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(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著全球城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，為了節(jié)省出行時(shí)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(lái)滿足交通發(fā)展的需要，同時(shí)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(shù)方案中，水下隧道能夠很好地解決大跨度水域問(wèn)題，且具有不影響航道通航和城市美化等優(yōu)勢(shì)，因此水下隧道的方案得到了越來(lái)越多的認(rèn)可。

目前，國(guó)內(nèi)外超大型預(yù)制構(gòu)件水上出運(yùn)基本采用自浮濕式浮運(yùn)方式[1-2]，沉管預(yù)制完成后干塢灌水、浮運(yùn)出塢、拖航至施工現(xiàn)場(chǎng)，例如韓國(guó)釜山4.8萬(wàn)t沉管[3]、港珠澳大橋8萬(wàn)t沉管[2，4-5]、深中通道7萬(wàn)多t沉管[6-7]等。自浮濕式浮運(yùn)方式一般適用于浮運(yùn)航道水深條件好、具有一定干舷的沉管運(yùn)輸安裝過(guò)程[8]。對(duì)于內(nèi)河、灣口的淺水條件下，采用自浮濕式浮運(yùn)受制于臨時(shí)航道疏浚量大、環(huán)境影響大等因素，因此需研究設(shè)計(jì)一種淺吃水、快速運(yùn)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(nèi)，沉管重約3.6萬(wàn)t，受限于灣內(nèi)水深淺、浮運(yùn)距離遠(yuǎn)、臨時(shí)航道疏浚量大等一系列因素的控制[9]，沉管采用“智能臺(tái)車(chē)上駁+淺吃水半潛駁運(yùn)輸”的方式，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

本文將重點(diǎn)介紹利用“智能臺(tái)車(chē)+半潛駁智能調(diào)載系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)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(qū)、粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)，是粵港澳大灣區(qū)的交通強(qiáng)國(guó)示范工程。本項(xiàng)目沉管隧道長(zhǎng)2.3 km，是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的整體式管節(jié)沉管隧道，是國(guó)內(nèi)首座大規(guī)模淺水沉管隧道，共分為29個(gè)管節(jié)，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度80 m，寬42.8 m，高度10.05 m，重約3.6萬(wàn)t，沉管典型橫斷面見(jiàn)圖1。沉管預(yù)制場(chǎng)設(shè)在桂山島，采用工廠法預(yù)制和淺吃水半潛駁運(yùn)輸至深圳現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)制場(chǎng)總平面布置見(jiàn)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(yù)制場(chǎng)總平面布置圖Fig.2 General layout of Guishan Island prefabrication yard

本項(xiàng)目3.6萬(wàn)噸級(jí)鋼筋混凝土管節(jié)采用“智能液壓臺(tái)車(chē)整體移運(yùn)+半潛駁坐底智能調(diào)載”的上駁方式，是國(guó)內(nèi)在鋼筋混凝土管節(jié)中首次采用的工藝?；诨炷两Y(jié)構(gòu)控裂高要求，需在類似工藝基礎(chǔ)上研發(fā)控制精度更為嚴(yán)格、調(diào)節(jié)延時(shí)更為可控的智能移運(yùn)和上駁控制系統(tǒng)，解決了半潛駁坐底區(qū)域地基處理、沉管移運(yùn)過(guò)程中坐底地基壓力控制、半潛駁智能調(diào)載等上駁難題。

2 上駁作業(yè)條件及工藝流程

沉管上駁對(duì)作業(yè)水文氣象有嚴(yán)格要求，經(jīng)過(guò)對(duì)風(fēng)浪流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定沉管上駁作業(yè)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(fēng)速臆6級(jí)、能見(jiàn)度逸1 000 m。沉管上駁涉及作業(yè)準(zhǔn)備、半潛駁與碼頭搭接、半潛駁坐底預(yù)壓、上駁過(guò)程半潛駁智能調(diào)載、半潛駁起浮及支撐體系轉(zhuǎn)換等復(fù)雜過(guò)程，工藝流程見(jiàn)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(tái)車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目單臺(tái)臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)額定承載重量400 t，采用兩軸四輪結(jié)構(gòu)。臺(tái)車(chē)的設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為重載時(shí)1 m/min、半載時(shí)2 m/min、空載時(shí)3 m/min。每臺(tái)車(chē)配置1套三合一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滿足坡比0.2%計(jì)算坡道阻力要求。典型臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 典型臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical trolley structure

為滿足沉管控裂需求，臺(tái)車(chē)液壓同步頂升，共布置4列，每列45個(gè)，共180臺(tái)臺(tái)車(chē)，臺(tái)車(chē)間距1.78 m，支座反力均勻，2倍富裕度，安全可靠。三點(diǎn)支撐是將全部臺(tái)車(chē)上的支撐千斤頂串聯(lián)成3個(gè)支撐點(diǎn)，利用三點(diǎn)成面的原理確保管節(jié)水平姿態(tài)及支撐體系平衡，高差控制10 mm以內(nèi)。為了使單個(gè)獨(dú)立油路所串聯(lián)千斤頂均勻分布于所在區(qū)域，實(shí)現(xiàn)互為備用，保證結(jié)構(gòu)支撐安全，采用單雙數(shù)支撐千斤頂分別串聯(lián)形成獨(dú)立油路，見(jiàn)圖5。智能臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)糾偏、調(diào)整；閉環(huán)反饋控制，變頻電機(jī)控制，每列臺(tái)車(chē)同步性控制在20 mm以內(nèi)；單輪緣設(shè)計(jì)，控制軸線偏差12 mm以內(nèi)。

圖5 臺(tái)車(chē)三點(diǎn)液壓支撐自平衡及雙油路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

半潛駁壓水坐底與碼頭對(duì)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(guò)渡梁，半潛駁采用導(dǎo)向裝置對(duì)接碼頭，快速精確實(shí)現(xiàn)對(duì)接，確保液壓移運(yùn)臺(tái)車(chē)能直線駛?cè)氚霛擇g，減少轉(zhuǎn)彎變形。半潛駁軌道與碼頭移運(yùn)臺(tái)車(chē)軌道接駁處，設(shè)置4道鋼質(zhì)過(guò)渡梁。每道鋼質(zhì)過(guò)渡梁長(zhǎng)3 m，過(guò)渡梁設(shè)計(jì)如圖6所示。臺(tái)車(chē)移運(yùn)沉管上駁時(shí)，臺(tái)車(chē)行進(jìn)允許的最大軌道坡度為7%，過(guò)渡梁長(zhǎng)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(jù)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(guò)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(chǔ)設(shè)計(jì)

半潛駁坐底后，保持船艙內(nèi)部與外部連通，半潛駁艙內(nèi)水位與外部潮位持平，半潛駁坐底對(duì)基床壓力為半潛駁自重。臺(tái)車(chē)成套設(shè)備移運(yùn)管節(jié)沿軌道上駁，當(dāng)臺(tái)車(chē)成套設(shè)備的車(chē)輪進(jìn)入半潛駁船甲板時(shí)，半潛駁船對(duì)接端通過(guò)提前排水、控制排水速度的方式，保持駁船底對(duì)港池坐底基礎(chǔ)保持一定壓力（不超載）。沉管上駁速度控制在0~1 m/min，經(jīng)上駁過(guò)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(duì)基床的壓力不超過(guò)半潛駁自重，具體見(jiàn)表1。

表1 沉管上駁期間半潛駁坐底基礎(chǔ)壓力計(jì)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?yàn)榘霛擇g坐底區(qū)域，為減小半潛駁坐底時(shí)碼頭基床的沉降，坐底區(qū)域的基礎(chǔ)為橡膠+鋼筋混凝土預(yù)制梁+碎石墊層，基礎(chǔ)下方的地基采用DCM樁基處理的復(fù)合地基。坐底區(qū)域基礎(chǔ)共布置12道條帶。每個(gè)船位對(duì)稱布置6列條帶，每條條帶長(zhǎng)154 m，條帶基礎(chǔ)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(qū)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(fēng)化巖層，樁長(zhǎng)約為14 m，布置在條帶基礎(chǔ)的正下方，單個(gè)坐底區(qū)域條帶基礎(chǔ)布置如圖8所示。采用對(duì)基床進(jìn)行超載1.3倍預(yù)壓方式，減少沉管上駁過(guò)程中差異沉降影響。該復(fù)合基礎(chǔ)承載力為158.0 kPa，大于預(yù)壓105 kPa，總沉降約為45 mm，滿足使用要求。

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

圖8 條帶基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(huì)發(fā)生撓度變形。根據(jù)計(jì)算，半潛駁范圍內(nèi)最大變形為202 mm，沉管范圍內(nèi)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(huì)發(fā)生沉管中部脫空，導(dǎo)致沉管產(chǎn)生裂縫。因此，沉管上駁后半潛駁排水起浮，如何控制管節(jié)平穩(wěn)坐落在半潛駁支墩上是沉管上駁的核心問(wèn)題。

半潛駁支撐方案經(jīng)比選，選擇“快速頂升無(wú)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(duì)稱布置。當(dāng)成套設(shè)備的臺(tái)車(chē)全部行走到駁船指定位置后，船舶調(diào)整壓載水實(shí)現(xiàn)起浮至距基床頂面1 m，支撐體系轉(zhuǎn)換工藝見(jiàn)表2。

表2 支撐體系轉(zhuǎn)換步驟表Table 2 Support system conversion steps table

半潛駁起浮過(guò)程中逐步產(chǎn)生撓度變形，臺(tái)車(chē)液壓千斤頂快速響應(yīng)（速度為3 mm/s）和三點(diǎn)自平衡設(shè)計(jì)，可較好自適應(yīng)調(diào)節(jié)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(duì)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(diào)平后支墩反力均勻，沉管最大拉應(yīng)力為1.75 MPa，小于規(guī)范C50混凝土允許拉應(yīng)力2.64 MPa。

7 結(jié)語(yǔ)

采用大型淺吃水半潛駁干式運(yùn)輸鋼筋混凝土沉管工藝，可以很好解決內(nèi)河、灣口等淺水域沉管運(yùn)輸?shù)呐R時(shí)疏浚量過(guò)大、環(huán)境影響大的難題。本文系統(tǒng)介紹了智能臺(tái)車(chē)移運(yùn)大型鋼筋混凝土沉管上駁的工藝，主要結(jié)論如下：

1）采用智能臺(tái)車(chē)三點(diǎn)平衡設(shè)計(jì)，確保管節(jié)上駁水平姿態(tài)及支撐體系平衡，解決沉管移運(yùn)過(guò)程中的控裂難題。

2）采用快速定位拉桿和鋼質(zhì)過(guò)渡梁，可以較好實(shí)現(xiàn)半潛駁坐底搭接。采用提前排水方式，設(shè)計(jì)臺(tái)車(chē)移運(yùn)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(chǔ)荷載要求。

3）坐底基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用“DCM樁+碎石基礎(chǔ)+坐底梁”的方式，采用1.3倍荷載預(yù)壓消除不均勻沉降，能較好滿足半潛駁上駁過(guò)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(tái)車(chē)液壓千斤頂快速反應(yīng)和自平衡特性，可較好解決起浮過(guò)程半潛駁撓度變形及支撐體系轉(zhuǎn)換難題。

綜上所述，本文可以為后續(xù)類似項(xiàng)目采用智能臺(tái)車(chē)運(yùn)輸大型鋼筋混凝土構(gòu)件上駁提供有益借鑒。