外海深水沉管隧道碎石基床高精度控制技術及應用

張建軍

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266001）

0 引言

經過十幾年的發展，海洋高新技術的介入和裝備的不斷升級改進，我國離岸深水拋石基床整平技術[1]得到廣泛應用。2018年建成通車的港珠澳大橋，將沉管安裝和碎石基床整平技術推向一個嶄新的臺階。“津平1號”整平船在此工程中展現出了高超的“整平技藝”，這是專為港珠澳大橋沉管隧道碎石基床鋪設設計建造的施工專用船舶。港珠澳大橋沉管隧道的基礎碎石墊層施工最大水深達50 m，墊層施工長度約6 km，整平精度要求達到±40 mm。對于規模如此巨大、整平精度高的海上基礎碎石鋪設，在國內沒有工程先例，在國外可參考的經驗和研究成果也少之又少。本文從“津平1號”碎石基床鋪設整平入手，對碎石基床整平技術[2-3]進行了全面分析，通過采取各種技術控制措施，最終實現了高精度碎石基床鋪設。

1 “津平1”碎石整平技術簡介

“津平1”的主體為箱型“回”字形雙層甲板結構，平臺四角上布置有4根采用齒輪齒條形式驅動的樁腿，如圖1所示。平臺中央為月池，上部設有1臺可以縱向移動的大車。大車上裝有帶有拋石管的小車，拋石管隨大車和小車的移動，完成規定行程，同時將石料鋪設至海底槽床上。

圖1 整平船整平鋪設示意圖Fig.1 Schematic diagram of leveling ship leveling

到達指定工作區域后，經過插樁、抬升過程使平臺固定于一定的高度。碎石石料由進料口進入，通過皮帶機系統接力傳輸后最終進入拋石管。拋石作業分2層完成，拋石作業后通過自身進行質量檢測，驗收整平精度。滿足設計要求后，平臺下降、拔樁，移動平臺至下一個區域進行碎石整平作業，直至一節沉管的碎石鋪設完成。

2 工前控制技術

為了確保整平船系統裝置的穩定與可靠，在施工前，需要對各個系統裝置進行標準化的校核控制。通過使用專業儀器和校核技術，對系統進行詳細的診斷分析。綜合比對建立參數指標，可以快速判斷測控裝置高程的準確和可靠性，迅速對系統進行參數修正調整。

2.1 高程系統校核

在施工前，為了確保施工管理系統中拋石管位置的正確性，需要對拋石管位置進行校核。通過使用水準儀、全站儀、掃平儀、測尺4種儀器及方法分別對拋石管進行測量，獲得多個坐標及高程，與施工管理系統拋石管信息顯示窗口顯示數據進行比對。

通過比對，可以快速判斷施工管理系統軟件參數設置的正確性以及輸出結果的準確性，檢查出各個系統軟件之間的通訊情況是否異常，確保整平作業時系統正常、可靠。

1）全站儀三角高程校核

在隧道測量平臺用LeicaTS3O全站儀對碎石整平船拋石管底部高程進行檢測比對。將棱鏡的中心位置固定于拋石管底部中心，量出棱鏡中心距離拋石管底部中心即棱鏡高，測出拋石管的底部高程，最后與系統顯示高程進行比對修正。

2）RTK+水準引測校核

在船體某處確定1個高程基準，通過水準測量辦法測出拋石管底部高程。

3）掃平儀校核

在測量平臺上架設掃平儀，將安裝有接收器的塔尺放到拋石管上，測量求出拋石管底部高程。

4）潛水員水下確認

利用已安管節頂部高程點對拋石管底部高程進行檢核。將拋石管移至已安管節中間部位的高程特征點上方，潛水員沿拋石管下潛至管節頂部，用特制測尺從拋石管底部位置量取到特征點的高差，多次測量取平均值，將特征點的高程換算至拋石管口，并與此時GNSS高程顯示的高程數據比對確認。

2.2 船體傾斜儀修正

施工前通過傾斜儀修正，在施工過程中傾斜儀準確檢測船體傾斜角度。為了確保傾斜儀的正確工作，需要用掃平儀進行檢校。船體調平的具體流程如圖2所示。

圖2 船體傾斜儀修正流程Fig.2 Hull tiltmeter correction process

當船體調平后，如果傾斜儀檢測界面顯示傾斜，對其歸零處置。

通過上述作業，保證了整平船船體水平和傾斜儀的正常工作，從而使得拋石管在下放過程中處于自然垂直狀態，避免了與夾緊裝置之間的摩擦力過大而對設備造成損傷。同時，船體水平也會減少整平作業時的水平軌道撓度，提高碎石壟的整平精度。

2.3 油缸系統修正

拋石管頭部是固定的主管和可以伸縮的平衡管，通過4根平衡油缸共同作用可以調節平衡管的伸出長度（可達1.2 m），以滿足拋石鋪設標高的精調要求。

在拋石管正下方設置激光測距儀，先測出油缸的初始位置，然后控制油缸伸出一定距離，并記錄每一次伸出的距離（圖3）。對比系統顯示的伸長量和實測伸長量，如果超出要求范圍，對油缸進行改正值修正，確保油缸伸出量的系統顯示值與實測值一致。

圖3 油缸系統修正示意圖Fig.3 Revision diagram of oil cylinder system correction

3 施工過程監控技術

3.1 拋石管傾斜監控

造成拋石管傾斜的因素有很多，主要包括海水流速過大引起的拋石管的傾斜；在施工過程中拋石管底部和碎石之間的摩擦力引起的拋石管傾斜，大小車的行走速度過快引起的拋石管傾斜。為減小拋石管傾斜帶來的控制誤差，可采取相應的技術措施來降低拋石管傾斜度。

對于拋石管底部摩擦而可能造成的拋石管傾斜，可以通過改變投入管內的石料高度來降低拋石管傾斜。通過試驗驗證，拋石管內石料高度在6～8 m時能顯著降低拋石管傾斜度。除此之外，可以通過調整施工速度（臺車行走速度）來有效控制傾斜。施工時，整平船臺車以0.8～1.0 m/min的速度施工就能夠形成精度高的墊層，可控制拋石管的傾斜。

3.2 船體撓度監控

整平船船體在大、小車行走等因素的影響下，會產生撓度，影響基床整平精度。

船體撓度的變化可以根據簡支梁撓度計算公式做簡單計算。以大車作用在船體鋼軌上的外力為固定荷載，跨中一個集中荷載下的最大撓度在梁的跨中，撓度計算公式為：

式中：W為梁的最大撓度，mm；F為梁跨中受力，kN；L為梁長度，m；E為鋼的彈性模量，E=2 100 000 N/mm2；I為梁的截面慣矩，mm4。

將整平船的對應數值代入公式，計算出船體撓度為50.7 mm。同樣，大車本身的撓度為22.4 mm，兩者相加為73.1 mm。

通過整平設備管理系統對船體撓度監控，然后調整刮刀箱上液壓油缸的伸縮量可以消除此影響，當高程變化超過5 mm時進行調整，可以有效控制碎石壟面的平整度。

3.3 GPS信號質量監測

港珠澳大橋位于低緯度地區[4]，電離層對GPS測量精度影響很大。為了保證測量精度，整平船在施工過程中對GPS信號質量也進行了監測。通過在GPS參考站附近的加密控制點上架設RTK流動站，實時監測GPS信號質量，整平設備管理系統自身也對GPS信號質量進行監控。

除此之外，在施工現場整平期間，通過空間環境預報中心，得到了具體的TEC數據變化曲線圖。通過預報中心提供的數據，也可以看出在電磁波暴的活躍時間段，電磁波波動比較大，對GPS定位精度產生的影響也最為顯著。要有效避開GPS信號質量較差的時間段，來避免測量精度損失。

3.4 聲吶系統的實時監控與反饋

測量整平成型的精密聲吶的精度是（±0.03 m+H/1 000），電子分解能是±0.01 m。對于測量距離變化引起的誤差，通過將測深距離限定在1.5～2.7 m之間來保證精度。同時采用兩套聲吶系統，測量聲吶和修正聲吶，修正聲速來彌補水密度變化引起的測量誤差。經過修正后的聲吶精度可以達到±10 mm以內。

3.5 深水深槽流速監控

港珠澳大橋施工區域的海流既受周邊島嶼與地形的制約，又受伶仃洋下泄流及桂山島西面水域上溯流及大濠水道上溯流的影響，其海流的變化非常復雜。在此環境中開挖的基槽，槽內海流變化更加復雜。

在整平船上安裝使用挪威NORTEK公司的闊龍400 kHz聲學多普勒流速剖面儀，最大測量剖面60～90 m，測量范圍10 m/s，測量準確度為示值的±1%±0.5 cm/s。流速儀能夠對深水基槽海流進行實時監控，可以避免因流速過大時施工造成拋石管前端的水流沖擊。

4 技術應用成果

港珠澳大橋島隧工程共計完成33個管節的碎石基床鋪設工作，其精度完全達到設計要求[5]，沉管安裝施工質量合格，沒有出現基礎質量問題。由于數據較多，這里僅列出1個管節驗收數據進行說明（見表1）。

表1 某管節碎石壟整平驗收數據Table1 Leveling acceptance data of a tube section lithotripsy

通過表1可知90.62%以上的點均落在±20 mm誤差范圍以內，整平精度完全可以達到±40 mm[6]的質量控制要求。

管節安裝后與貫通測量的高程最大偏差值為-3.3 mm，最小偏差-3.2 mm，由此可以反映出碎石基床整平的高精度。

5 結語

外海沉管隧道碎石基床高精度控制技術，其自動化程度高，在深水離岸情況下鋪設精度高，施工效率高，實現了技術進步。

面對現代沉管技術高質量、高精度要求不斷提高的趨勢，施工技術、自動化、智能化的程度不斷提高，這將從整體上提高我國水工領域施工質量及施工效率，對我國的水運工程建設和大型跨海通道建設具有重要的指導意義。