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(yè)。由于施工現(xiàn)場流速大，施工難度大，原拋石夯平船的拋石裝備與工藝設(shè)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(xiàn)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(guān)的詳細實施流程和核心關(guān)鍵技術(shù)，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(jié)組成，分2個標段。S09標段包括E1—E22共22個管節(jié)。基礎(chǔ)由塊石夯平層、塊石振密層和碎石振密層組成，設(shè)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(jié)處。

2 工藝及裝備設(shè)計

2.1 拋石夯平船整體設(shè)計

拋石夯平船設(shè)計[6-7]包括母船船體、振動結(jié)構(gòu)模塊、軌道結(jié)構(gòu)模塊、臺車結(jié)構(gòu)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(tǒng)；右舷可提供34 m甲板長度，用于布置振動夯實系統(tǒng)。甲板中部設(shè)置集裝箱式控制室，用于溜管拋石系統(tǒng)和振動夯實系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)和固定靠船墩提出了新的設(shè)計方案。

2.2.1 溜管設(shè)計方案

溜管裝置設(shè)計為三節(jié)管，大管套小管，第一節(jié)管直徑1 500 mm，其余兩節(jié)直徑逐漸遞增，3節(jié)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(shè)計方案相比，本方案增大了溜管內(nèi)徑，能夠有效防止堵管，提高了拋石作業(yè)效率。

2.2.2 溜管拋石工藝設(shè)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(jīng)計算平板駁滿載、空載兩種狀態(tài)，挖掘機所需最大卸料高度為5.5 m，最大卸料作業(yè)半徑6.5 m，2 m3挖掘機最大卸料高度7 m，卸料作業(yè)半徑7.5 m，滿足作業(yè)需要。

圖2 供料示意圖Fig.2 Diagram of feeding

2.2.3 溜管拋石漏斗設(shè)計方案

溜管拋石漏斗設(shè)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(yè)，漏口范圍的結(jié)構(gòu)特點為上方下圓的臺式結(jié)構(gòu)。

2.2.4 固定靠船墩設(shè)計方案

在母船左舷溜管拋石作業(yè)范圍，設(shè)置2個固定式鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，兩個箱體之間通過4個圓柱連接。該設(shè)計在保證強度的前提下，與常規(guī)設(shè)計方案相比減小了結(jié)構(gòu)重量。

圖3 固定式靠船墩結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of fixed berthing pier

2.3 振動夯實系統(tǒng)設(shè)計

如圖4所示為振動夯實系統(tǒng)。為了克服振動夯平小車在作業(yè)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(yōu)化設(shè)計，由內(nèi)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(wěn)定力矩，節(jié)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(yǎng)工作提供了便利。

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

3 工程應(yīng)用

拋石夯平裝備及工藝應(yīng)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(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后的拋石夯平船，石料船可直接靠在溜管拋石側(cè)，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(shè)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(jiān)測每10 m一個斷面，多波束測量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)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(yīng)進行清淤，確定回淤厚度及重度滿足設(shè)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(cè)，在施工管理系統(tǒng)的指導(dǎo)下，軸向通過移船、橫向通過臺車在軌道上移動實現(xiàn)定點、定量拋石與定位振密。

3）塊石拋填

根據(jù)施工區(qū)域特點和典型施工總結(jié)繪制拋石網(wǎng)格圖，拋石采用矩形網(wǎng)格法，網(wǎng)格間距為2.5 m（圖1）。塊石振密船在測控系統(tǒng)指導(dǎo)下根據(jù)拋石網(wǎng)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(cè)。溜管臺車精確定位后，根據(jù)拋石頂標高控制溜管下落距離，溜管設(shè)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(jù)測控系統(tǒng)對水下塊石頂面標高進行實時監(jiān)測，根據(jù)計算的拋石量和監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)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(tǒng)根據(jù)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(jiān)測，根據(jù)顯示的監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)計標高進行比較，達到設(shè)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(tǒng)將塊石振密船精確定位到指定拋石位置，嚴格按照前期規(guī)劃的振密軌跡進行振密施工。

3.3 施工質(zhì)量

使用配置多波束系統(tǒng)的測量船進行水下測量，統(tǒng)計測量結(jié)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(guī)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(jù)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(jié)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(yè)產(chǎn)生的安全風(fēng)險，提高了施工的效率。主要有以下創(chuàng)新點：

1）拋石側(cè)增加靠船墩結(jié)構(gòu)，石料船直接靠泊投料拋石，節(jié)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(tǒng)與振動夯實系統(tǒng)分別安裝在母船兩舷，避免兩工序相互干擾，提高設(shè)備利用率，并具備拋石與振動夯實同時施工的能力。