港珠澳大橋鋼圓筒與副格水下拆除施工技術

豐貫凌，劉昊檳，程琪

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大橋全長約35 km，采用橋隧組合方案，橋隧通過東、西人工島銜接，島隧工程是大橋的控制性關鍵工程。沉管隧道總長度為5 664m，最大水深達47m。為實現沉管隧道與島上暗埋段的順利對接，需進行島頭鋼圓筒及副格拆除施工。本文就沉管對接前鋼圓筒拆除的相關工序進行詳細介紹。

1 工程概況

西人工島島壁采用鋼圓筒結構形式，圓筒間副格倉采用弧形鋼板，通過止水鎖口與鋼圓筒連接[1]。為實現沉管隧道與島上暗埋段的對接，對島頭編號為X08、X09、X10鋼圓筒及X07-X08、X08-X09、X09-X10、X10-X11之間的副格進行水下電弧氧切割并吊運拆除，切割標高為-15m。由于筒內及副格內曾進行過高壓旋噴樁施工，施工范圍是X09號鋼圓筒及左右相鄰兩個副格倉、X08和X10號鋼圓筒部分區域，高壓旋噴樁樁頂設計標高為-16.8 m，旋噴樁施工的反漿過程會造成部分樁頂高于設計標高，在進行筒內及副格內開挖時，需將高出-16 m標高的樁頂部分一并挖除。

此次拆除的鋼圓筒位于西人工島東側，如圖1所示。島外側水深約17m。鋼圓筒直徑22.0m，壁厚16mm，鋼圓筒間最小間距4.0m，筒頂標高約+3m；副格壁厚14 mm，弧長11.698 m。鋼圓筒及副格倉內切割前需進行開挖清砂處理，開挖完成時X08，X09，X10鋼圓筒及其副格內開挖底標高為-16m，與島外側泥面標高相同。小島內靠近鋼圓筒2 m以內位置的泥面標高為-15 m。總移除砂石量約3.2萬m3。

圖1 鋼圓筒拆除區域平面布置圖Fig.1 Layoutof steelcylinder demolition area

2 船機設備選擇

本次鋼圓筒拆除施工共分為筒內清砂、水下切割以及鋼圓筒吊運3個主要流程。筒內清砂主要采用抓斗船配合2艘倉容800 m3開底駁進行；水下切割采用潛水員攜帶水下切割工具進行；鋼圓筒吊運采用1 600 t雙鉤起重船進行。

根據施工需要及現場情況，本次潛水設備必須滿足水下切割及水泥清除兩項主要作業任務，同時，配置潛水作業平臺及潛水出水用爬梯，并準備小型挖掘鏟清除圓筒壁附著的水泥薄層。

3 施工工藝及方法

施工工藝主要包括開挖工藝、水下切割工藝及吊運拆除工藝。其中，筒內及副格內開挖分為3個階段（3種工況），經過設計計算，每種工況下圓筒的變形量及整體穩定性均滿足要求。

島頭鋼圓筒及副格拆除工藝流程如圖2所示。

圖2 鋼圓筒及副格拆除工藝流程圖Fig.2 Demolition process for the steelcylinder and auxiliary grid

3.1 施工工藝

3.1.1 鋼圓筒及其副格拆除第一階段淺層開挖

第一階段淺層開挖采用2臺挖掘機進行。當具備施工條件時，以a圓筒（X09）為中心向兩邊開挖至-3 m處，同時對鋼圓筒及副格的變形進行觀測，如變形過大，則停止開挖，改用抓斗船進行。開挖出的砂土直接裝船出運。第一階段僅對3個鋼圓筒進行開挖，開挖順序為a-c2-c1。

3.1.2 第二階段開挖施工

挖掘機完成第一階段開挖作業后，抓斗船駐位，實施第二階段深層開挖作業。第二階段開挖前，在鋼圓筒島外側筒壁±0 m標高處開一個圓孔，使筒內水位與島外水位相同，并保證筒內最低水位為±0 m，符合設計計算的工況模型。本階段將三個鋼圓筒中的砂土開挖至-7 m，開挖順序為a-c2-c1。

3.1.3 第三階段深層開挖施工

當島內卸載至設計標高并完成碎石墊層鋪設后，島頭鋼圓筒與暗埋段結構之間回水，回水至設計標高后方可進一步進行筒內及副格內開挖，以保持筒體穩定。

采用抓斗船將筒內及副格內開挖至-16 m，開挖順序為a-b1-b2-c2-d2-c1-d1。由于本次開挖的底標高均為-16m，開挖標高較容易控制，在鋼絲繩距抓斗19m位置做標識，當標識與筒頂重合時，開挖底標高即為-16m。

開挖過程中如遇到普通抓斗挖掘不掉的高壓旋噴樁樁頭，則由潛水員進行水下鑿除。副格倉及抓斗無法抓到的死角處，由潛水員用高壓水槍將砂沖起，沖至抓斗可以抓到的部位。

3.1.4 切割標高測設

當鋼圓筒及副格完成第三階段開挖后，由潛水員對清砂情況進行探摸，校核砂面標高，如存在淺點，則用抓斗船進行復挖。切割標高采用測繩測量，根據筒頂標高及切割標高計算測繩長度，測繩沿縱肋垂直向下放置。切割標高確定后，每兩道T形肋之間用兩根細繩懸掛一根定尺角鋼，潛水員水下將角鋼緊貼筒壁固定于切割標高下方，以便沿角鋼進行切割。

3.1.5 切割標高處清理

潛水員攜帶手持氣動鎬對影響切割的護筒壁附著泥漿塊體進行鑿除，如水泥層較薄直接利用挖掘鏟或鑿子清除。首先，找到最薄弱的位置開始清除，依次沿標高線將泥漿塊體全部清理干凈。此項任務比預期的難度要大，需考慮適當增加潛水作業人員。

3.1.6 鋼圓筒水下切割施工

潛水員水下采用電弧氧切割工藝在鋼圓筒內對鋼圓筒和副格進行切割，切割作業順序與開挖作業順序相同。潛水員分10組，每組7人。每組每次下水1人進行切割，每人每天作業時間（不含減壓）約1 h 40min[2]，輪班更換。潛水設備放置在提前制作好、可同時放置6套潛水設備的鋼平臺上，鋼平臺臨時固定于副格倉上，可以根據開挖需要臨時調整放置位置。鋼平臺寬度為6 m，長度為9m，面積約54m2，四周按照規范要求設置1.2m高護欄，以保證操作人員臨水作業安全。

切割前在水下設置統一標高線。潛水員下潛至切割位置后，檢查切割線位置并進行校對，校對無誤后，陸上人員將電氧切割炬通過信號繩傳遞給水下潛水員準備切割。切割條放入特制的小口袋中，下水前系在潛水員身上。切割時，為不使切割條內孔堵塞，先開氧氣，然后通知供電，引弧開始切割。當更換切割條或停止切割時，先通知斷電，再關氧氣。當切割作業人員交替時，必須切斷電源，將切割炬妥善放在割縫附近，不可任意擱置[3]。在切割操作時，切割條一般不做擺動，只沿切割線運行。當切割條燃燒到剩余長度35 mm時（不包括切割炬鉗口內的一部分），停止切割，更換新切割條，以免燒壞切割炬或造成更換切割條困難。每名潛水員在完成自己切割任務后，用小鐵片對割縫進行貫通檢查，防止有粘連，并對自己的割縫負責。切割鋼圓筒時每個吊點正下方對應的“T”形縱肋暫不切割，防止海流沖擊鋼筒造成傾覆。在實際施工中，通過典型施工對鋼板厚度、切割深度、氧氣壓力、切割角度、供電電流等參數進行調節，提前測試好最大效率后進行正式切割。

3.1.7 副格水下切割施工

每片副格分為橫向和豎向兩條切縫。切割鋼圓筒相連副格時，橫向沿著標高線進行切割，豎向沿榫槽邊緣從下向上切割，切割距副格頂部為1.5m時停止。

3.1.8 切割榫槽施工

該道工序進行前，先用起重船吊住鋼圓筒及其相連切割完畢的副格，吊點選擇鋼圓筒內部原有吊點，防止鋼圓筒出現傾斜事故。榫槽拆除時，先用水下電弧氧切割方式將榫槽一側的鋼板剝開500mm小口，然后用水下液壓鎬對內部填充物進行鑿除，再將榫槽內部鋼板及外部鋼板進行切割，使榫槽鋼板全部割斷。

3.2 吊運

3.2.1 吊運順序

水下切割施工完成后，進行鋼圓筒的吊運拆除。吊運共分3次進行。

3.2.2 起吊方式及船舶駐位方式

切割完成后，起重船對鋼圓筒及其連接的副格進行整體起吊。1 600 t雙鉤起重船吊住鋼圓筒（此時鋼圓筒加4個副格重量約為260 t），隨即潛水員切割鋼圓筒榫槽處鋼板預留位置及副格預留位置，并進行最后一次切割縫檢查，確保無粘結后潛水員出水。按照鋼圓筒上原有吊點，采用八點吊方法，吊裝索具采用φ96 NAT 8X55SWS+IWR-1670系列鋼絲繩。鋼絲繩壓制成圈，繩圈的周長為70m，起吊時，起重船的兩個“山”形鉤共4個鉤齒各掛1個繩圈。每根鋼絲繩的最小破斷力為5 330 kN，壓后繩圈的整體破斷力為 9 594 kN，采用6倍安全系數時可吊重160 t。需要特別注意的是將吊裝索具索好后，再將預留的割縫割開。

起重船起吊鋼圓筒時，分為南北兩側兩個駐位位置。漲潮時起吊在北側駐位；落潮時起吊在南側駐位。在有未拆除的鋼圓筒作為掩護的條件下，可以減少水流對船舶穩定性的影響。起吊后，起重船不需重新下錨即可將鋼圓筒吊運至西大島拌合站料倉處存放。

鋼圓筒起吊時，根據鋼絲繩長度、起吊角度以及圓筒內橫肋及縱肋的分布對筒壁進行應力分析，計算出筒壁最大變形量為72 cm，與鋼圓筒直徑22m相比，變形屬于可控范圍，不會對起吊產生不利影響。3.2.3 作業窗口

鋼圓筒拆除起吊作業時間窗口可參照鋼圓筒振沉時的作業條件要求。鋼圓筒起吊作業條件確定為：風速≤13.6m/s（6級），H13%波高≤0.8m，流速≤0.5m/s。

3.3 陸地分解

吊起的鋼圓筒立放在西大島內，四面用鋼絲繩牽引固定，防止圓筒傾倒。在圓筒周圍搭設腳手架，用氣焊進行切割分解，吊車配合拆除。

4 結語

港珠澳大橋西人工島島頭鋼圓筒拆除工藝復雜，相互交叉作業頻繁，在施工過程中如何合理安排各項工藝的銜接成為關鍵點，需科學謹慎安排、協調各工序施工。本文對處理復雜的水下切割問題進行了總結，可為類似工程提供參考。

[1]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：西人工島島體結構[R].2011.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:Structureofwest island[R].2011.

[2] 國際潛水承包商協會，ADCI商業潛水與水下作業公認標準[M].5版.2004.Association of Diving Contractors International.Recognized standards of ADCI commercial diving and underwater operations[M].5th ed.2004.

[3]GB 17869—1999，潛水員水下用電安全操作規程[S].GB 17869—1999,Code of safety for diver′s use of electricity underwater[S].