超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略

陳興春

沉管隧道又叫做沉埋管隧道，主要由兩岸上段和沉管段共同組成，應(yīng)用范圍為道路、軌道和隧道等等。施工方式通常分為干塢和平臺線式兩種。顧名思義，鋼殼沉管就是采用鋼材料制作而成的外殼及殼內(nèi)灌注混凝土作為沉管隧道的管節(jié)，鋼殼隧道的特點(diǎn)是可通過利用造船臺或者平臺線完成施工，由于鋼殼具有良好的防水性，無需做額外的防水措施，并且有較強(qiáng)的地質(zhì)適應(yīng)性及滿足異型尺寸鋼構(gòu)制作等特點(diǎn)，所以深受業(yè)內(nèi)人士喜愛。

一、案例概況

深圳至中山跨江通道沉管預(yù)制工程（以下簡稱深中通道工程）采用雙向8車道，時(shí)速100km，總長6845m，其中預(yù)制沉管段長5035m，分別由32節(jié)管節(jié)和1個(gè)最終接頭組成。工程承包方式為施工總承包，項(xiàng)目合同工期為64個(gè)月，2018年 3月1日—2023年7月1日。其中，預(yù)制場具備混凝土澆筑能力（即完成卸駁碼頭、卸駁區(qū)及澆筑區(qū)施工）控制節(jié)點(diǎn)為開工后9個(gè)月，并在開工后12個(gè)月完成預(yù)制場全部改造作業(yè)。首節(jié)管節(jié)預(yù)制完成及一次舾裝完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為開工后12.5個(gè)月及開工后14個(gè)月，在首節(jié)管節(jié)預(yù)制完成前應(yīng)完成足尺模型試驗(yàn)。最后一節(jié)管節(jié)（不包括最終接頭）管節(jié)預(yù)制完成及一次舾裝完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為開工后44.5個(gè)月及46.5個(gè)月。

二、鋼殼沉管基本介紹

深中通道工程鋼殼沉管共計(jì)32個(gè)管節(jié)。其中，公司承接建造的14個(gè)管節(jié)中，有8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，6個(gè)變寬管節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)尺寸為165m×46m×10.6m，重量約11000t，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的管節(jié)的重要區(qū)別在于兩端的角度不同，中間結(jié)構(gòu)基本相似，各個(gè)變寬管節(jié)區(qū)別較大，橫向結(jié)構(gòu)以發(fā)散型方式布置，縱向結(jié)構(gòu)沿管節(jié)中心線布置。所有管節(jié)方方正正，變寬管節(jié)長度方向設(shè)計(jì)了一個(gè)弧度，因此標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和變寬管節(jié)的鋼材使用量也不一致。

三、超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略

1. 嚴(yán)格控制鋼材物量使用

鋼材物量管控還需要從設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、板縫優(yōu)化以及生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化三個(gè)方面做起：

（1）設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

本工程項(xiàng)目有很多需要進(jìn)行水密檢查之處，每一個(gè)水密位置都設(shè)置一個(gè)工藝人孔便于相關(guān)人員穿行及施工。在原設(shè)計(jì)方案中的工藝人孔為搭接形式工藝孔封板，如果按照此方式施工，將增加鋼材使用量100t左右，14個(gè)管節(jié)就會增加鋼材使用量大約1400t。同時(shí)，搭接形式工藝孔封板施工方式造成的散裝件數(shù)量龐大，散裝件管理困難，既容易丟失，還會在無形之中提高施工成本。對此，中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司、上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司設(shè)計(jì)人員針對以上問題的出現(xiàn)，分別從降低施工成本和便于施工兩個(gè)方面考慮，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，即采用埋入式代替搭接式。埋入式施工方式具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：①埋入式封板在建模可以在母板上完成，封板可自動(dòng)切割出坡口，便于施工現(xiàn)場和材料管理。②封板零件為母板上的零件，無需額外使用其他材料，大大提高了鋼材的使用效率，僅僅是對該節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化，管節(jié)的材料費(fèi)便可結(jié)余50余萬元。優(yōu)化后的工藝孔封板如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的工藝孔封板（單位：mm）

（2）板縫優(yōu)化

沉管結(jié)構(gòu)主要為趾端放大的隔板結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)如果能夠合理地排版接縫，也可以大大提升鋼材使用效率。

（3）生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程項(xiàng)目所有沉管結(jié)構(gòu)具有較高的相似度，如果能夠合理安排生產(chǎn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的人員管控和訂貨流程管控，成本管控必將事半功倍。因此，注重生產(chǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，對于保證工程項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量、效率和成本控制具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。①人員管控。人員管控指的是人員固定、施工區(qū)域固定以及施工任務(wù)固定。其中，人員固定可縮減生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員，節(jié)約大量人力資源成本。在本工程項(xiàng)目中，如果按照建設(shè)區(qū)域劃分，做到崗位明確分工，就能快速完成自己負(fù)責(zé)區(qū)域的施工任務(wù)，進(jìn)而保證節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一和模型的準(zhǔn)確性，后續(xù)環(huán)節(jié)鋼材用量控制容易。有理論研究證明：人員固定、施工區(qū)域固定以及施工任務(wù)固定的生產(chǎn)設(shè)計(jì)方式，較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式可節(jié)約大量人力及人工成本。②訂貨流程管控。本項(xiàng)目訂貨流程如下：即設(shè)計(jì)人員在完成鋼材預(yù)套料數(shù)據(jù)編制后，提交上級主管核對，主管在核對時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)鋼材預(yù)套料使用不當(dāng)，應(yīng)立即返回設(shè)計(jì)人員重新修改套料數(shù)據(jù)，保證最終預(yù)套料使用數(shù)量達(dá)標(biāo)。待完成上述工作后，設(shè)計(jì)人員再將鋼材預(yù)套料數(shù)據(jù)提交至主管進(jìn)行二次核對，方可采購鋼材。圖2為鋼材預(yù)套料訂貨流程。

圖2 鋼材預(yù)套料訂貨流程

2. 注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

超大型鋼殼沉管隧道是一種新型的施工方式，可參考的施工經(jīng)驗(yàn)和資料較少，需要邊設(shè)計(jì)邊、邊總結(jié)，使其能夠更好地滿足施工需要和使用需求。所以，為更好地體現(xiàn)工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)與社會效益，滿足混凝土澆筑需求，各參建單位之間應(yīng)加強(qiáng)溝通，就鋼殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)板、外板以及橫隔板的理論線面、焊接方式進(jìn)行協(xié)商，通過側(cè)墻、中墻內(nèi)外面板的水平縱肋設(shè)置的流水孔對底板一端增開角隅，為艙室清水工作提供便利。具體需要從以下幾個(gè)方面做起：（1）鋼殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)板、外板理論線優(yōu)化。將傳統(tǒng)的鋼殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)板、外板結(jié)構(gòu)面改為非結(jié)構(gòu)面平齊拼接方案，合理利用FCB生產(chǎn)流水線進(jìn)行焊接，可降低因焊接質(zhì)量問題增加的施工成本。（2）隔襯板對齊。為保證項(xiàng)目施工進(jìn)度，板厚差≤12mm施工時(shí)改為單側(cè)平齊，板厚差＞12mm施工時(shí)按照板厚居中對齊。（3）如果隔板厚度＜18mm，施工工程中應(yīng)采用對稱坡口深溶和角焊縫施工方式，但為了降低焊材使用數(shù)量，減少施工人員工作量，后續(xù)施工全部改為對稱坡口深溶與焊縫施工方案。

3. 采用聯(lián)合運(yùn)輸過駁

深中通道工程超大型鋼殼沉管隧道共32個(gè)管節(jié)（165m×46m×10.6m），重量約11000t，鋼殼在船廠加工完成后預(yù)制場參與第一次驗(yàn)收，合格后運(yùn)送至預(yù)制場，制作單位卸駁上岸至卸駁區(qū)無源支撐后進(jìn)行第二次驗(yàn)收，合格后完成移交手續(xù)。由于業(yè)主對管殼在運(yùn)輸環(huán)節(jié)的變形控制要求較高，變形范圍不得超過20mm。但因管節(jié)兩孔--管廊的設(shè)計(jì)誤差，導(dǎo)致其橫向結(jié)構(gòu)變?nèi)?，如果采用常?guī)運(yùn)輸方式必然會導(dǎo)致管節(jié)發(fā)生嚴(yán)重變形，無法使用，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)。故此，本節(jié)主要從運(yùn)輸技術(shù)方案設(shè)計(jì)和理論驗(yàn)算以及技術(shù)難點(diǎn)與解決辦法三個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)，在解決現(xiàn)有問題的同時(shí)，降低成本。

（1）聯(lián)合運(yùn)輸技術(shù)方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目管節(jié)運(yùn)輸設(shè)備主要為管節(jié)移動(dòng)小車和載重小車載運(yùn)。管節(jié)移動(dòng)小車支撐千斤頂頂面設(shè)置橡膠墊，避免剛性接觸，鋼殼裝載或卸駁過程中支撐千斤頂緩慢加壓或卸壓，避免造成沖擊；載重小車沿前后兩條平板軌道行走，實(shí)現(xiàn)鋼閘門開啟和關(guān)閉。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，管節(jié)在運(yùn)輸過程中十分容易發(fā)生橫向大變形，主要原因是由于管節(jié)在設(shè)計(jì)過程中采用的是兩孔--管廊的設(shè)計(jì)模式，導(dǎo)致其橫向結(jié)構(gòu)變?nèi)?。所以，對于長度超過46m的管節(jié)的運(yùn)輸過程中，由于管節(jié)移動(dòng)小車只能布置在中間的7m處，兩側(cè)懸空太大就會導(dǎo)致管節(jié)出現(xiàn)變形，該問題的解決辦法就是在管節(jié)的兩側(cè)增加其他運(yùn)輸設(shè)備。如果在管節(jié)的兩側(cè)增加移船小車，需要破壞混凝土地面結(jié)構(gòu)，并增加預(yù)埋小車軌道。為充分利用既有設(shè)備資源，避免額外基建投入，同時(shí)又能解決管節(jié)運(yùn)輸問題，經(jīng)研究決定：可以在管節(jié)居中±18m處增加模塊車，在居中±7m處設(shè)置移動(dòng)小車，通過聯(lián)合運(yùn)輸方式保證管節(jié)過駁。

為最大限度地降低管節(jié)變形問題，需要將模塊車上的136軸線全部派上用場，并分為4個(gè)部分均勻設(shè)置在管節(jié)的周圍。同時(shí)，也將移船小車分為4大組并均勻布置在管節(jié)兩側(cè)。模塊車作為管節(jié)運(yùn)輸?shù)妮o助設(shè)備，可承受3000t的管節(jié)重量。

（2）理論驗(yàn)算

通過Partran軟件對管節(jié)運(yùn)輸情況進(jìn)行驗(yàn)算，得出管節(jié)運(yùn)輸最大變形量為15.1m（數(shù)據(jù)校核），可滿足最大要求變形的320mm要求，說明管節(jié)聯(lián)合運(yùn)輸技術(shù)方案可行。

（3）技術(shù)難點(diǎn)與解決辦法

本項(xiàng)目位于南方海島，受氣候影響，會存在夏季臺風(fēng)、冬季季候風(fēng)等影響，會給項(xiàng)目施工、人員帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。在如此惡劣的施工環(huán)境下，如果采用兩種不同的設(shè)備運(yùn)輸管節(jié)，從駁船聯(lián)合到運(yùn)輸上岸，難度可想而知。為此，我們還需要解決一些技術(shù)方面的難點(diǎn)問題。①移船小車液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。移船小車的工作原理需要借助計(jì)算機(jī)控制分組內(nèi)每一臺小車的荷載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均載。但是，移船小車控制程序復(fù)雜，還容易出現(xiàn)故障，很難實(shí)現(xiàn)與模塊車的同步頂升。所以，我們需要對移船小車液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過增加外接串聯(lián)油管將大組內(nèi)的每臺小車頂升油缸串聯(lián)在一起，形成均勻載床，保證移船小車與模塊車均載一致。經(jīng)過優(yōu)化與改進(jìn)后的移船小車液壓系統(tǒng)，不僅與模塊車進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)，自身的性能也得到了提升，下水效率更高，設(shè)備故障概率更低，系統(tǒng)更加穩(wěn)定與可靠，無須返工，成本更可控。②聯(lián)動(dòng)控制。管節(jié)運(yùn)輸不僅變形應(yīng)控制在20mm之內(nèi)，且澆筑環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)緊湊，如果上岸時(shí)的中心線與平整度略有偏差，管節(jié)就會觸碰小車邊緣，導(dǎo)致管節(jié)發(fā)生變形。因此，還需要保證兩套設(shè)備聯(lián)合動(dòng)作時(shí)的同步，這就需要相關(guān)人員能夠根據(jù)兩臺不同設(shè)備的特點(diǎn)，在不同的環(huán)節(jié)采取不同的策略，分別通過人工和壓力監(jiān)控的方式，保證兩套設(shè)備完全同步行走的效果。

四、經(jīng)濟(jì)效益

就目前情況來看，深中通道工程已經(jīng)完成了大部分的管節(jié)生產(chǎn)任務(wù)，通過相關(guān)人員深入研究標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和變寬管節(jié)的特點(diǎn)，嚴(yán)格控制鋼材物量使用、注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)以及采用聯(lián)合運(yùn)輸過駁，并全面實(shí)施，必然會實(shí)現(xiàn)各管材的合理利用。通過對超大型鋼殼沉管隧道成本控制，可節(jié)約成本近1600萬元，總的來說，本項(xiàng)目采用的成本控制方法，應(yīng)用效果十分明顯，可在同類工程項(xiàng)目中推廣。

五、結(jié)語

綜上所述，文章結(jié)合實(shí)際案例，主要探討了超大型鋼殼沉管隧道成本控制策略，保證了工程項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量，為同類鋼殼沉管隧道成本控制積累了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，更為超大型鋼殼沉管隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了重要的借鑒作用。