深中通道最終接頭臨時鎖定裝置設計

孔令臣，郭朝，劉祥玉，胥新偉，王國之，陳永紅

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程設計院有限公司，天津 300461）

0 引言

沉管隧道[1]最終接頭是隧道貫通前最后一個小管節，也是設計與施工難度最大的一個管節。目前世界范圍內的最終接頭建造技術有以下幾種[2]：臨時圍堰干作法、水下止水板法、端部塊體法、V 形塊體法、關鍵管節法，以上方法在日本已得到廣泛應用，港珠澳大橋采用了整體吊裝主動止水法。深中通道沉管隧道處于復雜的外海建設環境，受波浪、水流、水深以及其他客觀條件影響，沉管隧道最終接頭施工難度極大。為保障施工作業安全、減少水下作業、縮短工期、減少大型裝備投入，受端部塊體法啟發，最終提出采用整體預制水下推出式最終接頭施工工藝。

整體預制水下整體推出式最終接頭是預制與標準管節有相同斷面的小型管節，一端設置GINA止水帶，背面設置臨時封門。在最后一個待沉放管節（本工程中為E23 管節）艏端設置擴大段，將最終接頭放置在擴大段內，布置形式見圖1。完成最后一個管節的沉放后，利用推出系統將最終接頭從擴大段內推出，使其與相鄰管節的端面接觸，完成GINA 止水帶的初始壓接，然后抽排對接腔內水體，利用水力壓接使GINA 止水帶充分壓縮，最后在沉管隧道內部進行止水及縱向鎖定的施工。

圖1 E23 管節&最終接頭及E24 管節水下對接模型圖Fig.1 Underwater docking model of E23 immersed tube&final joint and E24 immersed tube

為減少水下操作，提高最終接頭安裝精度，浮運前最終接頭需根據E22、E24 管節安放后的軸線偏差調整在擴大段內的相對位置并有效鎖固于擴大段內。受工期影響，鋼殼及鎖定裝置需在E22、E24 管節軸線偏差測量前制作完成。鋼結構焊接、最終接頭及擴大段鋼殼注漿、最終接頭推退試驗均對鎖定裝置的位置精度有一定影響，進而會影響到最終接頭的鎖固。因此，用于最終接頭鎖固的臨時鎖定裝置需要可適應最終接頭與E23 管節艏部的多向對接偏差。

浮運階段最終接頭頂部將位于水面以下，會受到較大的波浪力和水流力。為保證最終接頭在擴大段內的相對固定，通常會在最終接頭和E23管節之間焊接大量固定卡板進行鎖固，沉放前人工割除卡板。該方案雖可有效保證最終接頭的穩定性，但操作繁瑣占用大量沉放窗口期時間。因此，需要根據最終接頭及擴大段的結構形式、沉管內舾裝件布置情況、可能的軸線偏差和結構不可控變形等各種不利因素，設計研發一種可適用多向對接偏差的臨時鎖定裝置，確保最終接頭在擴大段內的設計位置可牢固鎖定。

1 設計研究背景

1.1 深中通道最終接頭概況

深中通道沉管段隧道部分采用國內首次應用、國際首次大規模應用的鋼殼混凝土組合結構形式，是目前世界上最寬的海底沉管隧道。沉管隧道部分由32 個165.00 m×46.00 m×10.60 m 單重約8 萬t的標準管節和1 個5.50 m×46.00 m×9.75 m 的最終接頭組成。

最終接頭前端設置GINA 止水帶，中間設有臨時壓載水箱，背面設置臨時封門，澆筑及舾裝后重約1 550 t。E23 管節及最終接頭鋼殼結構部分在船廠制造，浮運前轉運到桂山島進行混凝土澆筑、一次舾裝、二次舾裝、最終接頭陸上及水下推出試驗和塢內整體沉放演練。

最終接頭安放于E23 管節擴大段內的4 條高平整度滑軌上，與E23 管節一體轉運、浮運及沉放。在完成沉放后，通過一體船上的千斤頂遠程控制系統將最終接頭在水下整體推出與E24 管節對接。隨著航行條件的變化，最終接頭在浮運過程中會受到多個方向波浪力、水流力和一體船因轉向、變速傳遞的慣性力，浮運航道作業條件見表1。雖然在浮運過程中位于E23 管節艏部兩側的8 個糾偏液壓千斤頂和位于E23 管節上的8 個頂推液壓千斤頂會起到一定的限位作用，但由于最終接頭受力較為復雜，液壓千斤頂存在失效的風險。為了保證浮運過程中最終接頭在擴大段內的絕對安全，非常有必要在最終接頭與E23 管節之間設置臨時鎖定裝置。

表1 浮運航道作業條件表Table 1 Operating conditions table for floating channel

1.2 最終接頭浮運狀態

1）浮運狀態下最終接頭干舷

據計算，浮運階段最終接頭將完全浸沒在水中，水面與最終接頭上表面齊平。最終接頭與擴大段在深圳側端部間設有M 止水帶，浮運過程中最終接頭與E23 管節間隙內無水，最終接頭浮運狀態見圖2。

圖2 E23 管節及最終接頭浮運狀態示意圖Fig.2 Schematic view of floating status of E23 immersed tube&final joint

2）最終接頭與擴大段的接觸關系

為減小最終接頭推出的阻力，本工程中在擴大段底部采用了自潤滑合金塑料MGB 板作為滑軌摩擦副，在有水情況下涂裝后的最終接頭與滑軌間摩擦系數約為0.1。

擴大段四周與最終接頭間隙為10 cm，在擴大段的兩側各布置4 個糾偏千斤頂，用于最終接頭水下推出過程糾偏，浮運過程中糾偏千斤頂可伸出并頂住最終接頭兩側，起到一定的橫向限位作用。

3）最終接頭與E23 管節的接觸關系

E23 管節艏部前端設有橡膠墊板，浮運過程中最終接頭將緊貼在橡膠墊板上，連接最終接頭與E23 管節的8 個頂推千斤頂可起到一定的縱向限位作用。

2 臨時鎖定裝置設計

2.1 使用要求

1）為減少水下推出階段糾偏操作、降低安裝風險，最終接頭在浮運前需根據E22、E24 管節安放后的實際軸線偏差（E24 與E22 管節沉放后允許軸線水平絕對偏差±2.5 cm）調整其在擴大段內的相對位置。參照軸線允許偏差值，則臨時鎖定裝置需具備至少±2.5 cm 的橫向調整空間。

2）最終接頭與E23 管節在從桂山島澆筑完成到出運前的過程中，將經過多次陸上及淺塢注水后的推出與拉入試驗。臨時鎖定裝置需在最終接頭與E23 管節間相對于理論位置存在縱向±1 cm、橫向±5 cm、垂向±1 cm 對接偏差的情況下，仍可對最終接頭進行有效鎖定。

3）最終接頭浮運過程當中會受到波浪力、水流力、一體船因行駛條件變化而傳遞到最終接頭的慣性力，臨時鎖定裝置需有足夠強度承受上述荷載的最不利組合。

4）鎖定和解鎖操作要方便快捷以節省沉管安裝窗口期時間。

2.2 布置

臨時鎖定裝置的布置，需要考慮最終接頭與E23 管節結合腔內設備布置的影響，要避免與底部注漿孔和排氣孔干涉，還要考慮液壓油管和控制管線穿艙布置等因素。為盡可能減小鎖定裝置受力，最終將鎖定裝置布置在最終接頭與E23 管節接縫處，橫向距最終接頭內壁1.4 m 的位置。臨時鎖定布置數量為2 組，布置圖如圖3 所示。

圖3 臨時鎖定裝置布置示意圖（mm）Fig.3 Schematic layout of temporary locking device（mm）

2.3 受力分析

2.3.1 最終接頭受力分析

作用在最終接頭上的波浪力、水流力等采用文獻[3]—文獻[5]的計算方法得到?？紤]到最終接頭相關輔助安裝設備的影響，在計算中適當增大了相關系數。

最終接頭在浮運過程中荷載作用方向見圖4，所受到的荷載見表2。

表2 最終接頭環境荷載總結表Table 2 Summary table of environmental load in the final joint

圖4 計算工況示意圖Fig.4 Schematic view of calculation conditions

2.3.2 最終接頭計算工況

臨時鎖定受力計算中考慮了浮運過程中所有荷載組合，此處僅列出了受力最不利組合工況，如圖4 所示。

1）勻速前行轉彎工況

根據E1—E10 管節出運統計，沉管與水流的最大相對速度為5 kn（統計含逆流）。計算中假定該航速下一體船勻速轉彎與水流和波浪最大夾角為30°，該工況下最終接頭受到的橫向分力最大?？v向慣性荷載按與行進方向反向考慮，橫向慣性荷載按與波浪水流力同向考慮。

2）減速臨停工況

相對于工況一，該工況無正向波浪力和正向水流力作用。根據航道內水流流向及可能遇到的突風影響，保守考慮，斜向波浪力、斜向水流力、橫向波浪力及橫向水流力仍按照勻速前行轉彎工況下分力進行計算。船舶減速至停止過程較長，經計算波吸力遠小于靜水壓力，計算中未予考慮。

2.3.3 臨時鎖定裝置受力分析

在最不利工況的基礎上，對浮運過程條件作出了假設，即不考慮滑軌和E23 管節上防磨橡膠的摩擦力。計算時僅計入最終接頭自重及浮運過程中的慣性力，最終接頭在浮運過程中所受最不利荷載見表3，荷載作用方向見圖4。

表3 作用在最終接頭上的荷載及作用位置總結表Table 3 Summary table of loads and positions applied on the final joint

經受力分析，得到單個鎖定裝置上F水平合力=182.90 kN。由于銷軸式鎖定結構存在裝配間隙，參考JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》[6]對車輛沖擊荷載系數的規定，計算中考慮了1.8 的沖擊系數，則作用在單個鎖定裝置上的設計荷載F=1.8×F水平合力=329.22 kN。

2.4 結構設計

為滿足最終接頭與E23 管節在存在三向對接偏差情況時仍可有效鎖定的使用要求，設計了2種可實施方案。一種是“先焊后調”方案，即鎖定裝置及預埋件全部在船廠焊接，在各轉運階段可應用的人工調節式鎖定裝置。另一種是“先鎖后焊”方案，即先在船廠焊接E23 管節部分鎖定裝置，最終接頭部分在浮運前根據最終接頭與E23管節相對位置進行調整，確認鎖定銷軸可正常插拔后再焊接固定的鎖定裝置。臨時鎖定裝置方案示意圖見圖5。

圖5 臨時鎖定裝置示意圖Fig.5 Schematic view of temporary locking device

1）“先焊后調”方案臨時鎖定裝置構造

該方案臨時鎖定裝置由臨時鎖定裝置固定部分和臨時鎖定裝置可調部分組成。

臨時鎖定裝置固定部分包括水平布置的銷軸耳板及耳板支撐結構，該組合件焊接在最終接頭邊沿，耳板朝向擴大段。

臨時鎖定裝置可調部分包括左右布置的2 個縱向調節底座和1 個橫向調節組件?？v向調節底座為倒T 形結構，面板上對稱開6 個縱向長圓孔，腹板上均勻開4 個通孔。長圓孔用于可調部分在預埋螺栓上的前后移動以適應縱向對接的±1 cm偏差。腹板通孔用于可調部分橫向調節組件螺栓的通過及導向。橫向調節組件由橫向調節連接板、左右對稱焊接到連接板上的8 根螺桿及可調部分頂、底耳板組成?？烧{部分頂、底耳板結構相同，頂、底耳板在相同位置各開4 個同心長圓孔，分別栓接在橫向調節連接板的上、下面。橫向調節組件通過在底座腹板上左右移動以適應兩分段橫向±5 cm 的對接偏差?？烧{部分頂、底耳板間有一定的間隙，該間隙大于固定部分耳板厚度，使鎖定裝置可適應兩待鎖定物的垂向對接的±1 cm偏差。頂、底耳板在橫向調節連接板上可沿耳板上長圓孔水平轉動以適應兩待鎖定物的水平轉角偏差。臨時鎖定裝置固定部分及可調部分預埋件在船廠焊接到理論位置上，鎖定裝置可調部分各向調節完畢后緊固各部分螺母，插入銷軸即可完成鎖定。

2）“先鎖后焊”方案臨時鎖定裝置構造

該方案臨時鎖定裝置由臨時鎖定裝置E23 管節部分和臨時鎖定裝置最終接頭部分組成。

臨時鎖定裝置E23 管節部分由單個耳板及相關支撐結構組成，在船廠焊接到理論位置上。

臨時鎖定裝置最終接頭部分由水平可移動底座、液壓銷軸系統組成。水平可移動底座由上、下2 塊開有略大于銷軸直徑通孔的耳板及支撐結構焊接組成。由于可移動底座兩耳板間隙大于臨時鎖定裝置E23 管節部分耳板厚度，則鎖定裝置可適應兩分段的垂向對接的±1 cm 偏差。在鎖定前通過調整水平可移動底座的位置使各耳板通孔同軸，以適應兩待鎖定物橫、縱向對接偏差。

液壓銷軸系統由銷軸、液壓千斤、液壓千斤頂支架及遠程控制系統組成。銷軸以鉸接方式連接在液壓千斤頂端部，液壓千斤頂通過螺栓安裝在液壓千斤頂支架上。液壓千斤頂支架由工字鋼焊接組成，支架頂橫梁下翼緣開有長圓孔，供液壓千斤頂微調位置及緊固連接。在可移動底座定位完成后定位預安裝液壓銷軸系統，銷軸插拔試驗合格后再最終焊接固定液壓千斤頂支架及可移動底座。

3）方案比選

2 種鎖定裝置均使用了銷軸固定的鎖定方案，該種結構形式安全可靠，強度、剛度構造要求均滿足文獻[7]—文獻[9]要求，可最大程度地減少對結合腔空間的占用，方案對比如表4 所示。

表4 臨時鎖定裝置方案對比Table 4 Comparison of temporary locking device schemes

綜合考慮工期及施工便利性等因素，深中通道最終接頭臨時鎖定裝置最終選定使用“先鎖后焊”方案。

3 應用及效果驗證

1）應用方式

安裝最終接頭鎖定裝置前需通過調整頂推千斤頂和糾偏千斤頂對最終接頭位置進行精調，使對接偏差達到理論設計允許值→根據最終接頭與E23 管節的相對位置，將臨時鎖定裝置最終接頭部分各組件進行預安裝→確定銷軸可正常插拔后，插入銷軸并焊接水平可移動底座及液壓千斤頂支架到最終接頭預埋鋼墊板上→待焊接冷卻后再次測量銷軸與各耳板孔的間距，如有偏差可通過調整千斤頂支架橫梁上連接板的位置進行精調并緊固→深塢試驗完成后對銷軸與各耳板的間距進行測量，如有偏差則通過調整連接板位置二次精調→浮運前插入銷軸，完成最終接頭鎖定，等待出運。

浮運至指定區域后，在沉放前通過一體船控制系統控制液壓千斤頂拔出銷軸實現無人解鎖。如遇千斤頂機械故障，則需工作人員到結合腔內拆除連接板螺栓、卸下千斤頂后手動解鎖。

2）應用效果

2023 年6 月11 日，深中通道最終接頭成功實現水下對接。臨時鎖定裝置在浮運前鎖定和沉放前遠程解鎖過程中插拔順暢，各項監測數據表明：最終接頭在浮運過程中未出現相對位移，臨時鎖定裝置有效實現了對最終接頭的臨時鎖定。

4 結語

通過該臨時鎖定裝置在深中通道最終接頭的應用，大大提高了最終接頭浮運安全性，有效節約了沉管安裝窗口期時間，該臨時鎖定裝置在使用中體現了如下創新性及優點：

1）可對存在橫向、縱向、豎向對接偏差的兩分段式結構進行有效鎖定；

2）配合液壓鎖定、解鎖系統可實現水上、水下無人解鎖，提高施工效率；

3）結構形式簡單，便于加工制作，可調部分可重復使用，造價低；

4）水上、水下均可使用，具備良好的推廣性，可應用于多種安裝工程，如橋梁鋼箱梁安裝、船廠分段合龍等類似項目。