超大型沉管管節橫移施工工藝

陳偉彬，劉榮崗，戴雙全

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

超大型沉管管節橫移施工工藝

陳偉彬，劉榮崗，戴雙全*

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

管節橫移施工是沉管預制階段的最后一道工序。通過對布纜設計、設備選型計算，制定了一套完善的管節橫移施工流程和操作方法。實際工程已經成功完成24個管節橫移施工，該方法施工效率高、易于操作、安全性高、施工成本低。

沉管隧道；管節；橫移；施工工藝

1 工程概況

港珠澳大橋海底隧道共有預制沉管管節33節，其中E1、E2管節為5個節段，其余為8個節段，分17次在完成管節的預制、一次舾裝、塢內灌水試漏等相關工作后，將管節從淺塢區橫移至深塢區寄放[1-3]。

2 施工順序及施工流程

根據淺塢區的布置特點，管節橫移采用從前到后的施工順序，即先將鄰近深塢的2號生產線上的管節橫移到深塢區寄放位置，再起浮橫移1號生產線上的管節。

管節橫移在以下兩種工況下進行：

1）深塢區內沒有管節寄放時：兩個管節檢漏完成后通過橫移絞車將管節橫移到深塢區寄放；

2）深塢區已有兩個管節寄放時：塢內灌水前，須將低水位管節的系泊纜繩移至高水位纜樁系泊，當塢內水位升高時需適當收緊已系泊管節纜繩，確保已系泊管節位置正確。當塢內灌水到設計標高時，開始對淺塢區管節橫移。完成橫移作業后，排低塢內水位，將管節在低水位系泊。

3 管節橫移施工

3.1 管節起浮

3.1.1 塢內水尺設置

淺塢西南角（即塢墻B、C區交界處）的兩塢墻面各設置1個水尺；淺塢鋼閘門兩端（即塢墻A、B區）攔水壩各設置1個水尺；塢口左右兩邊靠深塢側的塢墩垂直面各設置1個水尺。水尺采用我國1985國家高程系統，字樣采用紅底白字。

3.1.2 塢內水位觀測

塢內灌水后，在管節起浮前需通過塢內設置的水尺觀察塢內水位高度變化，同時檢查整個塢內及沉管的滲漏情況。滲漏量較小時，可以開啟1～2臺水泵進行補水，補水量3 960～7 920 m3/h。滲漏嚴重時則需先堵漏，再進行管節起浮橫移施工，以保證管節橫移安全。

3.1.3 管節起浮

管節水密性檢漏合格后，將橫移絞車纜繩帶到待起浮管節的纜樁上，其中溜尾纜交叉布置，牽引纜垂直管節平行布置；同時管節兩端分別向東西方向與攔水壩纜樁用高強纜繩帶緊管節（管節起浮帶纜方式示意圖見圖1所示），防止管節起浮過程中飄移。

圖1 管節起浮帶纜示意圖Fig.1 The schematic of the linehandling and floating of immersed tubeelement

管節完成系泊帶纜后則開始對管節壓載水箱排水，管節壓載系統均勻對稱地將壓載水排出管外，管節隨之起浮。管節起浮后，根據管節的平衡狀態進行管節調平、干弦高度調整等工作。

在前一管節起浮橫移施工時，后一管節保持坐底狀態，避免影響前一管節的施工。

3.2 管節橫移

3.2.1 管節橫移施工

先收緊各橫移絞車纜繩，使各纜繩受力均衡，然后將溜尾纜5號、6號絞車轉換為恒張力功能，同時采用二檔（80 kN力）拖住，牽引纜1號、2號絞車同時采用一檔以0.05 m/s的速度絞纜，使管節向深塢方向起步橫移。當管節發生左右偏移時，可變換溜尾纜5號、6號絞車的恒張力大小進行糾偏。當管節橫移平穩后，1號、2號絞車可采用二檔絞移，速度控制在0.1m/s以內。

管節橫移過程中，在管節頂面安裝GPS接收機，對管節進行實時監測，指揮者根據測量數據變化情況對各橫移絞車下達相應指令，對管節進行糾偏操作和橫移操作，確保管節在橫移過程中其端部距離塢底邊坡最小距離不得小于4.0m。

管節橫移至寄放區后，根據測量數據對管節進行調位，實現準確定位，保證管節的偏移量在±0.5 m內，然后將管節系泊到深塢區高水位纜樁上。系泊采用四點對稱布纜，纜繩采用高強纖維繩纜，用帶纜艇配合，人工帶纜。將牽引纜繩和溜尾纜解除，移至下個管節的管頂上，進行下個管節的橫移施工。

3.2.2 深塢無管節寄存時管節橫移施工步驟

第一步：通過1號、2號、5號、6號絞車將管節橫移約265 m，到達寄放區指定位置，進行帶纜系泊。分別將管節四角纜樁與岸上H4、H8、H18、H21纜樁用高強纜連接，采用人工圍纜帶緊。然后解除1號、2號、5號、6號絞車鋼絲繩，并用帶纜艇將1號、2號、5號、6號絞車鋼絲繩帶到第二管節的纜樁上，進行第二管節橫移施工。第二管節起浮前管節兩端用高強纜與岸上纜樁H12、H13用人工圍纜帶緊，預防起浮飄移。然后管內壓載系統排水，使第二管節起浮，如圖2。

第二步：管內壓載水排完并調平后，1號、2號絞車同步收緊纜繩，同時5號、6號絞車轉換為恒張力功能，緩慢起動管節橫移至寄放區指定位置，然后采用高強纜繩將管節系泊在H5、H9、H17、H18高水位纜樁上，如圖3。

圖2 管節系纜示意圖Fig.2 The schematic of the linehandling of immersed tubeelement

圖3 管節高水位系泊示意圖Fig.3 The schematic of themooring of immersed tube element in thehigh water level

第三步：塢內排水，管節將隨水位同步下降，當深塢內水位降至與外海同高時，將管節系泊到低水位纜樁上，每個管節采用四點系泊。系纜方式：管節兩端采用交叉纜系泊，用人工圍樁帶緊纜繩，纜繩采用φ40mm高強纖維纜，如圖4。在塢內降水過程中，根據纜繩張緊程度適當調整纜繩長度，防止纜繩受力過大發生斷纜。

圖4 管節換纜系泊示意圖Fig.4 The schematic of switching andmooring of immersed tube elem ent

第四步：管節在低水位系泊后，解除高水位纜繩，完成兩管節的橫移施工。

3.2.3 深塢已有兩管節寄放時管節橫移

在進行塢內灌水前，先將寄放區的管節采用高強纜系泊在高水位纜樁上，然后向塢內灌水，隨著塢內水位上升，同時收緊各系泊纜繩，使寄放區的管節位置不發生偏移，水位上升到+15.30 m后，開始淺塢區的管節橫移施工。具體施工方法參照前面兩管節的橫移施工。

3.3 管節橫移測量控制

管節橫移、系泊定位采用預制廠內設定的施工坐標系和1985國家高程系統。先在深塢內布置管節系泊位置和移動路線，設定目標坐標點；定位時在管節頂面采用2臺Trimble R5 GPS移動接收機跟蹤目標點，指導管節移位和管節系泊定位。

管節橫移前，先在管節頂面確定對應點，架設GPS接收機，輸入目標點坐標，接收陸地基站傳來的信號撲捉目標點。點位布置如圖5所示。

圖5 管節橫移、寄放測量點位布置示意圖Fig.5 The layout of the traversing and depositing survey pointsof immersed tubeelement

4 設備選型計算

4.1 受力計算

4.1.1 管節在塢內橫移時拖帶力計算

管節在塢內橫移時拖帶力按以下公式計算[4]：

式中：F為拖帶力標準值，kN；A為受水阻力面積，m2；VW為水的重度，kN/m3，本工程取10.025 kN/m3；α為吃水寬度，m，本工程取180 m；T為吃水深度，m，本工程取11.37 m；δ為涌水高度，m，通常取0.6倍航程中可能出現的波高H，本工程由于受風浪影響較小，可取δ=0；V為對水流的相對速度，m/s，取0.1 m/s；K為擋水形狀系數，對矩形K取1。

管節橫移相對水流速度為0.1 m/s，則管節橫移拖帶力為：

4.1.2 溜尾纜張力及作用效果計算

管節橫移前方采用2臺卷揚機纜繩垂直管節平行牽引，后方采用2臺恒張力卷揚機纜繩溜尾，溜尾纜交叉布置作為管節方向控制和保證管節及時制動，溜尾纜與管節縱向角度最小為4.2°（管節啟動時），最大角度為57.3°（管節移到位后）。

溜尾纜在第1節管牽引到位時對牽引方向制動作用最大，對第4節管制動作用最小，這時溜尾纜與管節縱向角度為35.9°。選擇溜尾纜以保證第4節管牽引到位時能得到有效制動為準。

設管節以額定速度0.1m/s前行，最快制動時間選為70 s，制動時前行距離3.5m，管節完全止住，可計算出需克服的慣性力為F=112.56 kN，則要求單根溜尾纜恒張力為：

F0=F/（2sin 35.9）=96 kN （4）

4.2 卷揚機及纜繩選擇

4.2.1 后方溜尾卷揚機

根據以上計算分析，后方溜尾卷揚機選為恒張力卷揚機2臺，其性能為：卷揚機轉換為恒張力功能時恒張力為100 kN，即當纜繩受力大于100 kN時滾筒出纜，出繩速度0.1m/s；當纜繩受力小于100 kN時滾筒收纜。卷揚機轉換為非恒張力功能時，卷揚機額定拉力為150 kN，滿足管節調位克服慣性力和水阻力要求F=（131.2+10.7）÷ 2÷sin 35.9=121 kN，繩速0.1m/s。

剎車制動力300 kN，以滿足應急制動要求。鋼絲繩直徑φ32 mm，破斷力645 kN[5]，安全系數n=645/150=4.3。

容繩量500m，以滿足管節牽引長度要求。

4.2.2 前方牽引卷揚機

前方牽引卷揚機選擇2臺250 kN電控慢速卷揚機，卷揚機額定拉力為250 kN，滿足管節橫移到位調節牽引力最大要求F=309.5 kN÷2= 154.75 kN，繩速0.1m/s。

剎車制動力320 kN，以滿足應急制動要求。

鋼絲繩直徑φ40 mm，破斷力1 010 kN，安全系數n=1 010/250=4.0。

容繩量500m，以滿足管節牽引長度要求。

4.2.3 系泊纜繩

系泊纜選用φ40 mm高強纖維繩纜，破斷力974 kN，400 kN拉力時伸長4.5%～4.6%，滿足系泊力要求F=131.3 kN，安全系數n=974/131.2= 7.4。

5 管節橫移質量保證措施

1）管節橫移過程中，必須對管節平面位置進行實時監測，確保管節不發生過大偏移。

2）管節橫移過程中，必須實時觀測塢內水位，防止水位下降造成管節擱淺。

3）管節橫移絞拖采用“先松后緊”或恒張力溜尾的絞拖方式，以減少管節橫移過程中拉力超載現象。

4）管節換纜、系泊時必須先系新增纜繩，再逐個解除絞車的纜繩，確保管節安全。

5）管節系泊時必須留有足夠的富余長度，防止潮位變化拉斷纜繩。

6）管節系泊纜富余長度不得過長，以免發生管節碰撞情況。

6 結語

港珠澳大橋島隧工程于2015年4月18日、19日完成了E19、E20管節橫移，從E1至E20管節橫移情況看，均能按計劃一次性完成施工，并且滿足安全、質量要求，取得了較大成功，為管節的出塢施工創造了條件[5]，為后續管節橫移積累了寶貴經驗。

[1]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：沉管隧道[R].2011. CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:immersed tunnel[R].2011.

[2]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：沉管預制廠[R].2011. CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.Construction drawingofisland and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project:factoryofprefabricating immersed tunnels[R].2011.

[3]寧進進，丁宇誠.超大型沉管出塢施工及控制方法[J].中國港灣建設，2014（7）：54-55，58. NING Jin-jin,DINGYu-cheng.Construction of large tunnel elementdock outing and the controlmethod[J].China Harbour Engineering,2014(7):54-55，58.

[4]JTJ290—98，重力式碼頭施工與設計規范[S]. JTJ290—98，Design and construction code forgravity quay[S].

[5]GB/T 20118—2006，一般用途鋼絲繩[S]. GB/T 20118—2006,Steelwire ropes forgeneralpurpose[S].

Traversing construction technology of super large immersed tube elements

CHENWei-bin,LIURong-gang,DAIShuang-quan*
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China）

The traversing construction of immersed tube elements is the last step of immersed tube prefabrication.By the cabling design,and the calculation of equipment selection,we developed a comprehensive construction process and the operationmethod of immersed tube traversing.Actually,the project has been successfully comp leted the traversing construction of24 tubeelements,which proved themethod ishigh construction efficiency,easy to operate,safeand low construction cost.

immersed tunnel;tube element;transversemove;construction technology

U655.4；U459.5

B

2095-7874（2015）11-0064-04

10.7640/zggw js201511018

2015-10-19

2015-10-30

陳偉彬（1976— ），男，廣東人，高級工程師，水運工程專業，從事項目管理工作。*通訊作者：戴雙全，E-mail：1012189857@qq.com