深中通道沉管隧道碎石整平精度控制技術(shù)研究

夏豐勇, 孫世鵬, 姚 典, 池明華, 鄧 斌

(1. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400; 2. 廣州打撈局, 廣東 廣州 510260; 3. 廣東省海洋工程施工與水上應(yīng)急救援工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510260; 4. 中船華南船舶機(jī)械有限公司, 廣西 梧州 543001;5. 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司, 北京 100088)

0 引言

深中通道始于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交,終于橫門(mén)互通立交,北距虎門(mén)大橋約30 km,南距港珠澳大橋約38 km,主體工程全長(zhǎng)約24.03 km。深中通道沉管隧道長(zhǎng)約6.8 km,采用設(shè)計(jì)速度為100 km/h的雙向8車(chē)道高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。沉管隧道施工主要包括鋼殼制造、自密實(shí)混凝土澆筑、基槽基礎(chǔ)處理、管節(jié)舾裝、管節(jié)浮運(yùn)沉放、回填等。

受地質(zhì)、地貌、水文以及施工工藝的影響,沉管隧道在基礎(chǔ)處理過(guò)程中出現(xiàn)失誤的概率相比其他水下隧道要大[1],而基礎(chǔ)處理是實(shí)現(xiàn)海床與隧道結(jié)構(gòu)傳力連接的重要環(huán)節(jié)。沉管隧道的基礎(chǔ)墊層需承受來(lái)自隧道本身、回填、管頂保護(hù)層以及回淤的荷載,并將該荷載傳遞至海床基礎(chǔ)[2]。沉管隧道基礎(chǔ)處理的主流工法有先鋪法和后填法[3]。先鋪法對(duì)施工設(shè)備要求高,但具有工效高、基礎(chǔ)密實(shí)度好、工后沉降小等特點(diǎn);后填法對(duì)設(shè)備要求低,但對(duì)灌砂或灌漿過(guò)程監(jiān)測(cè)要求較高,且該方法難以達(dá)到基礎(chǔ)完全填充密實(shí),工后不均勻沉降較大。

許多已建成的沉管隧道因基礎(chǔ)處理不當(dāng)而發(fā)生了較嚴(yán)重的不均勻沉降。加拿大Deas Island隧道施工期間南北兩端分別發(fā)生了95、100 mm的沉降;比利時(shí)Scheldt隧道建成11年后沉降最大達(dá)186 mm;美國(guó)Baytown隧道建成7年后兩端與中部沉降差約300 mm,導(dǎo)致接頭處產(chǎn)生過(guò)大的扭轉(zhuǎn),最終造成鋼殼破裂漏水[4];截至1997年,美國(guó)Fort McHenry隧道、Ted Williams隧道發(fā)生了150 mm左右的不均勻沉降,Hampton隧道施工完成后不均勻沉降更是高達(dá)400 mm[5];上海外環(huán)隧道通車(chē)后16年內(nèi),接頭最大沉降達(dá)287.3 mm,引發(fā)了嚴(yán)重的病害問(wèn)題[6];寧波甬江隧道由于拋石層平整度及厚度控制精度差,加之基槽土的不規(guī)則超挖與沖擊擾動(dòng),截至2018年8月最大沉降達(dá)91.1 mm[7]。

碎石整平法是先鋪法的一種,其采用整平船將碎石鋪在海床上,墊層設(shè)置V型槽,縱向鋸齒形鋪設(shè)[8-9]。碎石整平法施工速度快,處理好的基礎(chǔ)墊層具有承載能力強(qiáng)、高程精度高和納淤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,已完工的韓國(guó)釜山沉管隧道[10]、港珠澳大橋碎石基礎(chǔ)施工多采用插樁自升式裝備,高程精度控制多采用傳統(tǒng)的水上GPS+傾斜儀+剛性下料管反推下料口的高程,輔以全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備[11]。然而,插樁自升式平臺(tái)存在造價(jià)高、地質(zhì)要求高[12]、樁腿長(zhǎng)度受水深限制大及剛性下料管過(guò)長(zhǎng)等不足。本文對(duì)整平系統(tǒng)進(jìn)行研究,并采用上下軟連接的船架分離式結(jié)構(gòu),通過(guò)水上、水下2套液壓驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碎石鋪設(shè),提出了基礎(chǔ)碎石整平新工藝,很大程度上彌補(bǔ)了上述不足。

深中通道沉管隧道管節(jié)寬46～55.463 m,是目前世界已建或在建沉管隧道管節(jié)最寬的[13-14]。為適應(yīng)復(fù)雜基礎(chǔ)條件下超寬變寬管節(jié)的碎石墊層鋪設(shè),本文采用理論分析和數(shù)值計(jì)算的方法研究新型船架分離式整平清淤一體船碎石基礎(chǔ)高精度整平施工控制技術(shù),并以深中通道S08標(biāo)段為例,對(duì)該控制技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證,形成深水條件下大型管節(jié)的碎石基床整平高程控制技術(shù)。

1 水下碎石整平系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 碎石整平系統(tǒng)組成

碎石整平系統(tǒng)用于沉管的墊層鋪設(shè),該系統(tǒng)由皮帶輸料裝置、行走投料裝置、整平架裝置、整平架升降裝置、整平架姿態(tài)調(diào)整裝置、整平架擱置錨定裝置、動(dòng)力裝置、液壓/電氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 工作原理

碎石整平系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)如圖2所示。在母船錨泊狀態(tài)下,將月池內(nèi)的整平架下放至海底基床進(jìn)行整平作業(yè)。水下整平所需石料,由布置在2層甲板的皮帶輸料裝置轉(zhuǎn)運(yùn)至2層甲板月池區(qū)域的行走投料裝置;然后,柔性連接的拋石管自由落體至水下整平架的料斗內(nèi);通過(guò)控制布置在母船2層甲板的行走投料裝置與水下整平架大小行車(chē)同步運(yùn)動(dòng),在整平架內(nèi)部范圍進(jìn)行“Z”形碎石整平作業(yè),石料在海底基床形成連續(xù)的“Z”字形軌跡,從而實(shí)現(xiàn)碎石料的拋填和整平。該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示,設(shè)計(jì)作業(yè)環(huán)境如表2所示。

圖2 整平系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)示意圖

表1 碎石整平系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

表2 碎石整平系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境

2 碎石整平精度控制研究

影響整平精度的主要因素有施工速度、料斗內(nèi)碎石料預(yù)壓力及整平料斗口在水下施工過(guò)程中的高程變化等。由于施工速度是由施工方結(jié)合施工工效決定,本文將從整平架料斗總成在鋪石軌跡中的高程控制和料斗內(nèi)碎石料高度監(jiān)控2個(gè)方面開(kāi)展研究。

2.1 整平架料斗總成高程控制

整平架裝置由基架、大車(chē)總成、小車(chē)總成、樁腿裝置、料斗總成和測(cè)量架組件組成。碎石是通過(guò)整平架料斗總成導(dǎo)向,在水下實(shí)現(xiàn)拋填和整平。料斗總成通過(guò)行走輪坐落在行走梁的小車(chē)軌道面,行走梁通過(guò)行走輪坐落在基架的大車(chē)軌道面。整平架裝置如圖3所示。

控制好整平料斗總成在水下施工時(shí)的高程變化,是保證海底碎石基礎(chǔ)高程精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而整平料斗口在水下施工時(shí)的高程變化主要是由整平架的基架和行走梁的結(jié)構(gòu)受力及變形導(dǎo)致。

圖3 整平架裝置圖

2.1.1 基架駐位穩(wěn)定性控制原理

整平過(guò)程中,通過(guò)理論分析合理控制基架的水下質(zhì)量,確保其摩阻力可以抵抗環(huán)境載荷以及設(shè)備行走時(shí)帶來(lái)的荷載。施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)嚴(yán)格控制大、小車(chē)軌道在自重情況下的變形,將軌道高差控制在±2 mm,如圖4所示。通過(guò)有限元計(jì)算,分析構(gòu)件的水下受力情況和軌道頂面的變形,不斷地調(diào)整水密區(qū)的浮力,將軌道頂面的變形控制在要求范圍內(nèi)。

圖4 軌道在自重(不負(fù)載)下的變形控制

2.1.2 基架有限元模擬分析

2.1.2.1 模型與工況

本節(jié)基于整平架在水下坐底工作時(shí)的不同工況,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模塊對(duì)基架的變形進(jìn)行分析。基架由4根圓形管構(gòu)件裝焊成口字形,尺寸為39 m×31.9 m(長(zhǎng)×寬),料斗總成在基架框內(nèi)行走,基架實(shí)體模型如圖5所示。單元?jiǎng)澐譃樗拿骟w及六面體,大小為100 mm,接觸類(lèi)型為黏結(jié)。

圖5 基架實(shí)體模型

因?yàn)樵陉懙匾褜⒒苘壍栏卟钫{(diào)整在±2 mm,所以不考慮構(gòu)件自重;行走梁水下質(zhì)量W01=48 t,料斗總成水下質(zhì)量W02=12 t;基架主管單側(cè)水密艙浮力F01=24 kN,行走梁?jiǎn)蝹?cè)水密艙浮力F02=6 kN,基架4根立柱單根浮力F03=5 kN。

本節(jié)采用3種工況分析基架在不同受力情況下的變形: 工況1,行走梁和料斗總成歸中;工況2,行走梁歸中和料斗總成歸邊;工況3,行走梁和料斗總成歸邊。各工況下的荷載模型如圖6所示。

(a) 工況1: 行走梁和料斗總成歸中

(b) 工況2: 行走梁歸中和料斗總成歸邊

(c) 工況3: 行走梁和料斗總成歸邊

2.1.2.2 基架在不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果

有限元分析結(jié)果顯示: 工況1條件下,基架軌道變形為2.4～2.7 mm,取最大值為2.7 mm,如圖7(a)所示; 工況2條件下,基架軌道變形為0.2～5.0 mm,取最大值為5 mm,如圖7(b)所示;工況3條件下,基架軌道變形為1.0～4.7 mm,取最大值為4.7 mm,如圖7(c)所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

2.1.3 行走梁有限元模擬分析

2.1.3.1 模型與工況

基于整平架在水下坐底工作時(shí)的工況,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模塊對(duì)行走梁的變形進(jìn)行分析。行走梁由4根圓形管構(gòu)件裝焊成口字形,尺寸為39 m×31.9 m(長(zhǎng)×寬),料斗總成在2根行走梁上行走,簡(jiǎn)化后的行走梁模型如圖8所示。單元?jiǎng)澐譃樗拿骟w及六面體,大小為100 mm,接觸類(lèi)型為黏結(jié)。

圖8 行走梁簡(jiǎn)化實(shí)體模型

因在陸地已將行走梁軌道高差調(diào)整在±2 mm,故不考慮構(gòu)件自重;行走梁水下質(zhì)量W01=48 t,料斗總成水下質(zhì)量W02=12 t;基架主管單側(cè)水密艙浮力F01=240 kN,行走梁?jiǎn)蝹?cè)水密艙浮力F02=60 kN,基架4根立柱單根浮力F03=50 kN。

為了分析行走梁在不同受力工況下的變形情況,本節(jié)采用2種工況: 工況4,料斗總成歸中;工況5,料斗總成歸邊。各工況下荷載模型如圖9所示。

(a) 工況4: 料斗總成歸中

(b) 工況5: 料斗總成歸邊

2.1.3.2 行走梁在不同工況下的數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果: 工況4條件下,行走梁變形為0～0.3 mm,取最大值為0.3 mm,如圖10(a)所示;工況5條件下,行走梁變形為1.1～1.8 mm,取最大值為1.8 mm,如圖10(b)所示。

(a) 工況4: 料斗總成歸中

(b) 工況5: 料斗總成歸邊

2.1.4 料斗總成高程控制結(jié)論

通過(guò)有限元分析,可以得出軌道在水下工作時(shí)的各種組合變形為: 工況1+工況4,2+2+2.7+0.3=7 mm;工況2+工況5,2+2+5+1.8=10.8 mm;工況3+工況5,2+2+4.7+1.8=10.5 mm。

當(dāng)行走梁和料斗總成同時(shí)歸邊時(shí),即工況2+工況5,基架和行走梁的組合變形最大為10.8 mm,其中基架軌道和行走梁軌道的自重變形均為2 mm,基架在水下的最大變形為5 mm,行走梁在水下的最大變形為1.8 mm,組合最大變形為10.8 mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的<40 mm,因此本文研究的水下碎石整平系統(tǒng)的整平精度滿足設(shè)計(jì)要求。

在合理的施工條件下,水下碎石整平系統(tǒng)的基礎(chǔ)處理能力完全可以滿足沉管隧道基礎(chǔ)平整度高、承載能力強(qiáng)和納淤能力強(qiáng)的要求。

2.2 料斗內(nèi)碎石料的高度監(jiān)控

通過(guò)監(jiān)控料斗內(nèi)碎石料的高度可使整平漏斗在行走過(guò)程中不空走,且可保證整平漏斗內(nèi)的碎石有一定的高度,從而對(duì)碎石面有一定的預(yù)壓量,減少后期碎石面的沉降量,最終保證整平精度。

料斗內(nèi)碎石料高度監(jiān)控一直是整平系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),現(xiàn)有研究對(duì)料斗內(nèi)碎石料的高度監(jiān)控有2種思路: 一種方法是直接通過(guò)水下攝像頭監(jiān)控料斗內(nèi)的實(shí)時(shí)影像,但施工過(guò)程中,隨著碎石料的下落,整個(gè)海底的水變渾濁,監(jiān)控效果很差;另一種方法是通過(guò)絞車(chē)下放1個(gè)重錘到料斗內(nèi),當(dāng)重錘受到托舉力,絞車(chē)鋼絲繩的力瞬時(shí)變小,因此通過(guò)監(jiān)測(cè)絞車(chē)鋼絲繩長(zhǎng)度可監(jiān)控碎石料高度,但是,這種方法不能實(shí)現(xiàn)碎石料高度的實(shí)時(shí)、持續(xù)監(jiān)測(cè)和多點(diǎn)監(jiān)測(cè),效率不高,影響系統(tǒng)的連續(xù)施工。

本系統(tǒng)將傳感器布置在料斗外側(cè)安全可靠的構(gòu)件環(huán)境下,避免傳感器在料斗內(nèi)承受碎石料的強(qiáng)烈沖擊和撞擊,使其始終保持著穩(wěn)定性和可靠性。這種設(shè)計(jì)思路可實(shí)現(xiàn)對(duì)料位的持續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控和多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

碎石料位監(jiān)控研究與施工精度密切相關(guān)。料管內(nèi)的碎石高程影響碎石整平預(yù)壓和尾料處理。碎石整平預(yù)壓關(guān)系到管節(jié)沉放后的沉降量,如預(yù)壓不足可能導(dǎo)致管節(jié)沉放后沉降量較大;當(dāng)整幅鋪設(shè)接近完成時(shí),料管內(nèi)尾料的處理關(guān)系到整平的精度,在無(wú)法確認(rèn)料管內(nèi)是否存在碎石或是否碎石過(guò)多無(wú)法尾料處理時(shí),提起整平架進(jìn)行下一幅的鋪設(shè)容易造成高點(diǎn)。

系統(tǒng)在料斗外側(cè)的1.5、3、6、7.5 m高度位置布置了接近式料位傳感器組件,如圖11所示。

圖11 料位傳感器布置

2.3 精度控制

2.3.1 精度檢測(cè)系統(tǒng)

精度檢測(cè)系統(tǒng)包括安裝在小車(chē)架上的2個(gè)高度計(jì),沿小車(chē)移動(dòng)方向前后各安裝1個(gè)。高度計(jì)通過(guò)溫鹽深儀(CTD)實(shí)時(shí)測(cè)量水中聲速,計(jì)算得到高度計(jì)底端到水下碎石面的距離,并結(jié)合整平架載GPS、岸上GPS基站和驗(yàn)潮站采集的數(shù)據(jù)推算出碎石面的實(shí)時(shí)高程,在測(cè)控電腦上以色帶的方式顯示出來(lái)。

2.3.2 精度控制系統(tǒng)

精度控制系統(tǒng)由水上、水下電控系統(tǒng),水上、水下液壓系統(tǒng)組成,系統(tǒng)之間通過(guò)光纖進(jìn)行通信,水下液壓馬達(dá)和液壓油缸是核心執(zhí)行元件。

在進(jìn)行水下碎石基礎(chǔ)墊層整平作業(yè)過(guò)程中,整平漏斗底端高程精度決定了碎石面的高程精度。當(dāng)測(cè)控電腦顯示的碎石面高程精度偏離設(shè)定值一定范圍時(shí),測(cè)控系統(tǒng)給電控系統(tǒng)發(fā)出指令,執(zhí)行元件(樁腿油缸)自動(dòng)伸長(zhǎng)或縮短,從而調(diào)整整平漏斗底端的高程,保證整平出的碎石面高程精度滿足要求。

2.3.3 姿態(tài)調(diào)整

水下整平架的姿態(tài)調(diào)整是在測(cè)控系統(tǒng)的指引下,對(duì)其傾斜、高程和旋轉(zhuǎn)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,包括粗調(diào)、精調(diào)和碎石整平過(guò)程中的調(diào)整,使之達(dá)到預(yù)先設(shè)定的姿態(tài)要求。整平架姿態(tài)的調(diào)整至關(guān)重要,對(duì)水下碎石整平的精度影響極大。在整平架水下定位過(guò)程中,其姿態(tài)的調(diào)整主要通過(guò)收放與整平架連接的鋼纜實(shí)現(xiàn);水下定位完成后,其姿態(tài)的調(diào)整依靠樁腿油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。整平架上布設(shè)的高精度測(cè)控傳感器、樁腿油缸高精度行程傳感器以及科學(xué)的算法,可使其姿態(tài)調(diào)整精度得到保證。

3 工程應(yīng)用

3.1 應(yīng)用情況

水下碎石整平系統(tǒng)已成功研發(fā),如圖12所示。該系統(tǒng)在深中通道沉管隧道E32—E24管節(jié)碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)整平中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用,最快4 d可完成1節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的基礎(chǔ)鋪設(shè)。

圖12 碎石整平系統(tǒng)

深中通道沉管隧道管節(jié)為目前世界上已建成或在建隧道中管節(jié)最寬的,且其基床存在一定的坡度。為確保超寬變寬管節(jié)基礎(chǔ)順利鋪設(shè),基床設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)性地提出了“橫向錯(cuò)縫,分幅搭接”的施工工藝,非標(biāo)管節(jié)基礎(chǔ)由40條碎石壟組成。基礎(chǔ)沿管節(jié)軸線方向分成5個(gè)隔斷,每個(gè)隔斷沿寬度方向分為2幅,見(jiàn)圖13。

圖13 非標(biāo)管節(jié)碎石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

整平船設(shè)計(jì)時(shí)特別考慮了水下整平架定位平面位置的精度要求。整平作業(yè)窗口選擇平潮期或水流小的時(shí)候,通過(guò)控制水下架體姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)架體坐底。當(dāng)架體的實(shí)際平面位置與設(shè)計(jì)位置的偏差小于±20 cm時(shí),坐底完成。鋪石時(shí),下料至料斗內(nèi),料位達(dá)到一定預(yù)壓高度后,水上、水下小車(chē)開(kāi)始同步行走,確保預(yù)壓載足夠大。

水下架體配備一定的設(shè)備和架體剛度加強(qiáng)材料,其水下質(zhì)量大于10 t,集中于4個(gè)液壓樁腿之上;另外,碎石基床下方是一層拋填振密后厚1.1 m的塊石層(高程偏差±25 cm),摩擦因數(shù)較大,液壓系統(tǒng)樁腿所受的摩擦力使作業(yè)系統(tǒng)即使在大坡度鋪石時(shí)也能保證架體水下穩(wěn)定性良好。

3.2 應(yīng)用效果

碎石整平系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)整平結(jié)果如表3所示。

表3 碎石整平系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)整平結(jié)果

水下碎石整平系統(tǒng)在深中通道沉管隧道E32—E24管節(jié)碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)整平中發(fā)揮了重要的作用。由表3可知,該水下碎石整平系統(tǒng)的基礎(chǔ)處理精度控制在±40 mm,平均偏差15.3 mm,由此證明該平系統(tǒng)的基礎(chǔ)處理能力較強(qiáng)、基礎(chǔ)整平精度高。

4 結(jié)論與討論

本文研究了水下碎石整平系統(tǒng)中料斗總成的行走梁和基架在不同工況組合下的變形,結(jié)合有限元分析,通過(guò)合理控制基架的水下質(zhì)量和調(diào)整水密艙的布置,可將架體水下變形控制在要求的范圍內(nèi),從而確保實(shí)際整平精度與測(cè)量精度的偏差在允許的范圍內(nèi)。接近式料位傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了料斗總成內(nèi)碎石料位高度實(shí)時(shí)監(jiān)控和多點(diǎn)監(jiān)測(cè),可確保碎石墊層有足夠的預(yù)壓力。深中通道沉管隧道E32—E24管節(jié)的基礎(chǔ)碎石整平檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示,水下碎石整平系統(tǒng)處理的基礎(chǔ)滿足±40 mm的設(shè)計(jì)精度要求,部分管節(jié)碎石基礎(chǔ)整平精度為±25 mm,實(shí)踐成果驗(yàn)證了該水下碎石整平系統(tǒng)的可行性和可靠性。

不同管節(jié)在同一施工工藝下,仍存在一定的精度偏差,其產(chǎn)生的原因可能與下料速度對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響、基槽設(shè)計(jì)坡度和是否分層鋪設(shè)等因素有關(guān),這些有待進(jìn)一步研究。