙柱帶纜樁進行拖帶。整平船進場后通過輸入目標船位GPS1和GPS2坐標，誘導(dǎo)系統(tǒng)會自動跟蹤目標船位與當(dāng)前船位實施動態(tài)并顯示偏差角度與需要移動距離，通過收放錨纜完成整平船插樁位置精準定位。目標船體坐標在駕控室船舶誘導(dǎo)定位系統(tǒng)輸入，如圖3所示。

圖3 整平船定位示意圖

2.3 整平船調(diào)平

船體到達目標位置后，在執(zhí)行樁腿下降或平臺上升命令前，首先需要通過向樁腿四周的壓載艙吸排水方式調(diào)整壓載水量從而將整平船調(diào)平，實時觀察船體傾斜儀數(shù)值的動態(tài)變化，傾斜度應(yīng)始終保持在合理區(qū)間內(nèi)，壓載艙吸排水調(diào)平過程如圖4所示。

圖4 整平船調(diào)平示意圖

圖5 對角壓載插樁作業(yè)示意圖

2.4 插樁作業(yè)

通過參考比較多波束掃測的原泥面高度，調(diào)整四個樁腿下放高度，確保四根樁腿同時入泥。同時執(zhí)行樁腿下降或平臺上升動作，開始插樁。密切注視觀察平臺傾斜范圍，當(dāng)傾斜儀橫傾或縱傾超過0.3°時，應(yīng)停止當(dāng)前聯(lián)動模式插樁而改為對角加載交替插樁。繼續(xù)觀察傾斜儀讀數(shù)、樁腿下放高度及樁腿載荷和四角吃水變化，當(dāng)傾斜儀X，Y大于0.3°時，停止對角壓載插樁，通過單獨下放某一根樁腿進行船體調(diào)平。船體平衡后，繼續(xù)對角插樁，反復(fù)過程至某一對角樁腿下放至第四單元層地質(zhì)安全位置或樁腿受力達1300t-1400t，且樁腿下放長度不再變化，再進行另一對角插樁。

2.5 排水抬升

當(dāng)四根樁腿都下放至安全位置，且受力達安全值，確認無異常后，轉(zhuǎn)為四角抬升同時排出壓載水，四根樁腿同時動作，整平船脫離水面，抬升至施工高度。

整平船從浮態(tài)到頂升至水面以上整個過程，要密切關(guān)注六根錨纜的松緊程度，頂升過程中如果某根錨纜達到很緊的程度，要適當(dāng)放松錨纜，必須保持六根錨纜的受力松緊程度大概一致，整平船頂升穩(wěn)定后錨纜就可以全部放松。

2.6 整平船抬升高度計算

施工時為避免潮水及波浪的影響，整平船需抬升至安全高度，其安全高度值H為：可預(yù)測的高潮位+1/2預(yù)測最大波高+富余高度(0.5m)，抬升高度示意圖見圖6所示。

圖6 整平船抬升示意圖

2.7 地質(zhì)資料復(fù)核

插樁過程中，通過樁腿下放高度和GPS2高程坐標換算樁底標高和樁腿入泥深度，同時參考地質(zhì)資料情況對插樁過程進行動態(tài)監(jiān)控跟蹤。如插樁過程中樁腿偶遇軟弱夾層地質(zhì)層，導(dǎo)致樁腿支撐應(yīng)力不足而快速下陷，此時采用對角壓載的方式使單根樁腿逐一穿過軟弱夾層，避免出現(xiàn)嚴重穿刺而導(dǎo)致平臺傾斜。

3.結(jié)束語

整平船插樁工藝作為沉管隧道主體施工的首道工序，不但是碎石基床鋪設(shè)精度及施工安全的重要保障，同時也為沉管安裝打下了堅實的基礎(chǔ)，其意義尤為重要。本文從港珠澳大橋施工的實踐經(jīng)驗中進行總結(jié)，介紹了軟基條件下整平船的升降系統(tǒng)組成及相應(yīng)的插樁施工工藝，為國內(nèi)外外海深水先鋪法碎石基床整平設(shè)備的插樁工藝積累寶貴經(jīng)驗。