智能臺車移運大型鋼筋混凝土沉管上駁工藝研究

梁邦炎，馬億光明，陳猛，李漢渤，甘世行，李林，王松，姜政遙

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著全球城市化進程的加快和人民生活水平的提高，為了節省出行時間，出行所需的線路不斷增加和完善，由此提出了直接跨越江河或山川的想法。為了跨越江河山川的阻隔，人類不僅修建了各種各樣的橋梁來滿足交通發展的需要，同時也修建了大量的隧道工程。隧道作為地下工程建筑物，在跨越江河的工程技術方案中，水下隧道能夠很好地解決大跨度水域問題，且具有不影響航道通航和城市美化等優勢，因此水下隧道的方案得到了越來越多的認可。

目前，國內外超大型預制構件水上出運基本采用自浮濕式浮運方式[1-2]，沉管預制完成后干塢灌水、浮運出塢、拖航至施工現場，例如韓國釜山4.8萬t沉管[3]、港珠澳大橋8萬t沉管[2，4-5]、深中通道7萬多t沉管[6-7]等。自浮濕式浮運方式一般適用于浮運航道水深條件好、具有一定干舷的沉管運輸安裝過程[8]。對于內河、灣口的淺水條件下，采用自浮濕式浮運受制于臨時航道疏浚量大、環境影響大等因素，因此需研究設計一種淺吃水、快速運輸安裝的工藝。沿江高速前海段與南坪快速銜接工程位于深圳前海灣內，沉管重約3.6萬t，受限于灣內水深淺、浮運距離遠、臨時航道疏浚量大等一系列因素的控制[9]，沉管采用“智能臺車上駁+淺吃水半潛駁運輸”的方式，在國內尚屬首次。

本文將重點介紹利用“智能臺車+半潛駁智能調載系統”實現大型鋼筋混凝土沉管安全快速的上駁工藝。

1 工程概況

沿江高速前海段與南坪快速銜接工程位于深圳市前海與寶安中心區、粵港澳大灣區核心區，是粵港澳大灣區的交通強國示范工程。本項目沉管隧道長2.3 km，是國內規模最大的整體式管節沉管隧道，是國內首座大規模淺水沉管隧道，共分為29個管節，單個標準管節長度80 m，寬42.8 m，高度10.05 m，重約3.6萬t，沉管典型橫斷面見圖1。沉管預制場設在桂山島，采用工廠法預制和淺吃水半潛駁運輸至深圳現場，預制場總平面布置見圖2。

圖1 沉管典型橫斷面圖(cm)Fig.1 Typical cross-section of immersed tube(cm)

圖2 桂山島預制場總平面布置圖Fig.2 General layout of Guishan Island prefabrication yard

本項目3.6萬噸級鋼筋混凝土管節采用“智能液壓臺車整體移運+半潛駁坐底智能調載”的上駁方式，是國內在鋼筋混凝土管節中首次采用的工藝?；诨炷两Y構控裂高要求，需在類似工藝基礎上研發控制精度更為嚴格、調節延時更為可控的智能移運和上駁控制系統，解決了半潛駁坐底區域地基處理、沉管移運過程中坐底地基壓力控制、半潛駁智能調載等上駁難題。

2 上駁作業條件及工藝流程

沉管上駁對作業水文氣象有嚴格要求，經過對風浪流數據統計分析，確定沉管上駁作業窗口條件：流速臆1.5 m/s、波高（Hs）臆0.8 m、波浪周期臆6 s、風速臆6級、能見度逸1 000 m。沉管上駁涉及作業準備、半潛駁與碼頭搭接、半潛駁坐底預壓、上駁過程半潛駁智能調載、半潛駁起浮及支撐體系轉換等復雜過程，工藝流程見圖3。

圖3 沉管上駁工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of moving immersed tube on barge

3 智能臺車研發設計

本項目單臺臺車設計額定承載重量400 t，采用兩軸四輪結構。臺車的設計運行速度為重載時1 m/min、半載時2 m/min、空載時3 m/min。每臺車配置1套三合一驅動電機，滿足坡比0.2%計算坡道阻力要求。典型臺車結構如圖4所示。

圖4 典型臺車結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical trolley structure

為滿足沉管控裂需求，臺車液壓同步頂升，共布置4列，每列45個，共180臺臺車，臺車間距1.78 m，支座反力均勻，2倍富裕度，安全可靠。三點支撐是將全部臺車上的支撐千斤頂串聯成3個支撐點，利用三點成面的原理確保管節水平姿態及支撐體系平衡，高差控制10 mm以內。為了使單個獨立油路所串聯千斤頂均勻分布于所在區域，實現互為備用，保證結構支撐安全，采用單雙數支撐千斤頂分別串聯形成獨立油路，見圖5。智能臺車控制系統實時糾偏、調整；閉環反饋控制，變頻電機控制，每列臺車同步性控制在20 mm以內；單輪緣設計，控制軸線偏差12 mm以內。

圖5 臺車三點液壓支撐自平衡及雙油路設計示意圖Fig.5 Self-balancing of three-point hydraulic support and dual-oil circuit design of the trolley

4 半潛駁坐底搭接設計

半潛駁壓水坐底與碼頭對接，半潛駁坐底在條帶基床上，甲板面與軌道底面齊平，安裝好軌道過渡梁，半潛駁采用導向裝置對接碼頭，快速精確實現對接，確保液壓移運臺車能直線駛入半潛駁，減少轉彎變形。半潛駁軌道與碼頭移運臺車軌道接駁處，設置4道鋼質過渡梁。每道鋼質過渡梁長3 m，過渡梁設計如圖6所示。臺車移運沉管上駁時，臺車行進允許的最大軌道坡度為7%，過渡梁長度為3 m，允許的碼頭面和半潛駁之間的高差為依21 cm。根據基床整平的精度要求（依4 cm）和坐底期間基床沉降值（3.3 cm）推算，滿足要求。

圖6 軌道過渡梁布置圖（mm）Fig.6 Arrangement of orbital transition beam(mm)

5 上駁坐底壓力控制及基礎設計

半潛駁坐底后，保持船艙內部與外部連通，半潛駁艙內水位與外部潮位持平，半潛駁坐底對基床壓力為半潛駁自重。臺車成套設備移運管節沿軌道上駁，當臺車成套設備的車輪進入半潛駁船甲板時，半潛駁船對接端通過提前排水、控制排水速度的方式，保持駁船底對港池坐底基礎保持一定壓力（不超載）。沉管上駁速度控制在0~1 m/min，經上駁過程中半潛駁排水核算，在沉管上駁前提前排水，保證半潛駁對基床的壓力不超過半潛駁自重，具體見表1。

表1 沉管上駁期間半潛駁坐底基礎壓力計算表Table 1 Calculation table of the foundation pressure of the semi-submersible barge during the loading of immersed tube

碼頭前沿半潛駁停泊水域為半潛駁坐底區域，為減小半潛駁坐底時碼頭基床的沉降，坐底區域的基礎為橡膠+鋼筋混凝土預制梁+碎石墊層，基礎下方的地基采用DCM樁基處理的復合地基。坐底區域基礎共布置12道條帶。每個船位對稱布置6列條帶，每條條帶長154 m，條帶基礎位于半潛駁龍骨的正下方，前沿地基處理剖面如圖7所示。坐底區域地基處理采用水泥攪拌樁加固，水泥攪拌樁單樁直徑1.3 m，搭接0.3 m，四樁一簇直徑2.3 m，攪拌站穿透砂混淤泥層及黏土層至風化巖層，樁長約為14 m，布置在條帶基礎的正下方，單個坐底區域條帶基礎布置如圖8所示。采用對基床進行超載1.3倍預壓方式，減少沉管上駁過程中差異沉降影響。該復合基礎承載力為158.0 kPa，大于預壓105 kPa，總沉降約為45 mm，滿足使用要求。

圖7 碼頭前沿基礎剖面及坐底梁基礎大樣圖Fig.7 Profile of foundation at wharf front and general drawing of bottom girder foundation

圖8 條帶基礎布置示意圖（mm）Fig.8 Schematic diagram of strip foundation layout（mm）

6 半潛駁排水起浮及支撐體系轉換

沉管上駁半潛駁后，半潛駁排水起浮，由于沉管重量集中于船中位置，半潛駁會發生撓度變形。根據計算，半潛駁范圍內最大變形為202 mm，沉管范圍內最大變形為62 mm。由于鋼筋混凝土沉管截面剛度為半潛駁的2.5倍，若采取普通的剛性支墩，會發生沉管中部脫空，導致沉管產生裂縫。因此，沉管上駁后半潛駁排水起浮，如何控制管節平穩坐落在半潛駁支墩上是沉管上駁的核心問題。

半潛駁支撐方案經比選，選擇“快速頂升無源支撐+橡膠支墊”的形式，船上支撐共布置8列，間距按船舶甲板橫梁間距2 m布置，船上支撐沿船中對稱布置。當成套設備的臺車全部行走到駁船指定位置后，船舶調整壓載水實現起浮至距基床頂面1 m，支撐體系轉換工藝見表2。

表2 支撐體系轉換步驟表Table 2 Support system conversion steps table

半潛駁起浮過程中逐步產生撓度變形，臺車液壓千斤頂快速響應（速度為3 mm/s）和三點自平衡設計，可較好自適應調節撓度變化，使沉管下表面位于同一水平高度，保證受力均勻，消除船體變形對沉管的影響，如圖9所示。

圖9 半潛駁起浮變形及支墩示意圖Fig.9 Schematic diagram of buoyancy deformation and support pier of semi-submersible barge

上浮調平后支墩反力均勻，沉管最大拉應力為1.75 MPa，小于規范C50混凝土允許拉應力2.64 MPa。

7 結語

采用大型淺吃水半潛駁干式運輸鋼筋混凝土沉管工藝，可以很好解決內河、灣口等淺水域沉管運輸的臨時疏浚量過大、環境影響大的難題。本文系統介紹了智能臺車移運大型鋼筋混凝土沉管上駁的工藝，主要結論如下：

1）采用智能臺車三點平衡設計，確保管節上駁水平姿態及支撐體系平衡，解決沉管移運過程中的控裂難題。

2）采用快速定位拉桿和鋼質過渡梁，可以較好實現半潛駁坐底搭接。采用提前排水方式，設計臺車移運速度、半潛駁排水工序及速度，從而有效降低半潛駁坐底基礎荷載要求。

3）坐底基礎設計采用“DCM樁+碎石基礎+坐底梁”的方式，采用1.3倍荷載預壓消除不均勻沉降，能較好滿足半潛駁上駁過程荷載需求。

4）由于沉管剛度約為半潛駁剛度的2.5倍，利用臺車液壓千斤頂快速反應和自平衡特性，可較好解決起浮過程半潛駁撓度變形及支撐體系轉換難題。

綜上所述，本文可以為后續類似項目采用智能臺車運輸大型鋼筋混凝土構件上駁提供有益借鑒。