深中通道溜管拋石振動夯實施工工藝及裝備研究

高玉林，門大勇，汪品，王翔

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

0 引言

深中通道沉管安裝項目，需進行拋石、夯平施工作業。由于施工現場流速大，施工難度大，原拋石夯平船的拋石裝備與工藝設計[1-3]已不能滿足工程需要。

針對深中通道工程具體要求，提出了與現場條件相匹配的溜管拋石和振動夯實裝備與工藝[4-5]，研究了與其有關的詳細實施流程和核心關鍵技術，并通過實際工效分析驗證了裝備及工藝的有效性。

1 工程概況

深中通道主體工程全長約24.0 km，隧道全長6 845 m，其中沉管隧道全長5 035 m，由32個管節組成，分2個標段。S09標段包括E1—E22共22個管節。基礎由塊石夯平層、塊石振密層和碎石振密層組成，設計總方量為25.09萬m3，其中塊石夯平層14.74萬m3、塊石振密層10.03萬m3、碎石振密層0.32萬m3。最大拋填水深為34.77 m，位于E7管節處。

2 工藝及裝備設計

2.1 拋石夯平船整體設計

拋石夯平船設計[6-7]包括母船船體、振動結構模塊、軌道結構模塊、臺車結構模塊4個主要部分。母船左舷可提供51 m甲板長度，用于布置溜管拋石系統；右舷可提供34 m甲板長度，用于布置振動夯實系統。甲板中部設置集裝箱式控制室，用于溜管拋石系統和振動夯實系統的施工測控，見圖1。

圖1 拋石夯平船總體平面布置圖Fig.1 General layout plan of riprap ramming ship

2.2 溜管拋石系統設計

針對深中通道項目施工特點，對溜管直徑、拋石工藝、漏斗結構和固定靠船墩提出了新的設計方案。

2.2.1 溜管設計方案

溜管裝置設計為三節管，大管套小管，第一節管直徑1 500 mm，其余兩節直徑逐漸遞增，3節溜管完全伸開長度可達30 m，滿足水深32 m施工要求。同時與同類設計方案相比，本方案增大了溜管內徑，能夠有效防止堵管，提高了拋石作業效率。

2.2.2 溜管拋石工藝設計方案

拋石施工時，采用2 000 m3平板駁靠拋石夯平船左舷供料，平板駁配2 m3挖掘機直接向漏斗喂料，避免了石料二次倒駁。供料過程如圖2所示。漏斗距主甲板面高度為3.8 m，經計算平板駁滿載、空載兩種狀態，挖掘機所需最大卸料高度為5.5 m，最大卸料作業半徑6.5 m，2 m3挖掘機最大卸料高度7 m，卸料作業半徑7.5 m，滿足作業需要。

圖2 供料示意圖Fig.2 Diagram of feeding

2.2.3 溜管拋石漏斗設計方案

溜管拋石漏斗設計的主要原則是降低投料高度、連接過渡順暢、方便挖掘機喂料作業，漏口范圍的結構特點為上方下圓的臺式結構。

2.2.4 固定靠船墩設計方案

在母船左舷溜管拋石作業范圍，設置2個固定式鋼結構靠船墩，以滿足石料船靠駁要求，如圖3所示。靠船墩為雙體箱式結構，兩個箱體之間通過4個圓柱連接。該設計在保證強度的前提下，與常規設計方案相比減小了結構重量。

圖3 固定式靠船墩結構圖Fig.3 Structural drawing of fixed berthing pier

2.3 振動夯實系統設計

如圖4所示為振動夯實系統。為了克服振動夯平小車在作業時，由于吊重減輕，配重塊造成小車后仰，小車在振動下存在的抖動問題，提出以下解決方法：

1）采用配重計算方法，有效減少了配重，降低了甲板荷載。

2）對軌道進行了優化設計，由內向C形（“［］”形）改為外向C形（“］［”形），采用外向C形軌道，在同樣的空間條件下，增大了穩定力矩，節約了甲板空間，使甲板2臺克令吊得以保留，為施工和維修保養工作提供了便利。

圖4 振動夯實系統Fig.4 Vibratory tamping system

3 工程應用

拋石夯平裝備及工藝應用于深中通道工程，從工程實際使用效果看，拋石夯平裝備及工藝的施工精度符合工程需求。經過優化設計后的拋石夯平船，石料船可直接靠在溜管拋石側，通過絞移石料船靠駁纜繩即可解決喂料問題，避免了挖機倒運石料，提高了施工效率，減少了設備投入。

3.1 溜管拋石施工工藝

溜管拋石施工工藝的主要流程如圖5所示，拋石施工工藝包括船舶駐位、下放溜管、倒運塊石、拋填塊石以及過程控制[8-9]。

圖5 溜管拋石施工流程圖Fig.5 Flow chart of chute riprap construction

1）施工準備

基槽精挖后，塊石拋填施工前3 d需對槽底的回淤厚度進行檢測，多波束水深監測每10 m一個斷面，多波束測量數據分析發現異常情況時，進行潛水探摸檢查。當基槽底重度大于12.6 kN/m3的回淤沉積物厚度大于0.2 m時應進行清淤，確定回淤厚度及重度滿足設計要求后，方能進行塊石拋填施工。

2）船舶定位

拋石夯平船橫跨基槽駐位，石料船靠拋石夯平船左側，在施工管理系統的指導下，軸向通過移船、橫向通過臺車在軌道上移動實現定點、定量拋石與定位振密。

3）塊石拋填

根據施工區域特點和典型施工總結繪制拋石網格圖，拋石采用矩形網格法，網格間距為2.5 m（圖1）。塊石振密船在測控系統指導下根據拋石網格圖進行精確定位。

運輸石料的石料船靠塊石振密船安裝拋石溜管的一側。溜管臺車精確定位后，根據拋石頂標高控制溜管下落距離，溜管設置完以后，計算每個點位的拋石量，開始通過石料船上的挖掘機向溜管料斗喂料。

根據測控系統對水下塊石頂面標高進行實時監測，根據計算的拋石量和監測數據指導拋石施工。一個點位拋填完，拋石溜管小車在軌道上移動至下一個點位拋填，拋填完一個船位后，移船進行下一個船位的拋填。

4）塊石拋填標高控制

塊石拋填過程中，測控管理系統根據絞車的出繩長度可以反算出溜管底口高程，利用溜管底部安裝的高度計對水下拋填塊石頂面標高進行實時監測，根據顯示的監測數據和設計標高進行比較，達到設計要求后進行下一點位的拋填。

3.2 振動夯實施工工藝

塊石振密船舶定位方式與塊石拋填船舶定位一致，塊石振密施工時利用測控定位系統將塊石振密船精確定位到指定拋石位置，嚴格按照前期規劃的振密軌跡進行振密施工。

3.3 施工質量

使用配置多波束系統的測量船進行水下測量，統計測量結果可以看出，拋石夯平裝備及工藝的施工精度高達依30 cm。

4 工效分析

4.1 溜管拋石工效分析

溜管拋石石料規格為10~30 cm塊石、10~100 kg塊石，采用2臺2 m3斗容的挖掘機配合2套拋石溜管進行施工。施工效率為1 800 m3/d；單個沉管的拋石量為15 098 m3（平均值），所需時間為8.39 d。

4.2 振動夯實工效分析

夯板尺寸5 m伊4 m，船位搭接0.5 m，錘位搭接0.5 m，單個船位夯平長度為26 m，完成1個船位共計需要6個錘位。1個船位有效夯平面積為91 m2。根據提升絞車22.2 m/min，滑輪4倍率速度，提升速度為5.55 m/min；水平移動絞車速度為3 m/min，由此，計算單個錘位工作時間為2.4 min（從落錘至移動到下一個錘位，落錘時間為22 s，振動密實時間為40 s，提錘為22 s，移動錘位時間為50 s，考慮其他時間10 s），完成1個船位時間為14.4 min（所用時間小于1個船位拋石用時間），移動船位時間為5 min；每個船位綜合時間為20 min。

單個沉管夯平面積為8 580 m2，完成1個沉管需要96個船位，所需時間為1.33 d。

5 結語

針對深中通道的工程特點，提出了適配的溜管拋石和振動夯實工藝，避免了兩工序相互干擾，減少了各類型施工船舶交叉作業產生的安全風險，提高了施工的效率。主要有以下創新點：

1）拋石側增加靠船墩結構，石料船直接靠泊投料拋石，節約了甲板空間，同時避免石料二次倒駁，提高了施工效率。

2）將溜管拋石系統與振動夯實系統分別安裝在母船兩舷，避免兩工序相互干擾，提高設備利用率，并具備拋石與振動夯實同時施工的能力。