供料鎖固回填船在沉管隧道施工中的應(yīng)用

李有志，楊毓曉，林恒義

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

港珠澳大橋是國(guó)內(nèi)第一座集海底隧道、人工島及橋梁于一體的綜合性工程。其中海底沉管隧道長(zhǎng)約5 990 m，是目前世界上難度、規(guī)模最大，技術(shù)最復(fù)雜的沉管隧道。碎石鋪設(shè)整平和沉管安裝后的鎖固回填作業(yè)是沉管隧道施工最重要的2個(gè)關(guān)鍵工序，其作業(yè)效率對(duì)施工工期有重大影響，是沉管隧道施工作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。為了保證連續(xù)高效的石料輸送和準(zhǔn)確快速的鎖固回填，研制開發(fā)一艘供料鎖固回填船，除具有向平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船連續(xù)供料的能力外，還具有對(duì)已安裝沉管進(jìn)行鎖固回填作業(yè)的能力，既保證了施工精度，又極大地提高了施工效率[1-2]。

1 供料鎖固回填船供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 上料方式的選用

采用抓斗或反鏟為整平船上料，由于作業(yè)是間歇性的，石料供應(yīng)不連續(xù)，會(huì)大大降低整平效率，因此采用供料鎖固回填船向平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船進(jìn)行連續(xù)供料為最佳選擇。石料船提前將石料倒運(yùn)至供料鎖固回填船存放，再利用供料鎖固回填船上的皮帶輸送系統(tǒng)向整平船輸送石料。皮帶輸送系統(tǒng)即在存料區(qū)的甲板下設(shè)置縱向接料皮帶機(jī)，由于存料區(qū)域較大，為提高裝載效率，甲板上設(shè)置8 個(gè)下料口，每個(gè)下料口設(shè)下料料斗，料斗具有調(diào)節(jié)下料流量的能力，為防止堵塞，下料料斗設(shè)振動(dòng)電機(jī)，當(dāng)某個(gè)下料料斗上石料不足時(shí)用反鏟耙料于料斗上方或開啟其他下料料斗[3]。供料鎖固回填船供料模式見(jiàn)圖1。

圖1 供料鎖固回填船供料模式圖Fig.1 Feeding mode diagram for feeding and locking backfill ship

1.2 輸送效率的確定

平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船配備的皮帶輸送系統(tǒng)輸送能力為400 m3/h，供料鎖固回填船的皮帶輸送系統(tǒng)其輸送能力應(yīng)大于平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船，結(jié)合鎖固回填作業(yè)效率分析，將供料鎖固回填船的皮帶輸送能力定為不小于600 m3/h[4]。

1.3 石料的提升及計(jì)量

供料鎖固回填船的縱向接料皮帶機(jī)不能向平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船的接料料斗直接供料，需要另設(shè)提升皮帶機(jī)將石料提升轉(zhuǎn)送，受船寬和布置的限制，提升皮帶機(jī)無(wú)法沿船寬方向設(shè)置，仍需縱向設(shè)置，需要在接料皮帶機(jī)與提升皮帶機(jī)間設(shè)置轉(zhuǎn)向皮帶機(jī)。

結(jié)合鎖固回填的供料需要，提升皮帶機(jī)設(shè)為2 級(jí)，在2 級(jí)設(shè)分料塔，可實(shí)現(xiàn)石料的轉(zhuǎn)向。為防止在石料提升皮帶機(jī)上的石料因船舶搖擺而甩出，提升皮帶機(jī)的爬角應(yīng)盡可能小，將其定為小于12°[5]。

石料的計(jì)量選用專用的電子稱量系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向皮帶機(jī)上裝設(shè)電子稱，在中控室終端顯示。

1.4 布料皮帶機(jī)的研制

由于平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船作業(yè)時(shí)船體靠樁腿支撐，無(wú)論漲潮還是落潮接料斗的標(biāo)高均不變，而供料船的甲板面標(biāo)高隨潮位和裝載石料的多少動(dòng)態(tài)變化，因此為滿足連續(xù)供料要求，需保證出料口在甲板面以上高度不小于16.5 m，每次定位供料作業(yè)時(shí)，兩船的相對(duì)位置難以保證一致，需要布料機(jī)的輸出口應(yīng)具有一定的調(diào)節(jié)能力，即布料出口可調(diào)整高度、左右和前后位置，滿足潮位和船位變化時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)正碎石鋪設(shè)整平船接料。

研制了一種新型旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)，2 級(jí)提升皮帶機(jī)的出料口設(shè)于旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)的中心，旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)吊架吊拉出料皮帶機(jī)，由絞車控制出料口的提升或降低，旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度不小于120°[6]。

1.5 供料系統(tǒng)的組成及技術(shù)性能參數(shù)

供料系統(tǒng)由四級(jí)皮帶機(jī)、分料塔和旋轉(zhuǎn)布料皮帶機(jī)組成，布置如圖2 所示。

圖2 供料系統(tǒng)布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of feeding system layout

供料系統(tǒng)的技術(shù)性能參數(shù)如下：

1） 甲板料倉(cāng)石料存儲(chǔ)能力≥2 000 m3；

2） 供料鎖固回填船重載狀態(tài)向整平船供料的皮帶機(jī)出料口高度≥19 m。

3） 1 號(hào)—4 號(hào)皮帶機(jī)：皮帶寬1.2 m，輸送能力不小于600 m3/h，傳送速度1.6 m/s。

4） 旋轉(zhuǎn)布料皮帶機(jī)皮帶長(zhǎng)20 m，挑高6 m。

5） 旋轉(zhuǎn)布料皮帶機(jī)舷外跨度≥10 m，旋轉(zhuǎn)角度≥120°。

2 供料鎖固回填船的鎖固回填系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 鎖固回填布料方式的研發(fā)

利用拋石船、運(yùn)石料船配備吊機(jī)抓斗或裝載機(jī)等傳統(tǒng)的鎖固回填方法，均存在石料拋落落點(diǎn)不準(zhǔn)，落點(diǎn)和方量難以控制，拋填成形差，石料損耗量較大，難以進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，尤其是在流速大的深水拋填時(shí)，缺點(diǎn)更加明顯。

新研發(fā)了一套可移動(dòng)升降的定量拋石回填系統(tǒng)。在供料鎖固回填船甲板右舷設(shè)舷外平臺(tái)，舷外平臺(tái)與舷側(cè)設(shè)前后2 個(gè)長(zhǎng)方形開口，在前后開口內(nèi)各設(shè)1 個(gè)可移動(dòng)的下料溜管進(jìn)行鎖固回填的布料，布料時(shí)降至沉管兩側(cè)距基床一定高度實(shí)現(xiàn)定量拋石回填[6]。供料鎖固回填船鎖固回填模式見(jiàn)圖3。

圖3 供料鎖固回填船鎖固回填模式圖Fig.3 Locking and backfilling mode diagram for feeding and locking backfill ship

2.2 石料輸送

石料輸送的原理同平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船，通過(guò)設(shè)置前、后移動(dòng)皮帶機(jī)向回填移動(dòng)下料溜管供料，前、后移動(dòng)皮帶機(jī)隨前、后移動(dòng)臺(tái)車同步移動(dòng)，并從分料塔接料，移動(dòng)皮帶機(jī)的石料出口分別與前后下料溜管的接料料斗匹配設(shè)置。

2.3 質(zhì)量檢測(cè)

在船上設(shè)置2 臺(tái)GPS 和1 臺(tái)傾斜儀進(jìn)行船舶定位測(cè)量，施工位置（坐標(biāo)）輸入船舶施工監(jiān)控系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示船位和設(shè)置的施工位置。在每個(gè)下料溜管上部安裝1 臺(tái)GPS 天線，在底部安裝1 個(gè)測(cè)深儀探頭，用于鎖固回填平面位置和高程測(cè)量，質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果直接在中控室的施工管理系統(tǒng)PC 終端顯示[7]。

2.4 施工管理系統(tǒng)軟件的開發(fā)

開發(fā)了一套專門的施工管理系統(tǒng)軟件，用于船舶和溜管的定位和一般回填過(guò)程中高程控制，施工管理系統(tǒng)具有以下功能：

1） 可以實(shí)時(shí)顯示供料回填船本身的幾何輪廓線和船舶四角的坐標(biāo)，根據(jù)預(yù)先計(jì)算好的每個(gè)船位的坐標(biāo)進(jìn)行船舶定位；

2） 可以實(shí)時(shí)顯示溜管的位置及溜管移動(dòng)速度、溜管頂標(biāo)高等數(shù)據(jù)；

3） 通過(guò)設(shè)置在2 號(hào)皮帶機(jī)上的皮帶秤，可以顯示開累施工數(shù)量和1 個(gè)布料間距內(nèi)的開累回填重量；

4） 自動(dòng)將1 個(gè)管節(jié)的回填區(qū)域按照布料間距大小分成多個(gè)網(wǎng)格，當(dāng)1 個(gè)布料間距回填完成后，自動(dòng)在系統(tǒng)終端界面上顯示。

2.5 鎖固回填系統(tǒng)的組成及性能參數(shù)

鎖固回填系統(tǒng)由下料溜管、移動(dòng)臺(tái)車、移動(dòng)皮帶機(jī)、下料溜管提升架、定位設(shè)備和質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備組成。鎖固回填系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)如下：

1） 移動(dòng)皮帶機(jī)皮帶寬1.2 m，輸送能力不小于600 m3/h；

2） 移動(dòng)皮帶機(jī)傳送速度1.6 m/s；

3） 下料溜管尺寸?1 200 mm×16 mm；

4） 下料溜管長(zhǎng)度（重載水線下） 35 m；

5） 前、后下料溜管的最大間距80 m；

6） 前移動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)距離21 m；

7） 后移動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)距離36 m；

8） 前、后移動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)速度0～10 m/min。

3 供料鎖固回填船的試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)供料和鎖固回填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完成了供料鎖固回填船的制造，經(jīng)過(guò)傾斜試驗(yàn)、系泊試驗(yàn)等CCS 簽證后，自航到達(dá)珠海施工現(xiàn)場(chǎng)，在錨地對(duì)主要機(jī)電設(shè)備、供料系統(tǒng)的設(shè)備、回填系統(tǒng)的設(shè)備和旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行空載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，待各設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、正常后按照各自技術(shù)性能指標(biāo)和試驗(yàn)要求進(jìn)行綜合調(diào)試[8]。

3.1 供料系統(tǒng)重載試驗(yàn)

在供料船存料區(qū)存有一定量的石料后，即可進(jìn)行供料系統(tǒng)重載試驗(yàn)，啟動(dòng)1 號(hào)—4 號(hào)皮帶機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)，5 min 后開啟石料下方料斗并將旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)的出口調(diào)至本船石料存儲(chǔ)區(qū)上部，石料從下料口料斗落入1 號(hào)皮帶機(jī)上，并依次向2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)皮帶機(jī)輸送，最終通過(guò)旋轉(zhuǎn)皮帶機(jī)卸入本船存料區(qū)內(nèi)。連續(xù)進(jìn)行0.5 h 的石料輸送，在此期間，如果某一料斗石料不足時(shí)，開啟其他下料口料斗，或用反鏟將石料耙在料斗上方補(bǔ)充石料供應(yīng)。在試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行電子秤的校驗(yàn)與標(biāo)定，以便對(duì)石料輸送進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。供料重載試驗(yàn)主要是驗(yàn)證石料輸送能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 沉管鎖固回填重載試驗(yàn)

在首節(jié)沉管安裝后，將經(jīng)緯輪拖至施工現(xiàn)場(chǎng)，按施工作業(yè)的要求拋錨就位，將6 個(gè)錨纜收緊，使供料船定位于沉管一端的上方，石料供應(yīng)船靠泊供料船，并進(jìn)行卸料作業(yè)，當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)石料達(dá)到一定方量后，即可進(jìn)行沉管回填重載試驗(yàn)。

將前移動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)至最前端、后移動(dòng)臺(tái)車移動(dòng)至最后端，將前、后下料管降至設(shè)定高度，啟動(dòng)1 號(hào)—3 號(hào)皮帶機(jī)和5 號(hào)、6 號(hào)移動(dòng)皮帶機(jī)進(jìn)行空轉(zhuǎn)，5 min 后開啟石料下方料斗，石料從下料口料斗落入1 號(hào)皮帶機(jī)上，并依次向2 號(hào)、3 號(hào)移動(dòng)皮帶機(jī)、分料塔和4 號(hào)、5 號(hào)移動(dòng)皮帶機(jī)輸送，最終通過(guò)下料溜管落入沉管兩側(cè)，當(dāng)石料到達(dá)下料管后，啟動(dòng)前、后移動(dòng)臺(tái)車緩緩移動(dòng)進(jìn)行回填作業(yè)，移動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)回填斷面計(jì)算設(shè)定，并經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后確定。一個(gè)回填斷面完成回填后，供料回填船前進(jìn)一個(gè)作業(yè)步長(zhǎng)，進(jìn)行下一斷面的回填。沉管回填重載試驗(yàn)主要是驗(yàn)證作業(yè)效率是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1整平供料應(yīng)用情況

平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船已完成港珠澳大橋沉管隧道全部33 個(gè)沉管的基床整平，供料鎖固回填船累計(jì)石料輸送量約167.8 萬(wàn)m3，實(shí)際輸送效率大于400 m3/h，滿足平臺(tái)式碎石鋪設(shè)整平船的供料要求。

3.3.2鎖固回填應(yīng)用情況

1） 沉管鎖固

單節(jié)沉管鎖定回填方量為10 600 m3，經(jīng)緯輪實(shí)際施工效率約500 m3/h，管節(jié)長(zhǎng)180 m，需移船90 次，每次回填標(biāo)高檢驗(yàn)和移船約20 min，則鎖定回填所需時(shí)間：T=10 600/500+90×20/60=51 h，每天按作業(yè)14 h 計(jì)算，實(shí)際完成鎖固回填作業(yè)為4 d，滿足工期要求。

2） 一般回填

一般回填方量47 920 m3，經(jīng)緯輪實(shí)際施工效率約500 m3/h，管節(jié)長(zhǎng)180 m，需移船90 次，考慮每次回填標(biāo)高檢驗(yàn)和移船10 min，則一般回填所需時(shí)間：T=47 920/500+90×10/60=111 h，每天按作業(yè)14 h 計(jì)算，實(shí)際完成一般回填需作業(yè)8 d，滿足工期要求。

4 結(jié)語(yǔ)

供料鎖固回填船將存料、供料、運(yùn)料船定位和鎖固回填及質(zhì)量檢測(cè)等多個(gè)功能整合于一體，通過(guò)自身供料及鎖固回填一體化系統(tǒng)，優(yōu)化了沉管隧道施工技術(shù)，提高了工作效率和船舶使用率，滿足了碎石基床鋪設(shè)及鎖固回填石料量巨大、高精度的要求。供料鎖固回填船已經(jīng)在海底隧道施工中成功應(yīng)用，這對(duì)提高我國(guó)自主創(chuàng)新水平、引領(lǐng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有顯著的社會(huì)效益。