深中通道沉管隧道碎石整平精度控制技術研究

夏豐勇, 孫世鵬, 姚 典, 池明華, 鄧 斌

(1. 深中通道管理中心, 廣東 中山 528400; 2. 廣州打撈局, 廣東 廣州 510260; 3. 廣東省海洋工程施工與水上應急救援工程技術研究中心, 廣東 廣州 510260; 4. 中船華南船舶機械有限公司, 廣西 梧州 543001;5. 中交公路規劃設計院有限公司, 北京 100088)

0 引言

深中通道始于廣深沿江高速機場互通立交,終于橫門互通立交,北距虎門大橋約30 km,南距港珠澳大橋約38 km,主體工程全長約24.03 km。深中通道沉管隧道長約6.8 km,采用設計速度為100 km/h的雙向8車道高速公路技術標準。沉管隧道施工主要包括鋼殼制造、自密實混凝土澆筑、基槽基礎處理、管節舾裝、管節浮運沉放、回填等。

受地質、地貌、水文以及施工工藝的影響,沉管隧道在基礎處理過程中出現失誤的概率相比其他水下隧道要大[1],而基礎處理是實現海床與隧道結構傳力連接的重要環節。沉管隧道的基礎墊層需承受來自隧道本身、回填、管頂保護層以及回淤的荷載,并將該荷載傳遞至海床基礎[2]。沉管隧道基礎處理的主流工法有先鋪法和后填法[3]。先鋪法對施工設備要求高,但具有工效高、基礎密實度好、工后沉降小等特點;后填法對設備要求低,但對灌砂或灌漿過程監測要求較高,且該方法難以達到基礎完全填充密實,工后不均勻沉降較大。

許多已建成的沉管隧道因基礎處理不當而發生了較嚴重的不均勻沉降。加拿大Deas Island隧道施工期間南北兩端分別發生了95、100 mm的沉降;比利時Scheldt隧道建成11年后沉降最大達186 mm;美國Baytown隧道建成7年后兩端與中部沉降差約300 mm,導致接頭處產生過大的扭轉,最終造成鋼殼破裂漏水[4];截至1997年,美國Fort McHenry隧道、Ted Williams隧道發生了150 mm左右的不均勻沉降,Hampton隧道施工完成后不均勻沉降更是高達400 mm[5];上海外環隧道通車后16年內,接頭最大沉降達287.3 mm,引發了嚴重的病害問題[6];寧波甬江隧道由于拋石層平整度及厚度控制精度差,加之基槽土的不規則超挖與沖擊擾動,截至2018年8月最大沉降達91.1 mm[7]。

碎石整平法是先鋪法的一種,其采用整平船將碎石鋪在海床上,墊層設置V型槽,縱向鋸齒形鋪設[8-9]。碎石整平法施工速度快,處理好的基礎墊層具有承載能力強、高程精度高和納淤能力強等優點。目前,已完工的韓國釜山沉管隧道[10]、港珠澳大橋碎石基礎施工多采用插樁自升式裝備,高程精度控制多采用傳統的水上GPS+傾斜儀+剛性下料管反推下料口的高程,輔以全站儀、水準儀等設備[11]。然而,插樁自升式平臺存在造價高、地質要求高[12]、樁腿長度受水深限制大及剛性下料管過長等不足。本文對整平系統進行研究,并采用上下軟連接的船架分離式結構,通過水上、水下2套液壓驅動行走系統實現碎石鋪設,提出了基礎碎石整平新工藝,很大程度上彌補了上述不足。

深中通道沉管隧道管節寬46～55.463 m,是目前世界已建或在建沉管隧道管節最寬的[13-14]。為適應復雜基礎條件下超寬變寬管節的碎石墊層鋪設,本文采用理論分析和數值計算的方法研究新型船架分離式整平清淤一體船碎石基礎高精度整平施工控制技術,并以深中通道S08標段為例,對該控制技術進行驗證,形成深水條件下大型管節的碎石基床整平高程控制技術。

1 水下碎石整平系統組成及工作原理

1.1 碎石整平系統組成

碎石整平系統用于沉管的墊層鋪設,該系統由皮帶輸料裝置、行走投料裝置、整平架裝置、整平架升降裝置、整平架姿態調整裝置、整平架擱置錨定裝置、動力裝置、液壓/電氣系統、測量系統和控制系統構成,如圖1所示。

圖1 系統框架圖

1.2 工作原理

碎石整平系統三維結構如圖2所示。在母船錨泊狀態下,將月池內的整平架下放至海底基床進行整平作業。水下整平所需石料,由布置在2層甲板的皮帶輸料裝置轉運至2層甲板月池區域的行走投料裝置;然后,柔性連接的拋石管自由落體至水下整平架的料斗內;通過控制布置在母船2層甲板的行走投料裝置與水下整平架大小行車同步運動,在整平架內部范圍進行“Z”形碎石整平作業,石料在海底基床形成連續的“Z”字形軌跡,從而實現碎石料的拋填和整平。該系統的主要技術參數如表1所示,設計作業環境如表2所示。

圖2 整平系統三維結構示意圖

表1 碎石整平系統主要技術參數

表2 碎石整平系統作業環境

2 碎石整平精度控制研究

影響整平精度的主要因素有施工速度、料斗內碎石料預壓力及整平料斗口在水下施工過程中的高程變化等。由于施工速度是由施工方結合施工工效決定,本文將從整平架料斗總成在鋪石軌跡中的高程控制和料斗內碎石料高度監控2個方面開展研究。

2.1 整平架料斗總成高程控制

整平架裝置由基架、大車總成、小車總成、樁腿裝置、料斗總成和測量架組件組成。碎石是通過整平架料斗總成導向,在水下實現拋填和整平。料斗總成通過行走輪坐落在行走梁的小車軌道面,行走梁通過行走輪坐落在基架的大車軌道面。整平架裝置如圖3所示。

控制好整平料斗總成在水下施工時的高程變化,是保證海底碎石基礎高程精度的關鍵環節,而整平料斗口在水下施工時的高程變化主要是由整平架的基架和行走梁的結構受力及變形導致。

圖3 整平架裝置圖

2.1.1 基架駐位穩定性控制原理

整平過程中,通過理論分析合理控制基架的水下質量,確保其摩阻力可以抵抗環境載荷以及設備行走時帶來的荷載。施工現場通過嚴格控制大、小車軌道在自重情況下的變形,將軌道高差控制在±2 mm,如圖4所示。通過有限元計算,分析構件的水下受力情況和軌道頂面的變形,不斷地調整水密區的浮力,將軌道頂面的變形控制在要求范圍內。

圖4 軌道在自重(不負載)下的變形控制

2.1.2 基架有限元模擬分析

2.1.2.1 模型與工況

本節基于整平架在水下坐底工作時的不同工況,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模塊對基架的變形進行分析?；苡?根圓形管構件裝焊成口字形,尺寸為39 m×31.9 m(長×寬),料斗總成在基架框內行走,基架實體模型如圖5所示。單元劃分為四面體及六面體,大小為100 mm,接觸類型為黏結。

圖5 基架實體模型

因為在陸地已將基架軌道高差調整在±2 mm,所以不考慮構件自重;行走梁水下質量W01=48 t,料斗總成水下質量W02=12 t;基架主管單側水密艙浮力F01=24 kN,行走梁單側水密艙浮力F02=6 kN,基架4根立柱單根浮力F03=5 kN。

本節采用3種工況分析基架在不同受力情況下的變形: 工況1,行走梁和料斗總成歸中;工況2,行走梁歸中和料斗總成歸邊;工況3,行走梁和料斗總成歸邊。各工況下的荷載模型如圖6所示。

(a) 工況1: 行走梁和料斗總成歸中

(b) 工況2: 行走梁歸中和料斗總成歸邊

(c) 工況3: 行走梁和料斗總成歸邊

2.1.2.2 基架在不同工況下的數值模擬結果

有限元分析結果顯示: 工況1條件下,基架軌道變形為2.4～2.7 mm,取最大值為2.7 mm,如圖7(a)所示; 工況2條件下,基架軌道變形為0.2～5.0 mm,取最大值為5 mm,如圖7(b)所示;工況3條件下,基架軌道變形為1.0～4.7 mm,取最大值為4.7 mm,如圖7(c)所示。

(a) 工況1

(b) 工況2

(c) 工況3

2.1.3 行走梁有限元模擬分析

2.1.3.1 模型與工況

基于整平架在水下坐底工作時的工況,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模塊對行走梁的變形進行分析。行走梁由4根圓形管構件裝焊成口字形,尺寸為39 m×31.9 m(長×寬),料斗總成在2根行走梁上行走,簡化后的行走梁模型如圖8所示。單元劃分為四面體及六面體,大小為100 mm,接觸類型為黏結。

圖8 行走梁簡化實體模型

因在陸地已將行走梁軌道高差調整在±2 mm,故不考慮構件自重;行走梁水下質量W01=48 t,料斗總成水下質量W02=12 t;基架主管單側水密艙浮力F01=240 kN,行走梁單側水密艙浮力F02=60 kN,基架4根立柱單根浮力F03=50 kN。

為了分析行走梁在不同受力工況下的變形情況,本節采用2種工況: 工況4,料斗總成歸中;工況5,料斗總成歸邊。各工況下荷載模型如圖9所示。

(a) 工況4: 料斗總成歸中

(b) 工況5: 料斗總成歸邊

2.1.3.2 行走梁在不同工況下的數值模擬結果

根據有限元分析結果: 工況4條件下,行走梁變形為0～0.3 mm,取最大值為0.3 mm,如圖10(a)所示;工況5條件下,行走梁變形為1.1～1.8 mm,取最大值為1.8 mm,如圖10(b)所示。

(a) 工況4: 料斗總成歸中

(b) 工況5: 料斗總成歸邊

2.1.4 料斗總成高程控制結論

通過有限元分析,可以得出軌道在水下工作時的各種組合變形為: 工況1+工況4,2+2+2.7+0.3=7 mm;工況2+工況5,2+2+5+1.8=10.8 mm;工況3+工況5,2+2+4.7+1.8=10.5 mm。

當行走梁和料斗總成同時歸邊時,即工況2+工況5,基架和行走梁的組合變形最大為10.8 mm,其中基架軌道和行走梁軌道的自重變形均為2 mm,基架在水下的最大變形為5 mm,行走梁在水下的最大變形為1.8 mm,組合最大變形為10.8 mm,遠小于設計要求的<40 mm,因此本文研究的水下碎石整平系統的整平精度滿足設計要求。

在合理的施工條件下,水下碎石整平系統的基礎處理能力完全可以滿足沉管隧道基礎平整度高、承載能力強和納淤能力強的要求。

2.2 料斗內碎石料的高度監控

通過監控料斗內碎石料的高度可使整平漏斗在行走過程中不空走,且可保證整平漏斗內的碎石有一定的高度,從而對碎石面有一定的預壓量,減少后期碎石面的沉降量,最終保證整平精度。

料斗內碎石料高度監控一直是整平系統設計的難點,現有研究對料斗內碎石料的高度監控有2種思路: 一種方法是直接通過水下攝像頭監控料斗內的實時影像,但施工過程中,隨著碎石料的下落,整個海底的水變渾濁,監控效果很差;另一種方法是通過絞車下放1個重錘到料斗內,當重錘受到托舉力,絞車鋼絲繩的力瞬時變小,因此通過監測絞車鋼絲繩長度可監控碎石料高度,但是,這種方法不能實現碎石料高度的實時、持續監測和多點監測,效率不高,影響系統的連續施工。

本系統將傳感器布置在料斗外側安全可靠的構件環境下,避免傳感器在料斗內承受碎石料的強烈沖擊和撞擊,使其始終保持著穩定性和可靠性。這種設計思路可實現對料位的持續、實時監控和多點監測。

碎石料位監控研究與施工精度密切相關。料管內的碎石高程影響碎石整平預壓和尾料處理。碎石整平預壓關系到管節沉放后的沉降量,如預壓不足可能導致管節沉放后沉降量較大;當整幅鋪設接近完成時,料管內尾料的處理關系到整平的精度,在無法確認料管內是否存在碎石或是否碎石過多無法尾料處理時,提起整平架進行下一幅的鋪設容易造成高點。

系統在料斗外側的1.5、3、6、7.5 m高度位置布置了接近式料位傳感器組件,如圖11所示。

圖11 料位傳感器布置

2.3 精度控制

2.3.1 精度檢測系統

精度檢測系統包括安裝在小車架上的2個高度計,沿小車移動方向前后各安裝1個。高度計通過溫鹽深儀(CTD)實時測量水中聲速,計算得到高度計底端到水下碎石面的距離,并結合整平架載GPS、岸上GPS基站和驗潮站采集的數據推算出碎石面的實時高程,在測控電腦上以色帶的方式顯示出來。

2.3.2 精度控制系統

精度控制系統由水上、水下電控系統,水上、水下液壓系統組成,系統之間通過光纖進行通信,水下液壓馬達和液壓油缸是核心執行元件。

在進行水下碎石基礎墊層整平作業過程中,整平漏斗底端高程精度決定了碎石面的高程精度。當測控電腦顯示的碎石面高程精度偏離設定值一定范圍時,測控系統給電控系統發出指令,執行元件(樁腿油缸)自動伸長或縮短,從而調整整平漏斗底端的高程,保證整平出的碎石面高程精度滿足要求。

2.3.3 姿態調整

水下整平架的姿態調整是在測控系統的指引下,對其傾斜、高程和旋轉等參數進行調整,包括粗調、精調和碎石整平過程中的調整,使之達到預先設定的姿態要求。整平架姿態的調整至關重要,對水下碎石整平的精度影響極大。在整平架水下定位過程中,其姿態的調整主要通過收放與整平架連接的鋼纜實現;水下定位完成后,其姿態的調整依靠樁腿油缸的伸縮來實現。整平架上布設的高精度測控傳感器、樁腿油缸高精度行程傳感器以及科學的算法,可使其姿態調整精度得到保證。

3 工程應用

3.1 應用情況

水下碎石整平系統已成功研發,如圖12所示。該系統在深中通道沉管隧道E32—E24管節碎石基礎鋪設整平中實現了應用,最快4 d可完成1節標準管節的基礎鋪設。

圖12 碎石整平系統

深中通道沉管隧道管節為目前世界上已建成或在建隧道中管節最寬的,且其基床存在一定的坡度。為確保超寬變寬管節基礎順利鋪設,基床設計時針對性地提出了“橫向錯縫,分幅搭接”的施工工藝,非標管節基礎由40條碎石壟組成?；A沿管節軸線方向分成5個隔斷,每個隔斷沿寬度方向分為2幅,見圖13。

圖13 非標管節碎石基礎設計

整平船設計時特別考慮了水下整平架定位平面位置的精度要求。整平作業窗口選擇平潮期或水流小的時候,通過控制水下架體姿態調整系統,實現架體坐底。當架體的實際平面位置與設計位置的偏差小于±20 cm時,坐底完成。鋪石時,下料至料斗內,料位達到一定預壓高度后,水上、水下小車開始同步行走,確保預壓載足夠大。

水下架體配備一定的設備和架體剛度加強材料,其水下質量大于10 t,集中于4個液壓樁腿之上;另外,碎石基床下方是一層拋填振密后厚1.1 m的塊石層(高程偏差±25 cm),摩擦因數較大,液壓系統樁腿所受的摩擦力使作業系統即使在大坡度鋪石時也能保證架體水下穩定性良好。

3.2 應用效果

碎石整平系統現場整平結果如表3所示。

表3 碎石整平系統現場整平結果

水下碎石整平系統在深中通道沉管隧道E32—E24管節碎石基礎鋪設整平中發揮了重要的作用。由表3可知,該水下碎石整平系統的基礎處理精度控制在±40 mm,平均偏差15.3 mm,由此證明該平系統的基礎處理能力較強、基礎整平精度高。

4 結論與討論

本文研究了水下碎石整平系統中料斗總成的行走梁和基架在不同工況組合下的變形,結合有限元分析,通過合理控制基架的水下質量和調整水密艙的布置,可將架體水下變形控制在要求的范圍內,從而確保實際整平精度與測量精度的偏差在允許的范圍內。接近式料位傳感系統實現了料斗總成內碎石料位高度實時監控和多點監測,可確保碎石墊層有足夠的預壓力。深中通道沉管隧道E32—E24管節的基礎碎石整平檢測數據顯示,水下碎石整平系統處理的基礎滿足±40 mm的設計精度要求,部分管節碎石基礎整平精度為±25 mm,實踐成果驗證了該水下碎石整平系統的可行性和可靠性。

不同管節在同一施工工藝下,仍存在一定的精度偏差,其產生的原因可能與下料速度對結構變形的影響、基槽設計坡度和是否分層鋪設等因素有關,這些有待進一步研究。