超大型沉管頂推技術(shù)

陳偉彬，劉遠(yuǎn)林，李海峰

（中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300）

1 工程概述

1.1 簡(jiǎn)述

港珠澳大橋島隧工程海底沉管隧道總長(zhǎng)度為5 664 m，由33個(gè)管節(jié)組成，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，重量約7.2萬(wàn)t，由8個(gè)長(zhǎng)22.5 m的節(jié)段組成。管節(jié)采用兩孔一管廊的截面形式，寬3 795 cm，高1 140 cm。在管節(jié)的下方設(shè)置4條滑移軌道，分別位于兩個(gè)側(cè)墻和兩個(gè)中隔墻下方，滑移軌道上設(shè)置支撐千斤頂，在頂推過(guò)程中支撐沉管節(jié)段的重量，見(jiàn)圖1所示。

圖1 管節(jié)橫斷面示意圖（單位：cm）Fig.1 Transverse section of theimmersed tube tunnel(cm)

沉管預(yù)制采用節(jié)段匹配預(yù)制法：在澆筑臺(tái)座完成1號(hào)節(jié)段施工，待節(jié)段混凝土達(dá)到頂推強(qiáng)度后，將管節(jié)向前頂推22.5 m（即單個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度），匹配澆筑2號(hào)節(jié)段。2號(hào)節(jié)段達(dá)到頂推強(qiáng)度后，連同1號(hào)節(jié)段再向前頂推22.5 m，匹配澆筑第3節(jié)段。以此類(lèi)推完成8號(hào)節(jié)段的澆筑，并最終將8個(gè)節(jié)段組成的管節(jié)向前頂推約130 m至淺塢區(qū)，進(jìn)行后續(xù)工作[1－2]。

1.2 施工特點(diǎn)

1）主動(dòng)支撐：節(jié)段下方設(shè)置主動(dòng)式支撐千斤頂，該千斤頂可以根據(jù)滑移軌道的表面平整度情況，通過(guò)油路的連接和蓄能器的使用，自動(dòng)調(diào)節(jié)其支撐高度，確保每個(gè)支撐千斤頂均勻受力。

2）“三點(diǎn)”支撐：節(jié)段下方由3套液壓泵系統(tǒng)平衡支撐，即底部為“三點(diǎn)”支撐，確保節(jié)段和管節(jié)的穩(wěn)定性。

3）多點(diǎn)分散同步頂推：每個(gè)節(jié)段下方均設(shè)置有頂推裝置，頂推力分散，對(duì)滑移軌道受力和反力獲取要求較低。

1.3 施工難點(diǎn)

1）頂推滑移軌道施工要求高：為防止節(jié)段混凝土在頂推過(guò)程中開(kāi)裂，必須嚴(yán)格控制頂推滑移軌道的標(biāo)高、平整度、平面位置、滑軌接頭、滑軌平整及4條軌道頂推卡槽的同步等。

2）多點(diǎn)支撐均勻受力控制較難：每個(gè)節(jié)段下方均設(shè)置有若干支撐千斤頂，隨著節(jié)段數(shù)量的增加，支撐千斤頂數(shù)量較大，油管路徑較長(zhǎng)，必須設(shè)置高精度的控制裝置和液壓補(bǔ)償系統(tǒng)來(lái)確保每個(gè)支撐千斤頂均勻受力。

3）多點(diǎn)頂推系統(tǒng)同步性控制：設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程總控制系統(tǒng)，對(duì)多個(gè)節(jié)段的頂推系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，確保節(jié)段頂推的同步性。

2 主要施工工藝

2.1 工藝流程

節(jié)段頂推施工工藝流程見(jiàn)圖2所示。

2.2 頂推滑移軌道及滑移面

管節(jié)的下方設(shè)置4條頂推滑移軌道梁，頂推滑移軌道位置設(shè)在沉管腹板正下方，確保管節(jié)底板不會(huì)在頂推過(guò)程中產(chǎn)生變形。

滑移鋼軌由兩部分組成：

1）水平鋼板和不銹鋼板：

水平鋼板寬740 mm，厚35 mm，其上布置3條3 mm厚的不銹鋼平行條，不銹鋼板與水平鋼板以角焊縫方式連接。支撐千斤頂?shù)装逑略O(shè)置PTFE板（即聚四氟乙烯板），兩者的接觸面作為管節(jié)頂推的滑移面。

圖2 節(jié)段頂推施工工藝流程圖Fig.2 Construction processdiagram of the immersed tubetunnel pushing

2） 側(cè)向鋼板：

高185 mm，寬45 mm，共2塊，鋼板連續(xù)、垂直，與水平鋼板以熔透焊方式連接。側(cè)向鋼板上還需開(kāi)槽，用以作為頂推千斤頂?shù)姆戳c(diǎn)。

2.3 管節(jié)支撐及頂推系統(tǒng)設(shè)備布置

2.3.1 管節(jié)支撐及頂推系統(tǒng)

管節(jié)下方有4條滑軌支撐，每條滑軌上布設(shè)6個(gè)支撐千斤頂，即單節(jié)段共由24個(gè)支撐千斤頂支撐。1號(hào)、6號(hào)千斤頂距節(jié)段端頭1.875 m，其余千斤頂之間間距為3.75 m。管節(jié)由8個(gè)節(jié)段制成，共有8×24=192個(gè)支撐千斤頂，支撐系統(tǒng)布置見(jiàn)圖3所示。

圖3 支撐系統(tǒng)布置圖（單位：mm）Fig.3 Arrangement diagram of the support system(mm)

在1號(hào)、2號(hào)千斤頂之間和5號(hào)、6號(hào)千斤頂之間設(shè)置頂推裝置（雙杠），3號(hào)、4號(hào)千斤頂則不設(shè)置，即每個(gè)節(jié)段下方設(shè)置8對(duì)頂推千斤頂，整個(gè)管節(jié)共有8×16=128個(gè)頂推千斤頂。每個(gè)支撐千斤頂?shù)捻敳颗溆幸粋€(gè)50 mm厚的鋼構(gòu)頂板用于支撐混凝土。

頂推千斤頂前端支撐在1號(hào)與2號(hào)支撐千斤頂（或5號(hào)與6號(hào)）的連接梁上，該連接梁與1號(hào)和2號(hào)上的連接頂板焊接牢固。將千斤頂（活塞端）的另一端銷(xiāo)接到帶反力銷(xiāo)系統(tǒng)的頂推反力架，該系統(tǒng)可將頂推力轉(zhuǎn)移到滑移鋼軌的側(cè)板凹槽中，凹槽縱向間距為750 mm，即頂推步距為750 mm。

2.3.2 管節(jié)導(dǎo)向系統(tǒng)

兩個(gè)導(dǎo)向裝置安裝在管節(jié)的底板下方，其中之一在前端（節(jié)段1），另一個(gè)在尾端（正在澆筑的最后節(jié)段）。整個(gè)頂推操作期間，前端保持固定，而尾端導(dǎo)向裝置位置不斷轉(zhuǎn)換到新澆筑的節(jié)段上，直到最后節(jié)段澆筑完成。兩個(gè)導(dǎo)向裝置控制管節(jié)對(duì)應(yīng)一條滑軌進(jìn)行對(duì)齊。導(dǎo)向裝置配有水平放置的液壓千斤頂，并連接滑道邊上的側(cè)導(dǎo)向臂。頂推操作期間，液壓千斤頂允許對(duì)管節(jié)橫向移動(dòng)導(dǎo)向，導(dǎo)向系統(tǒng)見(jiàn)圖4所示。

圖4 導(dǎo)向系統(tǒng)平面布置圖Fig.4 Planearrangement diagram of the guidance system

頂推操作期間，要對(duì)導(dǎo)向裝置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，導(dǎo)向裝置可通過(guò)采集的壓力值來(lái)判斷管節(jié)是否發(fā)生偏移，但具體調(diào)整值應(yīng)以測(cè)量觀測(cè)的結(jié)果為準(zhǔn)。如果壓力超過(guò)了預(yù)設(shè)值，通過(guò)測(cè)量檢測(cè)給出糾偏值，利用側(cè)導(dǎo)向千斤頂對(duì)管節(jié)施以水平力，促使管節(jié)發(fā)生平面內(nèi)的微小轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)沉管姿態(tài)調(diào)整，直至將導(dǎo)向裝置的壓力減小到預(yù)設(shè)值，最終實(shí)現(xiàn)管節(jié)軸線糾偏。

2.3.3 頂推電氣-液壓控制系統(tǒng)及“三點(diǎn)支撐”體系

節(jié)段頂推移動(dòng)操作時(shí)，始終由3臺(tái)液壓泵給支撐千斤頂提供油壓，用于支撐預(yù)制管節(jié)節(jié)段重量。3臺(tái)液壓泵的壓力值由總的控制平臺(tái)統(tǒng)一控制，確保每臺(tái)支撐千斤頂始終處在相同的液壓下。隨著節(jié)段數(shù)量的增加，在新節(jié)段下方安裝液壓支撐千斤頂，總千斤頂數(shù)量不斷增加。將液壓泵移動(dòng)到新的位置，調(diào)整液壓連接方式，再次為整個(gè)正在操作的管節(jié)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)稱的三點(diǎn)支撐平衡體系。為避免了節(jié)段接縫產(chǎn)生剪力，對(duì)大三點(diǎn)支撐的油路分割點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)與改進(jìn)。改進(jìn)內(nèi)容包括：頂推過(guò)程中按照動(dòng)態(tài)“大三點(diǎn)”原理，分割點(diǎn)由接縫處往前移動(dòng)2個(gè)支撐千斤頂位置；頂推前對(duì)“大三點(diǎn)”油路調(diào)整，頂推時(shí)支撐千斤油路由“關(guān)閉”改為頂推過(guò)程中油路“不關(guān)閉”。所有的支撐千斤頂由同一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，確保支撐千斤頂?shù)木鶆蚴芰?；所有的頂推千斤頂由另一個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，確保頂推千斤頂?shù)牟僮鲄f(xié)調(diào)性和均勻受力。

3 管節(jié)頂推

3.1 施工準(zhǔn)備

管節(jié)節(jié)段混凝土澆筑前，應(yīng)完成頂推及支撐單元的就位與調(diào)試工作。千斤頂頂板作為管節(jié)節(jié)段底模的一部分，管節(jié)節(jié)段澆筑的整個(gè)過(guò)程中頂推及支撐單元的所有千斤頂和液壓系統(tǒng)應(yīng)保持無(wú)壓力狀態(tài)。

管節(jié)節(jié)段正式頂推前移時(shí)，應(yīng)完成承重體系轉(zhuǎn)換工作，即底模支撐系統(tǒng)退出工作，管節(jié)節(jié)段重量轉(zhuǎn)由支撐及頂推系統(tǒng)支承。

3.2 施工

節(jié)段頂推采取分散連續(xù)頂推方法：在單個(gè)節(jié)段下方設(shè)置24個(gè)支撐千斤頂和8對(duì)頂推千斤頂，當(dāng)1號(hào)節(jié)段混凝土達(dá)頂推強(qiáng)度要求后，向淺塢方向頂推22.5 m，下一節(jié)段匹配預(yù)制（即2號(hào)節(jié)段）；2號(hào)節(jié)段則配置同樣的支撐和頂推裝置，連同1號(hào)節(jié)段向前頂推22.5 m；以此類(lèi)推，完成管節(jié)的8個(gè)節(jié)段澆筑工作；最后頂推管節(jié)至淺塢區(qū)進(jìn)行一次舾裝工作。

3.2.1 頂推前進(jìn)

頂推千斤頂推動(dòng)節(jié)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?shù)暮蠖瞬糠种列碌姆戳Σ畚恢?，總共需頂?0次，計(jì)22.5 m，首節(jié)節(jié)段移出澆筑坑。

2號(hào)節(jié)段與首節(jié)節(jié)段進(jìn)行匹配預(yù)制，達(dá)到頂推條件后，完成受力轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)頂推系統(tǒng)，將2號(hào)節(jié)段與1號(hào)節(jié)段整體往前頂推22.5 m，2號(hào)節(jié)段移出澆筑坑。

依此類(lèi)推，直至8號(hào)節(jié)段從澆筑坑中移出，然后8個(gè)節(jié)段整體一起往前頂推約130 m至淺塢區(qū)，在淺塢區(qū)完成后續(xù)舾裝、橫移等工序。

3.2.2 管節(jié)駐停

在一個(gè)新節(jié)段澆筑期間，前面的節(jié)段將駐停等待新節(jié)段一起往前頂推，在駐停期間支撐千斤頂?shù)膲毫⒁恢北３衷?0%左右，千斤頂?shù)沫h(huán)形螺母要與缸體接觸，以避免在壓力損失狀態(tài)下活塞發(fā)生移動(dòng)。

3.2.3 淺塢區(qū)受力體系轉(zhuǎn)換

在管節(jié)整體頂推至淺塢后，為防止支撐頂推系統(tǒng)被海水浸泡后腐蝕，管節(jié)需要進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換，即支撐和頂推系統(tǒng)將被置換出來(lái)，管節(jié)重量將轉(zhuǎn)由設(shè)置在淺塢區(qū)的無(wú)源支撐承擔(dān)。

1） 千斤頂置換

在淺塢區(qū)的滑移軌道梁兩側(cè)需設(shè)置置換混凝土基礎(chǔ)梁，用于支撐置換系統(tǒng)，采用自鎖角度的無(wú)源支撐來(lái)替換千斤頂。無(wú)源支撐沒(méi)有液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)橫向的鎖緊螺栓實(shí)現(xiàn)自身的升高和降低操作，故必須將無(wú)源支撐安裝到位，確保支撐頂面與管節(jié)底面的良好接觸，再鎖緊橫向調(diào)節(jié)螺栓后，方可對(duì)支撐千斤頂進(jìn)行卸載以完成體系轉(zhuǎn)換。

2）千斤頂轉(zhuǎn)運(yùn)與重新組裝

支撐千斤頂卸載，高度下降后，可直接通過(guò)小型5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)從管節(jié)下面分批拖出，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的移動(dòng)塔吊吊離軌道。置換出來(lái)的千斤頂轉(zhuǎn)運(yùn)至專門(mén)的儲(chǔ)存地點(diǎn)，并及時(shí)保養(yǎng)。

4 施工過(guò)程中存在的主要問(wèn)題及解決方法

4.1 滑移軌道對(duì)PTFE滑板使用壽命的影響

本工程中的滑移軌道與混凝土梁之間填充高強(qiáng)環(huán)氧灰漿，其灌漿的密實(shí)程度對(duì)滑移梁沉降影響較大，加上滑移軌道安裝調(diào)節(jié)器的功能不足，本工程中因灌漿不密實(shí)導(dǎo)致滑移梁接頭位置沉降最大有17 mm左右，單側(cè)滑移梁接頭位置沉降導(dǎo)致接頭位置形成錯(cuò)臺(tái)，PTFE滑板經(jīng)過(guò)時(shí)極易受損，PTFE滑板拖拉滑出，嚴(yán)重時(shí)使支撐千斤頂?shù)鬃岸私佑|滑移梁表面的不銹鋼板，造成不銹鋼板被鏟起，嚴(yán)重制約頂推效率，另外PTFE滑板造價(jià)昂貴，若PTFE板使用壽命過(guò)短，不利于成本控制。

大型沉管頂推作業(yè)中一定注意滑移梁制造、安裝的精度控制。滑移梁表面的不銹鋼板在焊接時(shí)，注意鋼梁表面的平整度和清潔，不銹鋼板貼實(shí)焊接，焊后要做拋光處理，確?；泼婀饣秸?，否則在千斤頂多次碾壓過(guò)后不銹鋼表面會(huì)形成凸點(diǎn)，不利于摩阻力的控制。

另外，本工程中滑移梁的設(shè)計(jì)未考慮搭接式或坡口式的接頭形式，而是采用對(duì)接式的接頭形式，這極不利于滑移梁的受壓沉降控制。在類(lèi)似工程中滑移梁可采取搭接式或坡口式的接頭形式，可以有效控制因滑移梁安裝、灌漿不密實(shí)在承受重載時(shí)單邊滑移梁接頭沉降形成的錯(cuò)臺(tái)，提高PTFE滑板的使用壽命。

滑移軌道高差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致管節(jié)支撐千斤頂?shù)捻敯逯螇毫Σ痪?，進(jìn)而造成頂推力不均衡，這對(duì)頂推的同步性有影響。

4.2 滑板的清潔對(duì)頂推摩阻的影響

本工程中頂推系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮滑移梁表面不銹鋼板與PTFE滑板間的最大摩阻系數(shù)控制在7%，若摩阻系數(shù)增大將導(dǎo)致頂推設(shè)備無(wú)法滿足頂推力的要求，降低摩阻系數(shù)主要是在摩擦副的選型和現(xiàn)有摩擦副表面清潔和潤(rùn)滑介質(zhì)的選擇等。本工程中的摩擦副為不銹鋼板和PTFE材料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際頂推推算，不銹鋼板表面進(jìn)行拋光處理并清潔徹底，與PTFE滑板全面接觸，摩阻系數(shù)可以控制在3.5%～4%左右，滿足頂推力要求，因此對(duì)于滑移梁的防塵保護(hù)、拋光、PTFE滑板的防污保護(hù)尤為重要。本工程的防護(hù)方法有帆布覆蓋滑移梁、頂推軌道上懸掛布簾防止風(fēng)沙進(jìn)入滑移梁表面以及在每次頂推前對(duì)滑移梁進(jìn)行拋光處理以及用工業(yè)吸塵器對(duì)滑移梁進(jìn)行清潔后重新涂抹潤(rùn)滑油等方式，摩阻系數(shù)能控制在5.5%左右。

4.3 滑板結(jié)構(gòu)對(duì)頂推摩阻和頂推成本的影響

純PTFE滑板是低磨阻產(chǎn)品，同時(shí)其結(jié)構(gòu)偏軟，容易受熱變形，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，包括增加儲(chǔ)油孔、導(dǎo)油槽、頂部抗滑措施，使其與千斤頂?shù)装迦娼佑|，與不銹鋼板潤(rùn)滑移動(dòng)，這樣能夠增大PTFE板的使用壽命，有利于頂推成本控制。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程頂推系統(tǒng)克服了大型混凝土預(yù)制構(gòu)件在移動(dòng)過(guò)程中因集中受力而導(dǎo)致預(yù)制構(gòu)件變形、開(kāi)裂的情況[3－4]，保障了大型預(yù)制構(gòu)件移動(dòng)的準(zhǔn)確定位，從而達(dá)到了形成流水線生產(chǎn)、滿足工期需要的目的，其三點(diǎn)支撐體系和多點(diǎn)分散同步頂推的設(shè)計(jì)理念給大型構(gòu)件移運(yùn)提供了新的思路，可為類(lèi)似工程提供參考。