沉管隧道基礎拋石夯平裝備與施工技術

付院平，黃濤，李家林，鄒春曉，劉兆權

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

港珠澳大橋沉管隧道位于珠江口外伶仃海域，隧道基礎拋石夯平分布區域分別為：1）東西島島頭3個鋼圓筒切割后砂面標高-16.0 m，在此標高之上拋填塊石并夯平；2）過渡段非堆載區范圍清除隆起后，拋填塊石并夯平；3）天然地基段基槽開挖后，拋填塊石并夯平[1]。施工區域圖見圖1。

過渡段非堆載區清除拱起淤泥至沉管底部以下3.3 m后，拋填10耀100 kg塊石達2.0 m厚并水下夯平；天然地基段一般區段拋填塊石達2.0 m厚水下夯平，部分管節局部軟土層較厚及與擠密砂樁處置區銜接的區段增加夯填塊石厚度至3.5 m；總拋石夯平量達47萬m3，夯平面積約27萬m2，最大夯平水深-47 m。

圖1 拋石夯平施工區域圖Fig.1 Construction area map of riprap tamping

2 施工特點

港珠澳大橋沉管隧道為我國首條外海、深水、深埋沉管隧道，施工水域通航環境復雜，航線交錯、流量大，安全管理難度大，穿越中華白海豚保護區，環保要求嚴格，隧道基礎拋石夯平施工具有以下特點：

1）施工難度大，施工精度要求高。工程地處外海，氣象水文條件復雜，拋填完成后進行夯平密實，夯平后精度要求達到300 mm，在國內沒有經驗可循，且由于部分隧道基礎帶有坡度，拋石標高控制及夯平后檢測要求很高。

2）工期緊、工程量大。隧道基礎拋石量約47萬m3，夯平面積約27萬m2。

3）安全管理難度大。工程水域通航環境復雜，航線交錯，流量大，航道區域基槽縱橫向交錯，水流情況復雜，給施工船舶?？狂v位增加難度，基礎塊石拋填夯平歷時較長，分區域交替作業，且沉管隧道位于主航道及臨時航道相互緊臨并多次轉換，夯平作業需要盡量減少作業船舶及壓縮作業時間。

4）施工水域處于白海豚保護區核心區和緩沖區，保護工作壓力大。島隧工程處于中華白海豚保護區核心區和緩沖區，對白海豚保護提出了諸如瞭望觀察、監視、噪音及水污染監測與控制等要求。

3 地質條件

沉管隧道基礎勘探深度內的地層主要為第四系覆蓋層，由燕山期花崗巖、震旦系混合片巖及混合花崗巖等基巖風化層組成。

第四系覆蓋層（Q）：上部為全新統耀更新統海相、陸相、河流相、海陸交互相沉積層，直接覆蓋于不同巖性的剝蝕面上，其厚度受基巖面標高及海平面侵蝕深度控制。

4 施工水域

沉管隧道基礎施工水域以隧道軸線為中心南北各寬500 m，東西方向以兩島之間為5 700 m。1號臨時錨地長2 000 m，寬1 500 m；2號臨時錨地長2 100 m，寬800 m。

在E11耀E14管節施工時，施工船舶在海事核準的區域范圍內施工。劃定專用區域用于施工船舶臨時停泊，不能阻塞、防礙航道航行安全，同時有2艘警戒船護航警戒，防止與施工無關船舶進入施工區域。

5 拋石夯平裝備

5.1 船舶選型

根據工程特點進行施工船舶選型，沉管隧道基礎拋石夯平最大寬度54 m，根據工程技術要求，船舶還需具有備料和儲料能力。綜合考慮基槽寬度及載重備料要求，經比選，上海振華重工振駁28號船舶性能能夠滿足施工需求并可作為拋石夯平施工定位船舶，其性能見表1。

表1 船舶性能表Table 1 Ship performance table

5.2 船舶改造

針對工程超水深、變水深、大徑流、高精度等施工特點，為克服水流對拋石精度的影響，需對船舶進行改造，并研發新的拋石工藝和裝備[2-3]以滿足拋石精度要求。

溜管下料是通過設置在滑移臺車上的溜管進行精確拋石的新型工藝，該工藝可以保證塊石不受水流影響，確保下料位置的準確性，溜管通過臺車可進行移動定位，做到定點定量拋填；溜管可進行不同高度的調節，能夠滿足不同水深變化要求，并滿足防風防臺要求；拋石裝備同時具有塊石夯平功能。

為滿足16耀46 m水深變化要求，溜管由4節套管（大管套小管）連接組成，第一節管直徑1 200 mm，壁厚20 mm，其余3節直徑逐漸遞增，每節管兩頭采用加厚管，壁厚40 mm；溜管行走小車兩側設置卷揚機，可通過卷揚機自由提升溜管；利用卷揚牽引小車，可實現溜管在軌道上自由行走；為保證塊石在溜管中順利下落，管體水下部分設置泄水孔，船舶改造布置圖見圖2。

圖2 船舶改造布置圖Fig.2 Ship renovation layout

5.3 夯平設備

夯平施工設備采用美國APE600液壓振動錘系統，利用振動錘產生的激振力夯平塊石基床。APE600液壓馬達排量250 cm3、額定壓力35 MPa（350 bar）、額定轉速2 500 r/min，偏心力矩230 kg·m、振動頻率 23.33 Hz（1 400 cpm）（無級變速）、最大振幅14.8 mm、最大激振力4 948.3 kN、最大下潛工作深度47 m。液壓振動錘與夯板連接，夯板重量約80 t，尺寸為4 m伊5 m，設有泄水孔。為了減少夯板的橫向移動，在夯板下部加裝11個“齒”形結構，液壓振動錘系統見圖3。

5.4 控制系統

1）平面控制。在船體兩側架設2臺GPS流動站，可對船體進行平面定位，利用測距儀實時監測小車移動情況并傳輸至測量控制室，根據固定的船體參數反算得出小車的平面位置。

2）高程控制。根據小車和GPS的相對位置，可測算出小車固定位置與GPS的高差。利用測繩計量方式可測算拋石小車與溜管底口的高差及夯平小車與夯板底面的高差。

圖3 液壓振動錘系統Fig.3 Hydraulic vibration hammer system

5.5 測量管理系統

為滿足塊石拋填和夯平施工定位管理一體化的需求，對測量定位管理系統進行集成開發，實現實時監測，測量管理可視界面見圖4。

圖4 測控可視界面Fig.4 Measuring and control visual interface

6 施工技術

6.1 船舶駐位

拋石與夯平作業時，振駁28號橫跨基槽順流駐位，在施工管理系統的指令操作下，軸向通過移船、橫向通過小車在軌道上移動實現定點、定量拋石與夯平。

6.2 施工定位

根據施工區域特點提前繪制拋石基線及網格圖，在測量系統中設定施工基線參數，拋石船根據測量管理系統參數進行移船定位。

6.3 溜管下放

拋石溜管小車精確定位到指定基線后，下放溜管。根據基槽設計底標高反算拋石頂標高，并根據拋石頂標高控制溜管下落高度。初步設定溜管底口至基底為3.5 m，根據實際施工要求再做適當調整。溜管距管底口1 m處設有測深傳感器，在溜管下放過程中，測量人員實時上報傳感器測深數據，當傳感器顯示水深數據為4.5 m時，溜管停止下放[4]。

6.4 拋填塊石

溜管設置完成后，向溜管小車喂料并估算每個點位的拋石量，同時根據監測系統對水下塊石標高的變化情況進行實時監測，根據估算的拋石量和監測數據指導拋石施工。

6.5 標高控制

根據工程特點及工序之間的銜接，以“寧低勿高”-則指導塊石拋填施工，在拋填過程中，利用測量管理系統對溜管周圍塊石標高進行實時監測，根據顯示的監測數據和設計標高進行比較，達到要求后進行下一點位的拋填[5-7]。

6.6 夯平施工

控制卷揚機下放夯板，根據卷揚機出繩長度計量功能控制卷揚機行程以及夯沉量，當夯板下放至塊石頂時停止下放，復測無誤后夯沉至設計標高。

6.7 夯平軌跡及搭接量

塊石夯平時應分段實施，每層夯平后的厚度不宜大于2 m，相鄰斷面和相鄰夯點之間搭接量1 m，以確保夯平作業覆蓋整個拋石區域。

7 防臺措施

施工前做好詳細的安全措施，做好防臺防突風預案。風浪大于7級時停止作業，8級風以上施工船舶駛離施工地點到指定避風場所；拖航時溜管應提升并橫跨至船舷并加固，振動錘提升并鎖固，小車與軌道位置鎖死。

8 工效分析

施工運輸自航駁每次可裝載塊石2 000 m3，往返至料場需14 h，等待及裝載塊石需10 h，塊石拋填2 d區域可供夯平施工1 d，塊石拋填和夯平綜合分析每天可以完成1 500 m3?；蹝伿黄绞┕び媱澩度?艘拋石船，2艘塊石運輸自航駁、6臺挖掘機，平均每15 d可以完成1個管節（長度180 m）的拋石夯平施工，能夠滿足基槽拋石夯平施工進度計劃要求[8]。

9 結語

港珠澳大橋沉管隧道是世界唯一深埋沉管隧道，采用溜管與APE600液壓振動錘結合拋填夯平施工技術屬世界首例。歷經1 291 d日夜奮戰，于2016年1月25日圓滿完成隧道基礎拋石夯平作業，為超級工程打下了堅實基礎，也為類似工程提供了施工借鑒。