溜管拋石精度控制技術及在港珠澳大橋隧道基礎施工中的應用

梁天戈，伍紹博，蘇懷平

（1.英國布里斯托大學，英格蘭布里斯托市 BS8 1TH；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

溜管拋石精度控制技術及在港珠澳大橋隧道基礎施工中的應用

梁天戈1，伍紹博2*，蘇懷平3

（1.英國布里斯托大學，英格蘭布里斯托市 BS8 1TH；2.中交第三航務工程局有限公司，上海 200032；3.中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

溜管拋石施工工藝用于深水作業，是保障水下設施安全性、穩定性的有效施工手段。文章敘述了溜管拋石精度控制技術的發展現狀，主要包括拋石船及相關技術發展、海床測量集成系統和溜管拋石系統及儀器應用，重點闡述在港珠澳大橋島隧工程中溜管拋石系統化精度控制管理，采用典型施工期實測數據分析溜管拋石精度，說明溜管拋石精度控制技術的提高與發展。

溜管拋石；精度控制；港珠澳大橋；隧道基礎

0 引言

隨著拋石施工水深的不斷增加，溜管拋石施工工藝的應用逐漸成為了一種趨勢，施工精度控制是保證溜管拋石技術質量的關鍵。鑒于港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎施工環境復雜，拋石精度要求高，溜管拋石精度控制采用了網格式拋填法和拋石標高控制體系等技術，達到同類國內工程較高水平。本文通過對溜管拋石精度控制技術的調研，結合港珠澳沉管隧道基礎施工中溜管拋石精度的控制管理，對溜管拋石精度控制技術的發展現狀進行了系統研究。

1 精度控制技術發展現狀

1.1 拋石船及相關技術發展現狀

拋石船及相關技術發展共分三個階段[1]。第一階段為抓斗拋石，任何配備有抓斗裝置的作業船舶可作為拋石船使用，但不具備深海拋石能力，僅限于沿海拋石。第二階段為帶狀拋石，這一階段的拋石船為可承載大量石料的專業側拋船，應用于拋石精度要求不高的淺海拋石施工。第三階段為溜管拋石，由單個落石管組成的溜管引導石料進行拋石。國際上此類船舶主要為荷蘭的Royal BoskalisWestminster、Tideway、Van Oord及比利時的Jan De Nul四家公司所擁有。

用于深水溜管拋石的船舶已發展到先進的動力定位柔性溜管拋石船，如Van Oord公司的“Stornes”，是在自卸式散貨船基礎上研發的拋石作業船，船長175 m，寬26 m，深14.5 m，吃水9 m，可承載27 000 t（圖1）。該船貨艙內配備雙自動卸貨通道，通過C形傳送帶和回轉臂實現自卸，回轉臂向船外延伸控制的范圍在77 m以內；船舶中部設有月池及溜管下降裝置，有利于管理施工作業和穩定船體。柔性溜管的連接方式與鉆井管道相近，其優勢在于提升組裝與拆卸速度，并可在不影響航行的情況下自動完成溜管的安裝或拆除（圖2）。此拋石船自2009年9月份應用于工程，2014年11月14日在北海挪威海域的溜管拋石水深達1 277 m，創造了溜管拋石水深記錄。

圖1 柔性溜管動力定位拋石船“Stornes”截面圖Fig.1 Crosssection of flexible fall pipe dynam ic positioning vessel"Stornes"

圖2 柔性溜管動力定位拋石船“Stornes”細節圖Fig.2 Detailsof flexible fallpipe dynam ic positioning vessel"Stornes"

1.2 海床測量集成系統發展現狀

為保證和提高溜管拋石在黏土層施工的精度，國際上多采用海床測量集成系統實施海床地質、地勢的勘測工作。該系統主要組成部分為圓錐動力觸探裝置和溫度、鹽度、深度儀等，圓錐動力觸探勘測數據經分析可得出溜管拋石施工的具體技術指標，而溫度、鹽度、深度儀則用于水密度和深度測量，并通過綜合其他參數來推導海床標高，以檢驗多波束測深儀所提供數據的正確性[2]。

例如，在北海北部挪威海域，天然油氣田Knarr Field基礎拋石回填施工過程中，施工區距離挪威弗洛羅100多km，拋石回填基礎施工水深約400 m。基于海床地質的特殊性及其表面凹凸不平的特點，海床測量集成系統被投入使用。

1.3 深水溜管拋石系統發展現狀

溜管分為柔性和剛性兩種，深水溜管拋石系統大都采用柔性溜管，其中復合筒和伸縮管為柔性溜管的兩個特色。復合筒可增加溜管長度，為深水溜管拋石提供條件[3]。伸縮管用于控制下料點距海床的高度，實現精準拋石。控制測量系統下位機也是溜管系統中的一部分，它通過連接工控機來進行水下觀測（圖3）。推進器等下位機附屬機械裝置可矯正因水文影響所致的施工偏差，提高拋石精度控制。此外，水下影像無線傳輸設備的應用，提升了控制測量系統在水下作業環境的適應能力，有助于提高深水溜管拋石系統的工作效率，保證溜管拋石精度[4]。

圖3 水下溜管系統結構Fig.3 Structureof fallpipe system under the sea

在加拿大丘吉爾下流河域溜管拋石保護性工程中，深水溜管拋石系統在其基礎施工得到應用。施工區位于拉布拉多大西洋沿海區域和紐芬蘭阿瓦隆半島之間的貝爾島海峽。施工方案是以梯狀形式對海底電纜進行單層或雙層覆蓋，電纜間隔為3 m（圖4）。

圖4 溜管拋石施工（加拿大丘吉爾下流河域工程）Fig.4 Construction of fallpipe rock dumping (Canadian Lower Churchill Project)

2 港珠澳大橋島隧工程

2.1 基礎施工設計與船舶選用

港珠澳大橋隧道總長6.7 km，其中沉管段長5 664 m，在隧道基礎施工中，有2m的拋石夯平層，最大拋石水深近50 m。拋石基礎施工共分為3個區域，即島頭區域、E4-S3至E6-S2管節區域（最大水深約25m）和E6-S2至E23管節區域（最大水深約50m）。圖5為典型溜管拋石施工截面圖，拋填約2 m厚10～100 kg的塊石。溜管拋石施工流程見圖6。

圖5 E7～E10管節橫斷面圖Fig.5 Crosssection of par tof tunnelelem ent E7～E10

圖6 塊石拋填施工流程圖Fig.6 Construction processof rock dumping and filling

中交港珠澳大橋島隧工程項目總部研發及制造浮體式拋石夯平船“振駁28號”見圖7，船體分上料區和儲料區，船上配備有溜管拋石小車和液壓振動錘夯平系統，作業施工時配備2艘塊石運輸船舶。拋石船船長82 m，寬28m，深7.6 m，吃水5.2m，排水量12 000 t。

圖7 拋石夯平船（振駁28號）Fig.7 Rock dum ping vessel(Zhenbo No.28)

2.2 溜管拋石精度控制管理

沉管基礎拋石精度要求高，具體精度控制措施體現在增設溜管拋石小車、使用網格式拋填法和采取拋石標高控制等方面[5]。

溜管拋石小車上的溜管由4節最小內徑為1.2 m的套管組成，其頂部配有高精度GPS，底部設有泄流孔，可適應水深變化。溜管下料點配備多通道測深儀，方便塊石拋填標高控制。小車兩側配有卷揚機，溜管可通過卷揚機自由提升或下降。小車在平臺上的移動及基礎施工受網格式拋填法控制，小車在滑道上移動時，船體上測距儀對其進行實時監測。小車上另設有位置偏差補償裝置，進一步提升了工作效率和拋石精度（圖8）。

圖8“振駁28號”的溜管小車Fig.8 Fallpipe vehicleon the rock dumping vessel"Zhenbo No.28"

工程施工前期，依據施工區域特點，合理劃分溜管拋石小區。經過對點位間距及形狀進行拋填效果分析（圖9），決定點位間距設置為3m，拋石網格布置方式為矩形。施工過程中，利用拋石網格圖及首級GPS測量控制網，輔助振駁28號定位。當一個點位塊石拋填完畢后，溜管小車按照拋石網格圖移動至下一點位進行作業。

圖9 斷面5測點折線圖Fig.9 Line chartof themeasure pointsat cross section 5

拋石標高控制首先利用了磁感應系統測定溜管底口至溜管小車指定的位置距離，根據小車和GPS天線盤之間船體參數反算得到溜管底口標高，其次利用多通道測深儀對溜管周圍塊石標高進行實時監測，并根據所顯示的監測數據和設計標高進行比對，達到要求后方可進行下一點位的拋填。

2.3 典型施工數據采集與分析

典型施工位于沉管管節E10和E11交接處，總長度為50 m，共分2個部分，第一部分為E10中前20 m，拋石點位間距為2 m，第二部分為E10剩余長度及E11長度共30 m，拋石點位間距為3 m。典型施工目的是為了選擇拋石網格圖合適的點位間距，以達到控制溜管拋石標高、提高施工精準度等成效。

典型施工數據由多通道測深儀完成，當其下方塊石頂標高高于設計斷面標高10 cm時即停止點位拋填。由于測深儀易受到塊石擾動基底泥面的影響，需等數據顯示處于相對穩定狀態時，測深儀傳送數據至塊石拋填監控系統，實行對塊石標高的實時監控[6]。

典型施工區域內每10m一個斷面、縱向每2 m一個點位，對斷面掃描得到的數據進行比較分析，得出斷面測點折線圖。圖9所示為某拋石橫向點位為3m的斷面，共24個測試點。設計標高為-43.42 m，拋石前泥面標高平均-45.29 m，拋石后標高平均-43.31m，平均拋石厚度為1.98m，標準偏差為0.23 m。上述數據分析表明，橫向點位間距為3 m時拋填效果較好，拋石施工所在區域斷面之間影響較小，斷面高程偏差都控制在30 cm以內，滿足設計要求。

3 結語

1）目前，國際上在控制精度技術方面以拋石船優化創新、海床測量集成系統技術開發以及完善深水溜管拋石系統為發展方向。

2）港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎施工利用GPS測量定位系統，用網格式拋填法使溜管拋石小車得以準確定位，實現了溜管拋石精度控制系統化管理，達到了較高拋石精度控制，促進了國內溜管拋石技術在精度控制上的發展。

[1]梁富浩，張印桐，劉春厚，等.落石管拋石技術的發展及在我國深水油氣田開發中的應用前景[J].中國海上油氣，2011，23（2）：135-139. LIANGFu-hao,ZHANGYin-tong,LIUChun-hou,etal.Development of fall pipe rock dumping technology and its application prospect in the deepwater oil&gas field development in our country[J].ChinaOffshoreOiland Gas,2011,23(2):135-139.

[2] BEEMSTERBOER T N.Modeling the immediate penetration of rock particles in soft clay during subsea rock installation,using a flexible fall pipe vessel[D].Delft:Delft University of Technology, 2013.

[3] RUTTENW.Lower Churchill Project rock berm concept developmentstudy report[R].Breda:Tideway BV,2011.

[4]邱月曉.基于FPV技術的觀測型ROV系統設計[D].青島：中國海洋大學，2014. QIUYue-xiao.Design ofROV survey system base on FPV technology[D].Qingdao:Ocean University of China,2014.

[5]靳勝，冀晉.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎拋石夯平施工方案[R].珠海：中交股份聯合體港珠澳大橋島隧工程第Ⅰ工區項目經理部，2012. JIN Sheng,JIJin.Rock dumping and treatment for tunnel foundation in island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].Zhuhai:ProjectManagementDept.ofWork AreaⅠfor Island and Tunnel Project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Joint Venture of China Communications Construction Co.,Ltd., 2012.

[6]靳勝，冀晉.港珠澳大橋島隧工程沉管隧道基礎拋石夯平施工典型施工總結[R].珠海：中交股份聯合體港珠澳大橋島隧工程第Ⅰ工區項目經理部，2012. JIN Sheng,JIJin.Typical construction of rock dumping and treatment for tunnel foundation in island and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[R].Zhuhai:ProjectManagement Dept.ofWork AreaⅠfor Island and Tunnel ProjectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge Joint Venture of China Communications Construction Co.,Ltd.,2012.

Accuracy control techniques of fall pipe rock dum ping and its app lication in tunnel foundation construction of the Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge

LIANGTian-ge1,WUShao-bo2*,SUHuai-ping3
（1.University of Bristol,Bristol BS8 1TH,England;2.CCCCThird Harbor Engineering Co.,Ltd.,Shanghai200032,China；3.China Communications2nd Navigational Bureau 2nd Engineering Co.,Ltd.,Chongqing401121,China）

Fall pipe rock dumping is used in the deepwater construction,it can ensure the safety and stability of subsea facilities effectively.We discussed the development in accuracy control techniques of fall pipe rock dumping,include the development of dumping vessel with its technologies,the application of seabed survey integrating system,fall pipe rock dumping system with its related instruments.We focused on the accuracy controlmanagement system of fall pipe rock dumping in the island and tunnel projectof the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,analyzed the accuracy of all pipe rock dumping using the data from a typical construction.The improvement and development of the accuracy control techniques in this projectwere reflected.

fall pipe rock dumping;accuracy control;Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;tunnel foundation

U455.4

B

2095-7874（2015）11-0068-05

10.7640/zggw js201511019

2015-10-19

梁天戈 （1994— ），男，吉林長春市人，土木工程專業。*通訊作者：伍紹博，E-mail：215724876@qq.com