超大型沉管與碎石墊層之間摩阻系數(shù)的推算方法

湯慧馳，李進，岳遠征

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

沉管對接是沉管安裝過程中難度最高、風險最大的工序之一，了解鋼筋混凝土沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù)，有助于增強管節(jié)的控制，使沉管對接過程更加可控。本文擬通過分析沉管拉合過程中水流力、安裝船纜力、千斤頂拉合力、沉管吊力等因素，推算鋼筋混凝土沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù)。

1 工程概況

島隧工程是港珠澳大橋的控制性工程，隧道采用沉管方案，總長5 664 m，共33節(jié)。沉管管節(jié)在預制廠完成管節(jié)預制后，經(jīng)歷塢內(nèi)起浮橫移、二次舾裝、管節(jié)出塢、由錨艇拖帶浮運至安裝現(xiàn)場，完成管節(jié)錨系安裝后，進行管節(jié)沉放、對接，最終進行回填及管內(nèi)作業(yè)，完成沉管隧道的安裝。

2 作業(yè)原理

管節(jié)對接主要分為管節(jié)拉合和水力壓接，管節(jié)拉合是沉管沉放至碎石基床后，利用拉合系統(tǒng)將待安管節(jié)平穩(wěn)拉向已安管節(jié)的過程，本篇論文嘗試通過分析沉管拉合作業(yè)過程中的受力情況，推算出沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù)。

如圖1所示，沉管在拉合作業(yè)過程中，平面上主要受H纜纜力（H1~H4）、拉合力L南、L北、摩擦力f及水流力F水流作用。

3 作業(yè)條件

3.1 沉管管節(jié)

沉管采用兩孔一管廊截面形式，寬37.95 m，高11.4 m，底板、頂板和側(cè)墻厚1.50 m；標準管節(jié)長180 m，分為8個標準節(jié)段，每個節(jié)段長22.5 m；管節(jié)采用工廠法預制，節(jié)段混凝土全斷面一次澆筑，混凝土強度等級為C45（28 d），C50（56 d）[1]。

圖1 沉管拉合作業(yè)受力分析Fig.1 The force analysis of pull-in construction of pipe sections

3.2 碎石基床

如圖2所示，沉管隧道采用先鋪法碎石基床，碎石基床壟頂寬1.8 m，壟溝寬1.05 m，壟中心間距12.85 m，壟高1.3 m，采用專用整平船鋪設(shè)[2]。

碎石材料采用能夠自由散落且干凈、耐久性良好、級配良好的碎石，嚴格控制含泥量，石料飽和單軸極限抗壓強度不低于50 MPa，碎石級配要求見表1。

圖2 碎石基床示意圖Fig.2 The schematic of gravel bed

表1 碎石級配Table 1 The gradation of gravel

3.3 施工環(huán)境

施工環(huán)境對沉管拉合作業(yè)的影響主要是水流力影響，利用坐底式流速剖面儀進行海流觀測，基槽內(nèi)流向較為復雜，但11 m向下開始，主流向朝東、西向變化，越接近底部東向流的頻率越高。

在小潮汛的平潮期，海面以下16~18 m基槽內(nèi)流向以東向流為主，且流速較小。

通過直讀式海流計觀測，沉管沉放對接過程中，基槽內(nèi)實測流速不大于0.3 m/s。

根據(jù)JTS 215-98—1999《港口工程荷載規(guī)范》[3]，按最大0.3 m/s流速計算水流力得4.7 t，流向東。

3.4 沉管拉合力

沉管拉合作業(yè)分為4個階段[4]，以E22管節(jié)拉合作業(yè)為例，如圖3所示，截取沉管拉合作業(yè)過程中距離拉合階段，在以下時間內(nèi)，管節(jié)拉合力在較小的區(qū)間內(nèi)波動，可以作為受力分析。

圖3 距離拉合階段拉合力Fig.3 The pulling of the pull-in construction of pipe sections

3.5 安裝纜力

如圖4所示，絞車系統(tǒng)是控制管節(jié)姿態(tài)的主要設(shè)備，由控制管節(jié)豎向位移的吊放纜索（L纜），控制管節(jié)水平位移的安裝纜索（H纜），以及控制安裝船水平位移的系泊纜索（M纜）組成。

圖4 絞車系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of winch system

絞車系統(tǒng)采用應(yīng)變銷軸式取力傳感器監(jiān)測鋼絲繩拉力，鋼絲繩受力時傳感器產(chǎn)生4~20 mA電流信號，通過對所測得的電流信號進行換算得出鋼絲繩的受力[5]。

沉管拉合作業(yè)過程中，M纜不直接影響沉管姿態(tài)，且纜力及方向均變化較小，可忽略不計；如圖5所示，管節(jié)拉合作業(yè)過程中，H纜纜力變化較小，且受力方向保持不變。根據(jù)實測錨點位置，取45°作為H纜與管節(jié)間夾角計算。

圖5 H纜纜力Fig.5 Cable force of the H cable

截取相同時間內(nèi)安裝船L纜吊力，計算該段時間內(nèi)L纜吊力的和值，代入計算。

4 摩擦系數(shù)計算

如表2所示，根據(jù)以上參數(shù)，計算不同時間點上，沉管與碎石基床之間的摩擦阻力系數(shù)μ。

根據(jù)受力分析，管節(jié)與碎石墊層之間的摩擦力可按下式計算：

管節(jié)與碎石墊層之間的摩擦阻力系數(shù)可按下式計算：

式中：H1～H4為管節(jié)安裝纜拉力；L北、L南為拉合系統(tǒng)拉力；F水流為管節(jié)所受水流力；L吊力為管節(jié)所受吊力。

根據(jù)表2第1行數(shù)據(jù)，計算得摩擦阻力系數(shù)為 μ1=0.43。

表2 摩擦系數(shù)計算Table 2 The calculation of friction coefficient

根據(jù)摩擦力，計算出沉管與碎石基床之間的摩擦系數(shù)在0.41~0.44之間。這與文獻[6]中相同工況下測得的摩擦系數(shù)一致。

5 結(jié)語

本文借助港珠澳大橋沉管拉合作業(yè)過程中的各關(guān)鍵參數(shù)，計算出鋼混沉管與碎石基床之間的摩阻力系數(shù)在0.41~0.44之間。繼續(xù)收集沉管對接過程中的數(shù)據(jù)，對本文的結(jié)論進一步驗證，使得管節(jié)沉放對接過程更加受控。

參考文獻：

[1] 張洪，范卓凡，劉然.港珠澳大橋島隧工程沉管預制模板施工工藝[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：57-60.ZHANG Hong,FAN Zhuo-fan,LIU Ran.Construction technology for prefabricated immersed tube template of Hongkong-Zhuhai-MacaoBridgeislandandtunnelproject[J].ChinaHarbour Engineering,2015,35(7):57-60.

[2] 楊秀禮，邵曼華，徐杰.港珠澳大橋沉管碎石墊層鋪設(shè)船（平臺）拋石整平總體方案選型[J].施工技術(shù)，2014，43（11）：17-19，35.YANG Xiu-li,SHAO Man-hua,XU Jie.The overall scheme selection of rubble leveling for gravel cushion laying ship on Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2014,43(11):17-19,35.

[3]JTS 215-98—1999，港口工程荷載規(guī)范[S].JTS 215-98—1999,load code for harbour engineering[S].

[4] 湯慧馳，岳遠征，張建軍，等.超大型沉管管節(jié)拉合系統(tǒng)及控制方法[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（11）：123-126.TANG Hui-chi,YUE Yuan-zheng,ZHANG Jian-jun,et al.Pulling-connecting system and control method for elements of ultra-large immersed tubes[J].China Harbour Engineering,2015,35(11):123-126.

[5] 王偉，寧進進，竇從越.利用沉管系泊纜力推算沉管外海橫拖時的水阻力系數(shù)[J].中國水運，2013，13（12）：356-357.WANG Wei,NING Jin-jin,DOU Cong-yue.Calculate the water resistance coefficient of transverse drag when using immersed offshore mooring force tube[J].China Water Transport,2013,13(12):356-357.

[6]尚乾坤，王殿文.鋼筋混凝土沉管管節(jié)與基床摩擦阻力的試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2015，35（7）：46-48.SHANG Qian-kun,WANG Dian-wen.Friction research between immersed reinforced concrete tube elements and foundation bed[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.