深中通道西人工島大直徑鋼圓筒拆除施工技術(shù)

岳遠征，柳陽，李文祥，鄭偉濤

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

深中通道西人工島島壁采用大直徑鋼圓筒及副格圍護結(jié)構(gòu)形式，鋼圓筒及副格之間通過寬榫槽連接。為提供首節(jié)沉管與島上暗埋隧道對接條件，島隧結(jié)合部二次止水體系施工完成并經(jīng)過檢驗后，拆除島頭X03—X07號鋼圓筒及兩側(cè)副格[1-2]，見圖1。待拆除的鋼圓筒頂標(biāo)高+3.0 m，嵌入海床面約24 m，筒體直徑28 m，筒壁厚19 mm，Q345B材質(zhì)；鋼圓筒頂部1 m范圍內(nèi)板厚25 mm，單個圓筒共計48道T肋，副格鋼板厚14 mm，設(shè)置11道T肋[3]，如圖2所示。

圖1 島隧結(jié)合部平面位置圖Fig.1 Location plan of island tunnel junction

圖2 鋼圓筒及副格結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of steel cylinder and sub grid

鋼圓筒內(nèi)填充中粗砂，并在后續(xù)依次施打排水板進行筒內(nèi)軟基處理和施工高壓旋噴樁進行隧道地基處理。筒體拆除標(biāo)高范圍以上包含高壓旋噴樁返漿水泥塊及部分排水板遺留。

2 施工工況分析

鋼圓筒拆除施工共分為筒內(nèi)挖砂、水下切割以及鋼圓筒吊運3個作業(yè)工序。結(jié)合各施工工序，針對4種工況進行應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形分析。具體為：

工況一：鋼圓筒開挖至-3 m。

工況二：打開鋼圓筒，確保圓筒及副格內(nèi)水位與海平面相通，筒內(nèi)挖砂至設(shè)計標(biāo)高；其中X03、X07號鋼圓筒開挖至-12 m，剩余筒體開挖至-16 m。

工況三：鋼圓筒及副格整體切割至設(shè)計標(biāo)高，其中X03、X07鋼圓筒切割至-11 m，剩余筒體切割至-15 m；筒壁切割完成后，保留吊點位置的豎肋及副格頂部1.5 m位置不切割，豎肋保留數(shù)量為8根，同時豎肋兩側(cè)各保留1 m寬鋼圓筒筒壁不切割。

工況四：鋼圓筒及兩側(cè)副格按照8點吊形式，分組進行起吊。

鋼圓筒拆除作業(yè)集中在12月至翌年2月期間，施工地處珠江口伶仃洋，受人工島島形及自然條件等影響，鋼圓筒拆除過程中，受波浪力、水流力、風(fēng)荷載、靜水壓力共同作用[4]，受力工況復(fù)雜。為此，將鋼圓筒及副格倉平面簡化為矩形平面，通過有效分布寬度將岸壁簡化為懸臂梁進行分析計算，計算采用模型如圖3所示。計算時均按正面迎水、迎風(fēng)、迎浪的不利情況考慮[5]。

圖3 模型示意圖Fig.3 Model diagram

2.1 波浪力

施工海域全年以風(fēng)浪為主，涌浪少見；海域較大波浪主要是由臺風(fēng)引起，年平均波高為0.2 m，年平均周期為3.1 s；結(jié)合西人工島2 a重現(xiàn)期分析，11月至翌年2月期間，以NE向、N向、NW向波為正常施工工況的波浪，以NNW向為強浪向[5]。波高玫瑰圖見圖4。

圖4 波高玫瑰圖Fig.4 Wave height rose map

2.2 水流力

對西人工島島隧結(jié)合部在大潮和小潮漲潮和落潮期間特征流場進行數(shù)值模擬[5]，并綜合現(xiàn)場實測流速，待拆除鋼圓筒在各時間段的流速分布范圍如下：

1）大潮漲潮和落潮期間，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范圍為0.3～0.9 m/s。

2）小潮漲潮和落潮期間，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范圍為0.3～0.8 m/s。

作用于筒壁上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果見表1。

表1 水流力標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果Table 1 Calculation results of flow force standard value

2.3 風(fēng)荷載

按圍護結(jié)構(gòu)計算鋼圓筒水面以上部分承受的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值[5]，計算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算結(jié)果Table 2 Calculation results of standard value of wind load

2.4 靜水壓力

根據(jù)水文資料，設(shè)計高水位取1.89 m。靜水壓力引起的單位寬度彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為199.76 kN·m/m；T肋間距寬度彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為549.11 kN·m[5]。

3 施工情況

3.1 工藝流程

鋼圓筒拆除是對整體圍堰結(jié)構(gòu)的破壞，拆除前對島隧結(jié)合部二次止水體系與待拆除鋼圓筒之間區(qū)域進行回水，驗證二次止水體系止水效果并確保鋼圓筒內(nèi)外側(cè)水頭基本持平[4]。施工流程見圖5。

圖5 施工流程圖Fig.5 Construction process

3.2 開挖及切割標(biāo)高

鋼圓筒內(nèi)開挖及水下切割標(biāo)高以沉管底標(biāo)高進行推算，其中X04、X05、X06三組開挖標(biāo)高為-16 m，切割標(biāo)高為-15 m，兩側(cè)X03、X07兩組開挖標(biāo)高-12 m，切割標(biāo)高為-11 m。

3.3 拆除順序制定

結(jié)合西人工島海域相關(guān)波浪、潮汐資料，落潮流對鋼圓筒穩(wěn)定性有較大影響。施工水域漲落潮時，受島體阻水影響在島頭形成繞流，位于中間的X05號鋼圓筒與水流流向基本平行，兩側(cè)鋼圓筒的遮擋能夠有效降低島隧結(jié)合部的回淤量及水流沖擊作用，故首先拆除X05號鋼圓筒；同時，優(yōu)先拆除落潮流下游X04、X05鋼圓筒，北側(cè)X06、X07鋼圓筒其后拆除，可略微減弱已切割但尚未吊離鋼圓筒所受的波浪力及動水壓力。因此，最終確定鋼圓筒施工拆除順序為X05→X04→X06→X07→X03。以上鋼圓筒按照流水作業(yè)進行拆除作業(yè)，并適當(dāng)壓縮流水步距，避免已切除的鋼圓筒長時間擱置形成安全隱患。

3.4 鋼圓筒工況分析及穩(wěn)定性驗算

在鋼圓筒拆除過程中受多種作用力耦合，不同施工狀況下，鋼圓筒整體受力情況各不相同。筒內(nèi)開挖階段，內(nèi)部砂土標(biāo)高下降，自身抗傾覆能力下降。水下切割階段破壞鋼結(jié)構(gòu)完整性，造成自身應(yīng)力傳遞不均，易發(fā)生應(yīng)力集中，進而造成局部變形失穩(wěn)。另外，吊裝拆除期間，吊裝方式及吊點選擇極為重要，控制吊索具與鉛垂方向夾角，可防止水平拉應(yīng)力過大造成筒體橢圓度變化過大，避免喪失結(jié)構(gòu)整體性。因而，需通過對施工各階段進行理論分析，評估施工各階段鋼圓筒受力情況。主要進行以下工況受力穩(wěn)定性驗算，見表3。

表3 各階段受力組合及驗算結(jié)果Table 3 Stress combination and checking results of each stage

4 施工技術(shù)保障措施

根據(jù)理論計算結(jié)果，針對各工況下所存在的安全風(fēng)險，制定相應(yīng)的技術(shù)保障措施，以確保施工過程安全順利進行。

4.1 筒內(nèi)開挖技術(shù)

鋼圓筒拆除作業(yè)前首先需對筒內(nèi)砂進行挖除。開挖作業(yè)采取分段作業(yè)方式[4]，第一段采用陸上干法開挖，利用挖掘機開挖，自卸車出運。結(jié)合穩(wěn)定性驗算結(jié)果，該階段開挖深度不超過6.1 m。干法開挖階段同步進行鋼結(jié)構(gòu)銹蝕情況的評估，并對筒體制作階段保留的吊耳進行加固。

第二段開挖采用大型抓斗船開挖至設(shè)計底標(biāo)高。為防止靜水壓力過大造成筒體變形，開挖前將圓筒內(nèi)外聯(lián)通，保持內(nèi)外水壓力一致。副格倉最大寬度不足10 m，最小寬度僅為2 m，選用伸縮臂蚌式液壓抓斗挖機進行垂直開挖，并對前期施工的高壓旋噴樁樁頭進行破碎。該階段開挖為水下切割前置工序，結(jié)合潛水人員水下檢查筒壁情況，在滿足開挖水深的基礎(chǔ)上，利用抓斗有針對性的敲擊圓筒筒壁，震落粘結(jié)的砂土、水泥塊，方便后續(xù)切割并防止切割過程中掉落傷人。

4.2 鋼圓筒及副格水下切割技術(shù)

鋼圓筒拆除穩(wěn)定性驗算工況中，水下切割階段使鋼圓筒由完整結(jié)構(gòu)發(fā)展為不完整結(jié)構(gòu)，易發(fā)生不均勻變形或破壞。根據(jù)計算結(jié)果，施工過程中以風(fēng)速≤13.6 m/s（6級），波高H13%≤0.7 m，流速≤0.9 m/s等氣象指標(biāo)作為作業(yè)許可標(biāo)準(zhǔn)。同時嚴(yán)格控制切割標(biāo)高、預(yù)留結(jié)構(gòu)尺寸及數(shù)量。為降低起吊作業(yè)安全風(fēng)險，水下切割階段遵守以下作業(yè)要點：

1）清楚預(yù)留部分結(jié)構(gòu)位置，嚴(yán)禁超割或者欠割。

2)測定圓筒頂面標(biāo)高，測繩懸吊弧形標(biāo)尺確定切割標(biāo)高，保證切割標(biāo)高及割縫順直度。

3）切割前清理割縫內(nèi)外筒壁黏著物，避免切割鐵水回流粘連，并用薄鐵片進行貫通檢查。

4）整體割縫呈環(huán)形，切割作業(yè)對稱進行，且均勻分組分段作業(yè)，避免視線不明重復(fù)切割。

未開挖前大直徑鋼圓筒處于多種外力共同作用下，外海一側(cè)受力要大于島內(nèi)側(cè)，鋼圓筒內(nèi)的回填砂類似有一定剛度的彈簧，吸取部分變形[6]。而在開挖作業(yè)期間，圓筒內(nèi)土體高度下降，開挖高度范圍內(nèi)圓筒變形持續(xù)發(fā)生，因而切割期間嚴(yán)格按照穩(wěn)定性驗算結(jié)果進行預(yù)防傾覆的結(jié)構(gòu)預(yù)留，待圓筒起吊前司索完畢后再行切除。

4.3 水上吊裝技術(shù)

鋼圓筒水上吊裝依照風(fēng)速、水位及流速等氣象條件進行作業(yè)窗口規(guī)劃，結(jié)合當(dāng)日的潮汐情況一般選擇在平潮期進行吊裝。

起吊作業(yè)各細(xì)部工序需保證連貫完成，并嚴(yán)格按照鋼圓筒穩(wěn)定性驗算結(jié)果準(zhǔn)確布置吊索具。吊索具布置完成后，起重船豎向施加提升力拉直鋼絲繩，但不對鋼圓筒施加提升力。潛水人員水下完成預(yù)留防傾覆T肋切割。切割順序自內(nèi)而外，最后切割海側(cè)預(yù)留T形肋。過程中仔細(xì)檢查割縫，避免發(fā)生粘連。

待拆除鋼圓筒單組吊重約380 t，起吊吊點采用制作時自帶吊點，每個吊點計算承受荷載1 000 kN。結(jié)合每組鋼圓筒的重量，吊裝方式采用8點同步起吊，采用具有兩主鉤、兩副鉤大型起重船進行作業(yè)。其中，兩主副鉤各系掛直徑86 mm，長25 m的鋼絲繩共8根，用120 t卸扣與鋼圓筒相鄰8個吊點連接。司索布置如圖6所示。

圖6 司索布置圖Fig.6 Cable layout

通過對吊點起吊時所受的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及T形肋所受的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的計算復(fù)核得出[7]，吊索具與鉛垂方向的夾角不超過15°，確保在起吊轉(zhuǎn)運的過程中鋼圓筒不發(fā)生變形。

起吊過程中按照起重作業(yè)相關(guān)規(guī)程，采取試吊校驗設(shè)備運行狀態(tài)。正式起吊后，逐級加載，施加起重力至理論吊重。無法起吊后繼續(xù)施加起重力，但不超出理論吊重的10%。仍無法起吊則逐級降低起重力，由潛水人員檢查割縫粘連情況，確認(rèn)割縫貫通后再次嘗試起吊。起吊作業(yè)過程中，起重船施加豎向提升力，禁止越鉤及偏心起吊，主副鉤同時提升，起吊出水后，絞錨移船至安全距離后開啟動力吊運至指定地點。

5 結(jié)語

大直徑薄壁筒體海上拆除作業(yè)在國內(nèi)的相關(guān)施工經(jīng)驗較少。深中通道西人工島島壁結(jié)構(gòu)鋼圓筒直徑大，受島體形狀及自然條件影響，拆除作業(yè)筒體受力工況復(fù)雜，且對周邊已施工的現(xiàn)澆隧道構(gòu)成較大安全風(fēng)險。通過簡化受力模型，分解受力工況，對鋼圓筒拆除全過程安全風(fēng)險較高的階段進行受力分析，并制定有針對性的技術(shù)安全措施，有效保障了工程安全順利推進，可為類似工程提供參考。