大型沉管隧道水下整平和自動移船清淤系統研發(fā)應用

干志誠

摘 要：深中通道項目沉管隧址地處伶仃洋水域。穿越伶仃洋航道、礬石航道、大鏟航道，是我國繼港珠澳大橋后的又一條外海、深水、深埋沉管隧道，由32節(jié)鋼殼預組成，全長5500米，其中標準管節(jié)長165m，曲線變寬管節(jié)長123.8m。是目前世界上最寬的變寬隧道。施工規(guī)模巨大，受海上風浪、流速、淤泥回淤厲害等不利海況影響，施工難度極高。基于該工程研制的沉管水下整平、清淤自動控制系統，成功解決了大型沉管基礎整平、清淤施工工藝中的關鍵技術難題。在施工效率和安全性能上有質的飛躍。

關鍵詞：沉管、碎石整平、清淤、上位機、串口服務器、PLC

引言

沉管隧道是將預制完成的管節(jié)浮運安裝到海底基槽碎石墊層上，一次連接固定密封覆蓋鎖固回填，再將管節(jié)內水排出而前后貫通的隧道形式，具有工期短、抗震能力強、適應水深范圍大，成本低等諸多優(yōu)點。在沉管基槽開挖、拋夯振密、碎石整平等施工工藝中，基槽碎石整平是基礎處理工藝中時間最久、難度最大的關鍵施工工藝，其整平的工藝效率之間占著了整個隧道施工周期的一半以上，而且其整平的精度直接決定了整條沉管隧道前后貫通的精度。

目前國內沉管隧道建設中，水下整平通常是采用潛水員水下人工整平、人工打水進行水下進行測量驗收。隨著我國港口監(jiān)測取向大型化需要，人工水下整平清淤面臨著水下地質條件、回淤、波浪潮汐等氣候和地質條件影響，如何提高沉管水下整平工效和整平精度是沉管隧道建設向大型化、智能化邁進進程中不可逾越的難題。

1工程概況

深中通道是繼港珠澳大橋后珠江口水域的又一集橋、島、隧的超級工程，深中通道沉管隧道穿越伶仃洋水稻、礬石航道、大鏟航道，全長5500米，由由32節(jié)鋼殼預組成，其中標準管節(jié)長165m，曲線變寬管節(jié)長123.8m。是目前世界上最寬的變寬隧道（雙向8車道）。該工程是廣東省有效的提升粵港澳大灣區(qū)一體化的又一力作。

沉管隧道地處伶仃洋水域，是珠江口主要出入海口和最大的河口灣，且航道交叉，為最繁雜的黃金航道，也是海上交通事故的敏感海域。同時該水域沉管基槽受伶仃洋水下地質受“三灘兩槽”地形的影響，具有灣頂窄深、灣腰寬淺、灣口寬深的縱向分布特點，灘槽分布呈的基本格局，西部淺、東部深的橫向分布趨勢。面對復雜地質條件和施工規(guī)模大、工期緊的施工條件，施工工藝和施工風險就尤為重要，基于以上施工特點研發(fā)水下碎石整平清淤系統對整個施工過程起著關鍵作用。

2碎石整平清淤系統

主要由測量定位監(jiān)控系統、整平架運動控制系統、外部和甲板供料系統、升降和擱置系統、整平架姿態(tài)調整系統、清淤系統以及測量監(jiān)控系統組成。全體系統完全集中在整平船上。

2.1整平裝置定位及監(jiān)測

本次基礎整平工程采用“沉管隧道基礎整平監(jiān)測系統”（Survey System for Immersed Tube Spreading Construction，簡稱SSITSC），主要包括：定位系統、整平架水下監(jiān)測系統和軟件顯示系統三部分。

①定位系統

定位系統主要長基線和超短基線兩部分，長基線由安裝在海底的基陣標和安裝在整平架上的定位標組成，通過水聲測距的原理確定整平架在水下的位置。超短基線同樣采用水聲定位的原理，作為整平架的初始定位和長基線的備份。

②整平架水下監(jiān)測

水下監(jiān)測系統主要包含安裝在整平架框體上的壓力傳感器、長基線（LBL）信標和超短基線（USBL）信標等，以及安裝在移動漏斗上的壓力傳感器、高度計和傾斜儀等。壓力傳感器用于監(jiān)測整平架和漏斗的高度信息;信標用于整平架的定位定向;傾斜儀用于調整和監(jiān)測漏斗的傾斜度;高度計用于測量基礎的地形。安裝在整平架上的設備（信標除外），數據均通過有線電纜傳輸到整平作業(yè)指揮室。

2.2供料系統

為更好的保障碎石整平系統的工作效率，一套可靠的供料系統也是必不可少。碎石整平系統中的供料系統有外部供料系統和甲板供料系統組成。

外部供料系統

運輸石料船運輸至現場后供給整平船旁靠的供料鎖固船。供料鎖固船的功能有：用于與整平清淤船旁靠，向整平清淤船提供石料的功能，如下圖2.1-3所示;在錨泊狀態(tài)下，向水下預放沉管兩側沉放石料，對沉管進行鎖固限位，避免沉管滑移。在進行碎石整平施工時，供料鎖固船充當整平船的中轉料倉，開始整平前，運輸石料船運載符合設計要求的碎石，將供料鎖固船的料倉堆滿;整平施工時，開啟供料鎖固船甲板上的輸送皮帶，打開料倉口，輸送皮帶將碎石輸送至整平船的皮帶輸料裝置中，完成外部供料。同時隨著整平工作的不斷進行，運輸石料船持續(xù)的給多功能船輸送石料，確保整平工作連續(xù)進行。

甲板供料系統

甲板供料系統包括皮帶輸料裝置、行走投料裝置、輸料軟管等，實現石料從供料船通過皮帶輸送裝置、行走投料裝置轉移至傳輸軟管。

1）皮帶輸料裝置

本設備共有2套移動式皮帶輸料裝置，一套布置在母船二層甲板尾部，一套橫跨月池布置在母船投料行車側面。移動式皮帶由固定式皮帶機加移動卸料小車組成。移動卸料小車本身不帶動力，由母船投料行車帶動其實現X軸、Y軸運動。

2）行走投料裝置

本設備在母船二層甲板布置有1套行走投料機構，該機構由行走軌道、桁架行走架、行走機構、限位裝置、錨定裝置、漏斗、可伸縮溜管、絞車，動力泵站等組成。行走投料裝置通過程序控制可與水下整平小車實現同步移動。

行走機構由運行機構和驅動機構組成，運行機構分兩組分別安裝在2個導軌上，每組運行機構安裝有8個行走輪和4個水平側滾輪。兩組共16個行走輪。

行走驅動機構安裝在運行機構上，由性能優(yōu)越的軸向柱塞油馬達驅動，經高強度的行星齒輪減速箱輸出齒輪與齒條嚙合傳動實現龍門行走。

3）輸料軟管