沉管頂推施工的保障措施

李海峰，劉遠林

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 概述

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道總長度5 664m，由33個管節組成。單個標準管節長180 m，由8個長22.5m的節段組成，重量約為7.2萬t。管節采用兩孔一管廊截面形式，寬3 795 cm，高1 140 cm。在管節下方設置4條滑移軌道（分別位于2個側墻和2個中隔墻下方），滑移軌道上設置支撐千斤頂和管節頂推系統，在頂推過程中支撐節段重量，如圖1所示。

沉管預制采用節段匹配預制法：在澆筑臺座完成1號節段施工，待節段混凝土達到頂推強度后，將管節向前頂推22.5m，匹配澆筑2號節段；2號節段達到頂推強度后，連同1號節段再向前頂推22.5 m，匹配澆筑第3節段；以此類推完成8號節段的澆筑，并最終將8個節段組成的管節向前頂推約130m至淺塢區，進行后續工作[1-3]。

2 管節頂推支撐系統設計保障措施

2.1 危險因素分析

2.1.1 存在的危險因素

1）管節支撐系統設置不能滿足管節混凝土澆筑時受力要求；

2）管節支撐系統設置不能滿足管節受力體系轉換時混凝土抗裂要求；

3）管節支撐系統中某支撐千斤頂失效或更換支撐千斤頂；

4）管節頂推系統設置不能滿足克服管節與滑移軌道間摩擦力的要求；

5）管節導向系統設置不能滿足發生偏移時對管節的導向糾偏功能；

6）管節自動控制系統設置不能滿足頂推精度控制的要求；

圖1 管節橫斷面示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of tube cross-section（cm）

7）管節相關設備及部件不能滿足耐久性及相關工作性能要求。

2.1.2 可能導致的安全風險

1） 管節裂縫；

2）管節頂推時不能正常啟動或前進；

3）管節偏移后不能糾正到正常狀態；

4）先澆管段頂推之后，與后澆管段不能良好匹配；

5）電氣設備、滑道磨損嚴重等不能滿足工期內的管節頂推施工要求。

2.2 主要控制措施

1）對管節澆筑、體系轉換及頂推等工況分別進行建模，模擬上述狀況下管段的受力狀態，據此作為頂推相關系統的設計依據。同時通過建模，輸入邊界條件，分析得到管段在上述工況下受力是否安全可靠。

2）在管段混凝土澆筑時，千斤頂頂板主要承受的荷載為鋼筋混凝土的自重及傾倒混凝土產生的沖擊荷載，其受力形式主要為抗壓。千斤頂頂板分別按照承載極限狀態及正常使用的極限狀態進行強度、剛度及穩定性驗算，確保在管段混凝土澆筑期間受力可靠。

3）為滿足管段流水作業的條件，當管段混凝土強度滿足頂推條件（軸心抗壓強度標準值fck≥16.7 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk≥1.78 MPa）后，可以進行受力體系轉換，進行頂推作業。

4）每段管節下方底模（千斤頂頂板）有4條布置在滑軌上的鋼構支撐及頂推系統，布設6個支撐千斤頂，每個千斤頂最大支撐力為850 t。建模分析得到單個支撐千斤頂所承受的豎向荷載約為355 t，支撐千斤頂安全系數為2.391，間隔千斤頂出現故障時不影響管節支撐，便于故障千斤頂的修復或更換。

5） 標準節段重量約9 000 t，支撐千斤頂底座PTFE板與不銹鋼板滑道界面摩擦系數為4%～5%，考慮一定的安全儲備取7%，則管段頂推啟動需克服的摩擦力約為630 t。單個頂推千斤頂頂推力約為40 t，單個節段下16個頂推千斤頂能夠提供約640 t的頂推力，能夠確保節段頂推的順利進行。

6）滑移軌道的安裝質量關乎管節頂推施工安全，管節的準確定位應嚴格予以控制。

7）管節頂推中涉及的關鍵設備、構件應進行必要的力學性能試驗，同時還應在實驗室對管節頂推中重要的工況如滑移面摩擦系數、滑移軌道梁與灌漿料黏結性能等進行模擬實驗，以指導現場施工。

3 模板區受力體系轉換保障措施

節段養護達到C25抗裂強度要求后，方可拆除模板，節段重量轉由支撐千斤頂承受，節段完成受力體系轉換。

3.1 危險因素分析

3.1.1 存在的危險因素

1）未達到管節混凝土抗裂要求進行受力體系轉換；

2）支撐千斤頂加載速度過快，將管節頂起一定高度；

3）電氣線路、液壓管路未按要求安裝布置，雜亂無序；

4）電氣線路漏電、液壓管路接頭未擰緊；

5）電氣線路布設不滿足電氣設備供電；

6）液壓管路耐壓值不滿足實際油壓要求；

7）設備維修保養不到位、力學儀表的讀數不準確。

3.1.2 可能導致的安全風險

1） 管節裂縫；

2）管節水平姿態差；

3）液壓管路爆管；

4）電氣設備及線路燒壞。

3.2 主要控制措施

1）管段混凝土強度不滿足頂推條件（軸心抗壓強度標準值fck≥16.7 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk≥1.78 MPa）時嚴禁進行體系轉換作業。

2）受力體系轉換時嚴格按照批準的施工方案中操作要求進行。

3）受力體系轉換時，支撐系統加載應逐步進行，兩側前后壓力應保持一致，以保證管段受力均勻、管段水平姿態變化在可控范圍內。

4）根據設計要求，為確保先、后澆管段豎向匹配良好，底模與支撐系統受力體系轉換應為無位移受力體系轉換。因此，在體系轉換前應在管段底板布置高程觀測點，實時監測體系轉換時管段水平姿態變化。

5）為保證底模與支撐系統受力體系轉換過程中管段基本處于無豎向位移狀態，在支撐千斤頂鎖緊螺母擰緊前應根據管段水平姿態監控數據調整鎖緊螺母的調節高度。

6） 管段混凝土澆筑時其自身重量由底模承擔，屬于多點分散受力，荷載分布較均勻，體系轉換后管段重量轉為由支撐系統承擔，屬于集中力的受力方式，可能存在一定的基礎沉降，因此在底模與支撐系統受力體系轉換完成后底模應及時完成降模工作，以防止因管段擱置時間過長地基產生不均勻沉降導致底模不能正常降模。

7）底模與支撐系統受力體系轉換前應仔細檢查各電氣線路、液壓管路是否按要求布置，各部位工作狀態是否正常。用于管段頂推的液壓管路耐壓值均以最大實際油壓值的2倍為設計指標，以防止爆管傷人。在底模與支撐系統受力體系轉換前尤其應檢查液壓管路接頭是否擰緊，對存在漏油、破損等情況的液壓管應及時予以更換。

8）電氣線路及液壓管路等按要求進行架空、固定、理順等，以防止觸電、損壞等。

9）完成受力體系轉換作業后，應斷開電路，并對重要部位如支撐千斤頂球閥、油泵儀表等進行保護，設置警示標志，嚴禁無關人員進入。

光程倍增光纖陀螺的偏振誤差，可分為振幅型和強度型.本文主要考慮偏振環行器的插入帶來的偏振誤差.由于偏振合束器由晶體、轉置器和尾纖組成，所以可將晶體與轉置器以及轉置器與尾纖之間的耦合點視為一個耦合點，在圖1中用點A、B、C、D、E、F來表示；a、b、c、d、e、f分別為對應轉置器的耦合尾纖中的串擾點.設經Y波導后輸入偏振環行器的順(CW)、逆(CCW)時針光束與分別沿平行偏振軸與垂直偏振軸方向傳輸，考慮到實驗所用的Y波導消光比ε達50 dB以上，所以本文僅考慮波列.光路中耦合點的功率串擾系數統一表示為ρ，偏振環行器損耗幅值系數與線圈損耗功率系數分別為α、γ.

4 頂推作業保障措施

頂推千斤頂推動節段前移，由于滑移鋼軌的反力槽間距為75 cm，故每次頂推75 cm后，前移千斤頂的后端部分至新的反力槽位置，總共需要頂推30次，共計22.5 m，管節節段移出模板區澆筑坑。

4.1 危險因素分析

4.1.1 存在的危險因素

1）未達到管節混凝土抗裂要求進行頂推；

2）支撐系統與滑移軌道間摩擦力過大；

3）管節頂推經過內空狹小的廊道內模，發生刮擦；

4）管節頂推不同步，易出現偏移；

6）電氣線路漏電、液壓管路接頭未擰緊；

7）液壓管路耐壓值不滿足實際油壓要求；

8）管節頂面雜物未清理干凈，高空落物。

4.1.2 可能導致的安全風險

1） 管節裂縫；

2）管節頂推不能正常啟動或同步頂推；

3）管節水平姿態差；

4）管節與內模發生刮擦、碰撞；

5）先澆端頂推出澆筑坑后與后澆端不能良好匹配；

6）支撐千斤頂底座與滑移軌道梁發生刮擦、碰撞；

7）液壓管路爆管；

8）電氣設備及線路燒壞；

9）物體打擊、碰撞、跌倒、觸電。

4.2 主要控制措施

1）管段混凝土強度不滿足頂推條件（軸心抗壓強度標準值fck≥16.7 MPa，軸心抗拉強度標準值ftk≥1.78MPa）時嚴禁進行頂推作業。

2）管段預制、頂推施工間隔周期長，對滑移軌道及頂推設備的耐久性要求高，應選用能適應現場工況以及蓄油能力好的潤滑油，選擇性能良好的滑塊，同時兼顧經濟效益。

3）支撐頂推單元安裝前應保持底部PTFE滑塊的潔凈并均勻涂抹潤滑油，同時應對支撐頂推單元安裝位置處的鋼滑移梁不銹鋼表面進行徹底的清潔、拋光處理和保護，并用彩條防雨布等遮蓋防塵，在頂推前應仔細清理滑移軌道，并均勻涂抹潤滑油。

4）嚴格控制鋼滑移梁標高高差，避免各軌道支撐千斤頂處豎向荷載偏差值過大引起各軌道摩擦力差值過大以及管節頂推的不同步，甚至損傷設備。

5）嚴格控制鋼滑移梁軸線偏差，管節頂推軸線糾偏通過測量糾偏和管節導向裝置糾偏結合的方式進行，并應以測量糾偏為主，導向裝置糾偏為輔，以減少管節糾偏的次數，提高頂推的施工工效。

6）建立頂推施工專業監控小組，參與管節頂推各項工序，通過高精度的監控儀器和數據分析指導管節頂推施工，持續改進。

7）更換千斤頂和滑板要嚴格按操作指導書執行，保證千斤頂和滑板更換過程中油路的安全，管節不沉降。

8）控制系統為工業環境應用而設計，對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等措施，設有對電源的掉電保護、存儲器內容的保護和自診斷措施，因而具有較強的抗干擾能力。

9）因廊道內模與管段內空間較小，易因管節發生一定偏移后發生刮擦或抵觸。管段頂推出模板區時，應提高測量監控頻率，及時調整管節姿態，以杜絕上述情況發生。

10）改進及提高控制系統的精度控制，滿足在頂推即將結束時對管節姿態的精度，使先澆端頂推即將駐停時能符合管節先、后澆端匹配精度要求，如里程位置、軸線等。

11）在先澆端即將頂推結束的最后幾個行程，應加強測量監控與頂推主控制臺的聯系，以測量監控數據為根據對管節姿態進行調整。

5 管節駐停保障措施

在一個新節段澆筑期間，先澆筑的節段將駐停等待新節段一起往前頂推，在駐停期間支撐千斤頂的壓力將一直保持在80%左右，千斤頂的環形螺母要與缸體接觸，以避免在壓力損失狀態時活塞發生移動。

5.1 危險因素分析

5.1.1 存在的危險因素

1）在不利位置如橋架塊、短梁段等位置長期駐停；

2）鋼滑移梁基礎沉降變形過大；

3）支撐千斤頂漏油，壓力下降；

4）人為故意破壞頂推設備及電氣線路等；

5）安全防護設施不完善。

5.1.2 可能導致的安全風險

1） 管節裂縫；

2）管節水平姿態差；

3）管節受力不均勻；

4）碰撞、跌倒、觸電。

5.2 主要控制措施

1）鋼閘門附近處滑移軌道梁大多為短梁段，管節駐停在上述位置時易受力集中，對滑移軌道結構受力不利。因此，管節應避免在這些位置駐停時間過長。

2）管節駐停時其自身重量傳遞給支撐千斤頂承擔，再由支撐千斤頂依次傳遞至滑移軌道基礎、地基，駐停時間過長容易引起地基產生不均勻沉降，從而導致管節受力不均勻。因此，為防止出現上述不利狀況，在管節駐停期間應加強軌道基礎及地基的沉降變形觀測。

3） 管節駐停時其自身重量的80%由支撐千斤頂油缸承擔，20%的重量由支撐千斤頂鎖緊螺母承受，支撐千斤頂漏油時油缸油壓下降，管節重量將轉移至鎖緊螺母，根據設計要求，鎖緊螺母能承受100%管節重量。

4）日常加強支撐千斤頂的檢查與保養，支撐千斤頂更換應避免在管節混凝土強度早期發展階段，更換時應對該工況進行必要的驗算以確保管節混凝土強度能滿足抗裂要求。

5）管節駐停時應該嚴格按照批準的施工方案進行。

6 淺塢區受力體系轉換的保障措施

在管節整體頂推至淺塢后，為防止支撐頂推系統被海水浸泡后腐蝕，管節需要進行體系轉換，將支撐和頂推系統置換出來，管節重量由設置在淺塢區的無源支撐承擔。

6.1 危險因素分析

6.1.1 存在的危險因素

1）無源支撐安裝標高不一致，使管節受力不均勻；

2）部分無源支撐鎖緊螺母未鎖緊，受力之后荷載轉移至鄰近的無源支撐上，則該無源支撐被“架空”；

3）管節下降時速度及高度不一致；

4）因無源支撐基礎不平整使無源支撐部分受力；

5）無源支撐上方支墊高度不夠。6.1.2 可能導致的安全風險

1） 管節裂縫；

2）無源支撐基礎損壞；

3） 體系轉換后因鋼滑移梁局部安裝高差過大、基礎沉降過大等導致部分頂推支撐單元不能正常脫離；

4）因無源支撐上方支墊高度不夠導致頂推設備置換困難。

6.2 主要控制措施

1）受力體系轉換前應對所有無源支撐安裝標高進行復測，確認所有無源支撐頂面處于同一水平面上，同時應檢查確認無源支撐鎖緊螺母擰緊無誤后方可進入到下道工序。

2）控制無源支撐底部墊梁頂面標高，保證無源支撐有足夠的調整高度滿足體系轉換要求，對無源支撐基礎不平整應進行支墊，使無源支撐均衡受力。

3）受力體系轉換時管節下降高度應分多步進行，每次下降高度不宜超過3～5mm。管節兩側完成一次下降調整后的高差應控制在1～2 mm，以避免管節受力不均勻、水平姿態差。

4）測量人員應配合進行監測，在進行完一次下降操作并復測達到同步下降的要求后方可進行下一階段的下降操作，如此循環進行，直至完成體系轉換工作。

5）受力體系轉換應嚴格按照批準的施工方案進行。

6） 出現頂推支撐單元不能正常拖出的情況時，可整體將管節頂起一定高度并同時上調無源支撐的頂面標高后再進行管節體系轉換。

7 結語

港珠澳大橋島隧工程沉管頂推設備從策劃、設計開始，就為確保超大沉管的順利頂推，考慮并設置了諸多安全防護設計和安全保障措施，安裝、使用過程中又進行了補充和完善，這對于安全完成沉管頂推施工至關重要，不但設備方面需要有安全保障，人為因素同樣值得重視。經過兩批4個管節的頂推實踐，頂推工藝逐步趨于完善，安全保障措施在施工中得到檢驗，完善后的安全保障措施將為后續的沉管頂推提供保障。

[1] 李惠明，梁杰忠，董政.沉管預制混凝土施工工藝比選[J].中國港灣建設，2013（4）：57-62.LIHui-ming,LIANG Jie-zhong,DONG Zheng.Comparison and selection of technologies for prefabrication of immersed tube sections in factory[J].ChinaHarbour Engineering,2013(4):57-62.

[2]中交股份聯合體港珠澳大橋島隧工程第Ⅲ工區一分區項目經理部.港珠澳大橋島隧工程沉管預制頂推專項施工方案[R].2013.ProjectManagement Dept.ofWork AreaⅢfor Island and Tunnel ProjectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge Joint VentureofChina Communications Construction Co.,Ltd.The special pushing construction scheme of prefabricated immersed tube tunnel of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project[R].2013.

[3] 肖曉春.大型沉管隧道管節工廠化預制關鍵技術[J].隧道建設，2011，31（6）：701-705.XIAOXiao-chun.Key technology formanufactory prefabrication of tube elements of large-scale immersed tunnels[J].Tunnel Construction,2011,31(6):701-705.