超大型沉管輪軌式臺車移動技術(shù)

趙國臻，陳偉彬

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概述

深中通道按照8車道、時速100 km設(shè)計(jì)，隧道段全長6 845 m。其中沉管隧道段長5 035 m，由32節(jié)鋼殼沉管（內(nèi)部填充高流動性混凝土）和1節(jié)最終接頭組成；標(biāo)準(zhǔn)鋼殼沉管長165 m，寬46 m，高10.6 m，空殼重量約12 000 t，完成混凝土澆筑后沉管重量約80 000 t。

鋼殼沉管混凝土的澆筑和鋼殼沉管的移動在預(yù)制場內(nèi)完成；預(yù)制場布置有卸駁碼頭、卸駁區(qū)、澆筑區(qū)、淺塢區(qū)、深塢區(qū)。為了解決沉管場內(nèi)移動問題，研究了超大型鋼殼沉管輪軌式臺車移動技術(shù)，并成功應(yīng)用于深圳通道工程中，至今已完成16節(jié)鋼殼沉管的移動。在鋼殼沉管下方設(shè)置4組軌道（分別位于2個側(cè)墻和2個中隔墻下方），軌道采用鋼軌，鋼軌上安裝輪軌式移動臺車，實(shí)現(xiàn)沉管支撐和移動。

12 000 t的鋼殼由船廠制作完成后整體運(yùn)至預(yù)制場卸駁區(qū)，安放在卸駁區(qū)無源支撐上，隨后通過輪軌式臺車將12 000 t的鋼殼移動180 m至澆筑區(qū)進(jìn)行混凝土澆筑；待混凝土達(dá)到強(qiáng)度后通過輪軌式臺車把約80 000 t的鋼殼沉管移動215.5 m至淺塢區(qū)，受力體系轉(zhuǎn)換至支撐受力，進(jìn)行一次舾裝[1]。本文主要針對80 000 t的鋼殼沉管移動技術(shù)進(jìn)行闡述。

2 主要施工工藝

2.1 工藝流程

鋼殼沉管移動流程如圖1所示。

2.2 輪軌式臺車軌道

80 000 t鋼殼沉管下方設(shè)有4條軌道梁，每個滑移軌道梁上面安裝2條A150鋼軌，如圖2所示，共8條4組，軌內(nèi)距900 mm。

圖2 軌道安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of track installation

2.3 鋼殼沉管移動系統(tǒng)

2.3.1 支撐系統(tǒng)

單臺輪軌式臺車設(shè)計(jì)承載能力800 t，每臺臺車設(shè)置8個直徑630 mm的鍛鋼車輪，如圖3所示，臺車千斤頂兩邊各裝1個無源支撐，用于無源支撐和支撐千斤頂之間的受力轉(zhuǎn)換[2]。

圖3 輪軌式臺車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of wheel-track trolley structure

鋼殼沉管下方布置4列臺車（圖4），每列50臺，共200臺，臺車中心點(diǎn)間距3 300 mm，每列臺車坐落在2條A150軌道上，共用一條鋼筋混凝土軌道梁，軌道梁支撐在巖面或者樁基上。

圖4 輪軌式臺車布置斷面圖（mm）Fig.4 Cross-section of wheel-track trolley(mm)

每臺臺車設(shè)置1個800 t千斤頂，千斤頂為柱塞式單作用油缸，200個臺車配置200個液壓支撐千斤頂構(gòu)成鋼殼沉管支撐系統(tǒng)，以多點(diǎn)支撐自平衡關(guān)鍵技術(shù)保證鋼殼沉管水平姿態(tài)、支撐安全及平衡。將4組軌道上（從南到北依次編號為1號、2號、3號、4號）的200臺臺車上的支撐千斤頂串聯(lián)成3個支撐點(diǎn)；并將單個支撐點(diǎn)內(nèi)的單雙數(shù)（編號）千斤頂分別串聯(lián)起來形成獨(dú)立油路，單數(shù)千斤頂串聯(lián)油路為A油路，雙數(shù)千斤頂串聯(lián)油路為B油路，如圖5所示。2條獨(dú)立油路串聯(lián)的千斤頂共同支撐鋼殼沉管。在完成加壓后斷開油路與油泵的連接油管快速接頭，獨(dú)立支撐油路形成一條封閉的油路，為串聯(lián)的千斤頂提供穩(wěn)定支撐力[3]。

圖5 自平衡油路連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of self-balancing oil circuit connection

支撐千斤頂油管設(shè)置球式截止閥，鋼殼沉管移動時打開油路上所有千斤頂球閥，使千斤頂與油路完全連通，因此在工作狀態(tài)下單條油路上的千斤頂是完全連通的。當(dāng)軌道出現(xiàn)局部高低不平的情況，處于軌道高處的千斤頂向油路釋放液壓油，油路會自動將高處千斤頂釋放的液壓油補(bǔ)充在處于低處的千斤頂內(nèi)，從而保持油路上所有支撐千斤頂始終維持相同的支撐壓力，保證沉管處于一個水平面上。

利用蓄能器和串聯(lián)油路壓力自動調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)油路壓力自平衡，從而能自動適應(yīng)軌道高低不平的情況，始終保持沉管在一個水平面上。

2.3.2 電控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)設(shè)置了集中控制臺，可以在控制臺中實(shí)時監(jiān)控所有臺車的工況。整個臺車行走系統(tǒng)通過同一個操作手柄進(jìn)行控制，保證了命令的統(tǒng)一性，為保證各控制單元開關(guān)控制、變頻器控制高度同步，根據(jù)控制時序，發(fā)出命令同時到達(dá)所有臺車，實(shí)現(xiàn)精確的開關(guān)和變頻器控制。每個臺車接收信號后，實(shí)現(xiàn)無級同步調(diào)速，確保整個系統(tǒng)在行進(jìn)時的穩(wěn)定性和同步性。

控制系統(tǒng)采用PLC智能控制，采用通訊連接，接線簡單，可集中控制系統(tǒng)中的所有設(shè)備，監(jiān)測各個設(shè)備參數(shù)。控制監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)采用2套，自動切換?？刂葡到y(tǒng)的通訊線路采用雙回路冗余，確保某一線路在使用中出現(xiàn)中斷時，仍然可以與每一輛臺車之間進(jìn)行通訊和控制，提高系統(tǒng)的安全可靠性[4]。

2.3.3 導(dǎo)向糾偏系統(tǒng)

1）臺車鋼輪采用單邊輪緣，編組時將輪緣與輪軌的間隙留在同一側(cè)，避免臺車在行走的過程中走偏。

2）當(dāng)臺車一旦偏離，輪緣與軌道的擠壓實(shí)現(xiàn)自動糾偏，頂板與千斤頂接觸面橫向加工成橢圓形，當(dāng)輪緣與軌道有比較大的擠壓時，允許千斤頂與頂板之間有橫向滑動，臺車在運(yùn)行時軸線有調(diào)整空間。

3）設(shè)置以1列臺車為基準(zhǔn)，其他3列臺車跟隨，安裝在電纜臺車上的位移傳感器實(shí)時監(jiān)測臺車行走距離，當(dāng)監(jiān)測到臺車行走距離偏差差值達(dá)到設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動改變與基準(zhǔn)列不同步的臺車變頻器輸出的頻率，最終實(shí)現(xiàn)糾偏的目的。

3 鋼殼沉管移動

3.1 鋼殼沉管移動前體系轉(zhuǎn)換

在澆筑區(qū)進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑完成之后進(jìn)行支撐千斤頂加壓，使得千斤頂完全和頂板接觸，松掉無源支撐，由無源支撐體系轉(zhuǎn)換為千斤頂支撐體系。

3.2 鋼殼沉管移動施工

拆除卸駁區(qū)與澆筑區(qū)間道路的鋼棧橋、澆筑過程臨時與沉管固結(jié)的構(gòu)件以及鋼閘門止水擋塊，完成鋼殼縱移前進(jìn)軌道障礙、鋼殼沉管是否連接固定構(gòu)件等檢查后，進(jìn)行沉管縱移作業(yè)。啟動臺車移動系統(tǒng)，測試無異常后，即可進(jìn)行移動作業(yè)，移動過程中，控制鋼殼的移動速度不超過1 m/min，且每移動30 m即進(jìn)行1次全站儀測量，檢查沉管的移動行程、軸線偏差等。移動過程中采用卷尺時刻測量沉管底標(biāo)高，確保沉管底標(biāo)高不變，如出現(xiàn)較大偏差則停止移動，調(diào)整沉管底標(biāo)高后再開始沉管移動。80 000 t鋼殼沉管移動215.5 m到澆筑區(qū)駐停位置[5]。

3.3 淺塢區(qū)體系轉(zhuǎn)換

沉管到達(dá)淺塢區(qū)后，鎖緊夾軌器，進(jìn)行沉管支撐體系轉(zhuǎn)換作業(yè)。采用水準(zhǔn)儀對鋼殼沉管的底標(biāo)高進(jìn)行測量，針對不滿足要求的位置利用液壓千斤頂進(jìn)行調(diào)整，直至調(diào)平鋼殼沉管，然后關(guān)閉所有液壓千斤頂?shù)慕刂归y，進(jìn)行千斤頂置換作業(yè)[3]。

1）緊固軌道兩側(cè)混凝土支墩上的無源支撐楔型端頭螺栓，使無源支撐與鋼殼沉管完全接觸，對所有無源支撐驗(yàn)收合格后再進(jìn)行液壓千斤頂卸載作業(yè)。

2）啟動油泵進(jìn)行泄壓，形成三級泄壓，每次卸完靜置20 min，觀察無源支撐與鋼殼沉管的接觸情況，同時檢查千斤頂螺母是否脫離千斤頂頂板；檢查確認(rèn)無故障再繼續(xù)泄壓，直到完全釋放液壓支撐系統(tǒng)的壓力，由臺車受力轉(zhuǎn)換為無源支撐受力。

3.4 臺車系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至卸駁區(qū)

支撐體系轉(zhuǎn)換完成后，將頂板降至與沉管完全脫離且為最低位置。臺車退出沉管前首先檢查鋼殼底部與臺車的間隙是否超過允許誤差值10 mm，利用臺車系統(tǒng)雙向移動的特性，沿沉管移動的反方向?qū)?列臺車從淺塢區(qū)整體移動至澆筑區(qū)，對臺車重新檢查、調(diào)試后，進(jìn)行下一個鋼殼沉管的體系轉(zhuǎn)換和移動[6]。

4 鋼殼沉管移動過程中的分析探討

軌道型號為DIN536-A150-690，設(shè)置4組軌道，80 000 t鋼殼沉管移動距離約600 m。為保證臺車正常運(yùn)行，軌道安裝參照GB/T 10183—2010《起重機(jī)車輪及大車和小車軌道公差》中3級公差要求。

4.1 軌道平行度對鋼殼沉管移動的影響

在E2沉管移動的過程中，臺車在進(jìn)入淺塢區(qū)后，存在輪緣擠壓軌道的情況。臺車退車后，重新檢查單列軌道軌距及4列軌道的平行度，發(fā)現(xiàn)軌組間距的累計(jì)誤差已達(dá)到±5 mm，已超出規(guī)范要求，重新對軌道進(jìn)行調(diào)整后，沒有再出現(xiàn)輪緣擠壓軌道的情況。

4.2 軌道軌間高低差對鋼殼沉管移動的影響

在E2沉管移動的過程中，臺車時常出現(xiàn)“嘣嘣”的響聲，經(jīng)檢查是支撐千斤頂根據(jù)液壓自平衡原理來適應(yīng)軌道高低不平的原因。發(fā)現(xiàn)如下問題并進(jìn)行解決：

1）軌道之間的接縫，部分縫隙寬度達(dá)到10 mm。與所提出的3 mm的要求相去甚遠(yuǎn)；縫隙大，軌道端頭的磨損更嚴(yán)重，減小接縫寬度，對軌道端頭起到保護(hù)作用，拆除后重新安裝軌道，控制接縫寬度，使臺車更加平穩(wěn)地運(yùn)行[7]。

2）軌道接縫存在水平錯位、高差較大等現(xiàn)象，在接縫位置下方塞實(shí)鋼板，使地基及臺車均勻受力和平穩(wěn)移動。

4.3 軌道型號對鋼殼沉管移動的影響

本工程80 000 t鋼殼沉管移動使用200臺800 t臺車，每個臺車8個630 mm的輪子，共有1 600個，設(shè)計(jì)正常使用輪壓是50 t。使用市場常見軌道QU120，其鋼輪和軌道接觸的有效長度是104 mm，根據(jù)GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，線接觸的允許輪壓為：

P=kDlC

式中：k與選用材料有關(guān)，取7.8；D為車輪直徑，mm；l為車輪與車軌有效接觸線長度，mm；C與運(yùn)行速度和工作級別有關(guān)，取1.310 4，計(jì)算中速度取規(guī)范最小值5 m/s，工作級別取M3。

將以上參數(shù)代入式中：

P=669.7 kN

靜載輪壓：

Pmax＜1.9kDl=1.9×7.8×630×104=971 kN

而選擇德標(biāo)A150軌道，有效接觸長度是130 mm，根據(jù)上述計(jì)算靜載輪壓為1 213.8 kN。可見QU120軌道車輪設(shè)計(jì)靜載輪壓是工作輪壓的1.9倍，A150軌道車輪設(shè)計(jì)靜載輪壓是工作輪壓的2.43倍，200個800 t臺車總承載力是160 000 t，是80 000 t的2倍。為確保沉管移運(yùn)安全，采用與港珠澳大橋工程80 000 t鋼筋混凝土沉管移動同樣的2倍安全系數(shù)，故選擇A150軌道保證靜載輪壓是工作輪壓的2倍[8]。

5 結(jié)語

通過移動工藝、液壓自平衡支撐以及應(yīng)用中存在問題等方面的研究，形成了超大型鋼殼沉管移動技術(shù)，保障了大型構(gòu)件移動的速度提升和精確定位，形成工廠化預(yù)制的目的，滿足工程工期要求和市場需求，與港珠澳大橋工程80 000 t鋼筋混凝土沉管的移動速度相比提高10倍多。其中利用液壓自平衡支撐系統(tǒng)、總集成電控系統(tǒng)及導(dǎo)向糾偏系統(tǒng)等集成大數(shù)據(jù)同步平穩(wěn)移動系統(tǒng)，為工程開展提供新的思路和理念，為后續(xù)大型構(gòu)件的移動提供很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。