超寬超深鋼殼沉管精調設備工藝研究及應用

王偉，馮海暴，宋神友，董輝

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510623；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

1.1 項目概況

深中通道沉管隧道為世界上首次大規模應用鋼殼混凝土結構，也是首例特長雙向八車道海底隧道。隧道全長6 845 m，沉管段長5 035 m，由32個管節組成，每個標準管節高10.6 m，寬46 m，長165 m，重約76 000 t，最大安裝水深約40 m，安裝難度高，施工風險大；管節接頭位置采用柔性設計，由壓縮后的GINA橡膠止水帶止水及適應接頭變形。

1.2 精調系統介紹

本項目沉管水下安裝完成后采用先鋪內調法進行管節水下糾偏。水力壓接完成后，當沉管軸線出現偏差需要調整時，通過設在已安沉管對接端上的糾偏系統頂推待安沉管對接端邊墻，使得待安沉管尾端實現糾偏的方法[1-7]。水下先鋪內調法已經在港珠澳大橋沉管隧道精調作業中得到了充分的驗證，首次揭示了先鋪內調法沉管水下軸線調整過程受力機理及運動規律，實現了50 m水深條件下毫米級精確調整。

港珠澳大橋沉管隧道精調系統主要采用豎向1字形布置方式。精調鋼構架、轉動梁、錨點等安裝輔助設施需在一次舾裝作業區安裝完成；待沉管水下安裝完成后調整時，在沉管兩側設置22臺千斤頂，分為調位千斤頂和限位千斤頂，精調設備重量大、數量多，過于零散，系統組裝實施難度大；千斤頂安裝完成后高度為7.5 m，如果出現倒塌，結合腔內作業人員人身安全威脅大，同時可能造成管節的損傷。為深中通道工程研發的一體式L形精調系統采用一體式鋁制千斤頂的方式，由鋁合金外框架以及鋁制千斤頂等組成，其余部件均采用高強度鋁材，重量輕，強度高。采用快拼式設計，可快速拼接和拆開。由10個液壓千斤頂（單個千斤頂推力5 000 kN，整體最大推力可達50 000 kN）、鋁合金托架、豎向限位裝置、可調節式龍門吊、安裝輔助工具及泵站控制系統等組成。

2 精調系統方案選型

深中通道團隊根據沉管隧道安裝的實際情況，通過精調系統能力計算及技術需要，研究制定1字形和L形布置方案。并對兩種布置方案進行受力分析[2]與復核，進一步優化了L形技術方案，并擬應用于本工程。

2.1 精調系統能力計算

本工程按照最大作業水深-37 m處沉管為糾偏對象進行受力分析計算，在計算過程中設管節尾端調整偏差值為50 mm，選取首端為千斤頂頂推端。

2.1.1 主要技術參數

沉管總長Le=165 m，μ為沉管與基床之間的摩擦系數[8]，根據拉合作業過程中的各項關鍵參數，計算出鋼混沉管與碎石基床之間的摩阻力系數，取值為0.45；f為沉管與基床之間摩擦力；γu為海水密度；Kpu為管節接頭上部水深；Kpd為管節接頭底部水深；WGO為管節承受水壓力的寬度；HGO為管節承受水壓力的高度；Pm為管節斷面的平均水壓；P0為橡膠止水帶接頭部位壓縮力；PG為橡膠止水帶平均壓縮力；W為管節總寬度46 m；WG為寬度方向橡膠止水帶中心距45.27 m。

2.1.2 分析計算

水深-37 m時沉管端封門橡膠止水帶輪廓范圍內水力壓接后，橡膠止水帶接頭部位壓縮力P0=150 972 kN，橡膠止水帶長L=108.653 m，橡膠止水帶平均壓縮力PG=1 389.5 kN/m。沉管安裝完成后，橡膠止水帶均勻壓縮狀態下，各部位受力如圖1所示，壓力值為G上=G下=617.63 kN，GA=GB=137.25 kN。

圖1 橡膠止水帶各部位壓縮受力示意圖Fig.1 Compression force diagram of various parts of rubber water stop

1）安裝限位千斤頂狀態

在沉管連接端A側安裝限位千斤頂，并調節與沉管鋼端殼充分接觸，在B側安裝頂推千斤頂，逐漸增加千斤頂推力，使管節克服摩擦力圍繞軸點做平面運動。由于安裝限位千斤頂，千斤頂作用點橡膠止水帶只能張開，不能壓縮，故管節的轉動中心只能位于該作用點的外側。各變量的值不變。

沉管連接端A側限位千斤頂與沉管端部充分接觸，然后再繼續增加B側糾偏千斤頂推力，此時沉管做平面運動受到基床與管底摩擦力、橡膠止水帶豎向補償力、上下側水平橡膠止水帶釋放力，由力矩平衡原理得，豎向補償力Pb=61 603.2 kN，摩擦力Pf=14 433.5 kN，止水帶釋放力P釋=42 649 kN。

在管節精調時，千斤頂需要配置25 960 kN的頂推力，按經驗增加50%計算得千斤頂推力為38 940 kN，取值為40 000 kN。

2）不安裝限位千斤頂狀態

在B端千斤頂推力繼續增加時，摩擦力方向開始改變，沉管糾偏的橡膠止水帶旋轉點需要求?。▓D2），設旋轉點為Zo，位于限位端橡膠止水帶距離為δ處，在沉管糾偏時，頂推端橡膠止水帶張開量為X，限位端GINA壓縮量為Xo，已知豎向GINA中心間距為45.278 m，頂推千斤頂中心距離豎向GINA中心線為0.659 m。

圖2 沉管糾偏各變量幾何關系圖Fig.2 Geometric relation diagram of various variables for rectifying deviation of immersed tube

繼續增加千斤頂推力，根據水平受力平衡方程得出千斤頂推力為31 090 kN，按經驗增加30%算得千斤頂推力為40 410 kN，取值為40 000 kN。

根據兩種計算方式比對，單側千斤頂推力計算結果僅相差1 470 kN；考慮到水下作業的諸多不確定性，精調系統按照50 000 kN進行設計。

2.2 布置方式選擇

通過對相關沉管隧道糾偏資料研究、分析，結合千斤頂結構特性、數量及現場條件，對1字形與L形方案進行對比分析，兩種方案示意見圖3。

圖3 布置方案示意圖Fig.3 Schematic diagram of layout scheme

1字形方案：油缸1字形布置，10只油缸在豎向中心線上，總布置高度在5 m范圍。

L形方案：油缸L形布置，其中7只豎向布置，總布置高度在3 m范圍，另外3只水平布置，油缸中心距離均為500 mm。

受力分析計算，精調系統單個千斤頂推力5 000 kN，分別按兩種方式布置在沉管隧道需糾偏一側，通過力矩公式可計算出每種方式總的作用力：

式中：F為單根千斤頂推力；L為千斤頂力臂。

計算得出1字形方案額定推力40 000 kN，L形方案額定推力39 740 kN。

根據計算分析，采用L形布置時，可理解為總的頂推力減少了240 kN，此處可以忽略。

由上述兩種布置方式對比可知，1字形布置整體高度較高，不便于千斤頂的安裝固定，危險性也較高，施工難度較大。內調頂推時的反力主要集中在中下部。水越深水壓越大，摩擦反力在沉管底部，L形更有利于推開。設備高度也有效降低，現場安裝難度和風險均大大降低，故千斤頂選擇L形布置。

3 施工工藝

3.1 輔助設備安裝

水力壓接完成后，打開人孔門，進行貫通測量。根據現場需要進行安排調整布置，在需精調一側安裝底部托架及豎向限位和吊裝設備（圖4）。底部托架由兩部分拼接而成，待拼裝完成好，通過螺釘底腳將其調整至水平，并將運輸小車放置在底部托架軌道上。底部托架采用鋁合金材質，其重量約37 kg/件。再利用剪力鍵的螺紋孔，安裝支架及起吊葫蘆，利用剪力鍵的螺紋孔連接垂直千斤頂限位桿組件。利用Ω止水帶安裝孔，采用螺栓固定安裝防傾覆拉桿。利用剪力鍵的螺紋孔將斜接底座與剪力鍵連接固定。采用特制的工程塑料或鋁制的材料黏貼在剪力鍵預埋件凹槽內，保證千斤頂頂推作業的順利進行。

圖4 底部托架示意圖Fig.4 Bottom bracket diagram

3.2 設備倒運、吊裝

將一體式油缸千斤頂，通過運輸小車運送到靠近對接側人孔門處。利用可調節式龍門吊跨過人孔門，架設在結合腔內，通過電動葫蘆起吊，穿過人孔門放置在底部托架的運輸小車上，再轉運至L形豎向吊裝位置。利用電動葫蘆將縱向安裝千斤頂依次吊起，通過快插方式疊加，待疊加至第4個千斤頂時，將千斤頂通過鎖鉤裝置與沉管側壁固定連接。水平位置千斤頂均放置在運輸小車上將其運輸至指定位置固定。并調整一體式千斤頂的自適應機構（旋轉螺母調節長度），使千斤頂兩端頂緊沉管鋼端殼。如果縫隙較大的地方（螺母調節長度不夠），則需要增加墊板以填充。并將千斤頂和支架之間的螺釘松開，以適應頂推時的水平移動。

3.3 線路連接布置

將液壓管路通過人孔門與分流器及泵站連接，再將液壓軟管從分流器分別與液壓千斤頂連接，注意油口一一對應；利用多芯電纜通過人孔門與分線盒連接，再將分線盒與磁致伸縮位移傳感器連接即可。

精調作業系統圖如圖5所示。

圖5 精調作業系統圖Fig.5 Fine adjustment operating system diagram

3.4 系統運行及卸壓拆除

開啟泵站，通過控制系統監控各項數據，以及對系統進行屏幕和按鈕的操作。使頂推千斤頂開始加載進行糾偏，當達到預設行程后，頂推千斤頂自動停止頂推完成糾偏作業。為確保安全，待鎖定回填后再卸載頂推千斤頂頂力，同時觀測沉管尾端穩定情況。沉管鎖定回填完成后，拆除精調系統，將所有工序進行逆向拆除。

4 精調演練

為切實加強狹窄空間作業的規范操作，驗證一體式L形精調系統施工工藝的可行性，深中通道團隊在管節對接端結合腔內對一體式L形精調系統成套設備進行了安裝調試演練，包括設備倒運、設備安裝、設備試運行及拆除等。

精調系統演練區域主要位于管節對接端結合腔內，結合腔由端封門間和端鋼殼間組成，內部空間狹窄且底部有較多混凝土澆筑孔、排氣孔等凸起物，設備搬運安裝較困難。

一體式L形精調系統安裝過程中，直接采用小型龍門架進行油缸千斤頂的吊運，簡單方便，提高了運輸效率。采用具有快速拼接功能的整體橫向支架，可輕松實現現場人工搬運和拼接，通過橫向運輸車架可輕松實現沉管結合腔內千斤頂的橫向運輸和縱向運輸，有效降低了施工難度。并對安裝過程中發現的不足做出了進一步優化與改進。此次演練進一步驗證了一體式L形精調系統總體設計的可行性，作業人員熟悉了精調系統的工作流程及安裝工藝，達到了既定的演練目的，并為后續沉管精調作業提出了指導性建議。

5 結語

本套系統采用的L形一體式設計，可以有效的減少系統組裝的環節，提高施工工效，實現了輕量化、小型化、集成化、標準化要求，并結合現場施工效果不斷總結優化，可為后續同類型沉管施工提供借鑒。