超大型沉管管节横移施工工艺

陈伟彬，刘荣岗，戴双全

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

超大型沉管管节横移施工工艺

陈伟彬，刘荣岗，戴双全*

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

管节横移施工是沉管预制阶段的最后一道工序。通过对布缆设计、设备选型计算，制定了一套完善的管节横移施工流程和操作方法。实际工程已经成功完成24个管节横移施工，该方法施工效率高、易于操作、安全性高、施工成本低。

沉管隧道；管节；横移；施工工艺

1 工程概况

港珠澳大桥海底隧道共有预制沉管管节33节，其中E1、E2管节为5个节段，其余为8个节段，分17次在完成管节的预制、一次舾装、坞内灌水试漏等相关工作后，将管节从浅坞区横移至深坞区寄放[1-3]。

2 施工顺序及施工流程

根据浅坞区的布置特点，管节横移采用从前到后的施工顺序，即先将邻近深坞的2号生产线上的管节横移到深坞区寄放位置，再起浮横移1号生产线上的管节。

管节横移在以下两种工况下进行：

1）深坞区内没有管节寄放时：两个管节检漏完成后通过横移绞车将管节横移到深坞区寄放；

2）深坞区已有两个管节寄放时：坞内灌水前，须将低水位管节的系泊缆绳移至高水位缆桩系泊，当坞内水位升高时需适当收紧已系泊管节缆绳，确保已系泊管节位置正确。当坞内灌水到设计标高时，开始对浅坞区管节横移。完成横移作业后，排低坞内水位，将管节在低水位系泊。

3 管节横移施工

3.1 管节起浮

3.1.1 坞内水尺设置

浅坞西南角（即坞墙B、C区交界处）的两坞墙面各设置1个水尺；浅坞钢闸门两端（即坞墙A、B区）拦水坝各设置1个水尺；坞口左右两边靠深坞侧的坞墩垂直面各设置1个水尺。水尺采用我国1985国家高程系统，字样采用红底白字。

3.1.2 坞内水位观测

坞内灌水后，在管节起浮前需通过坞内设置的水尺观察坞内水位高度变化，同时检查整个坞内及沉管的渗漏情况。渗漏量较小时，可以开启1～2台水泵进行补水，补水量3 960～7 920 m3/h。渗漏严重时则需先堵漏，再进行管节起浮横移施工，以保证管节横移安全。

3.1.3 管节起浮

管节水密性检漏合格后，将横移绞车缆绳带到待起浮管节的缆桩上，其中溜尾缆交叉布置，牵引缆垂直管节平行布置；同时管节两端分别向东西方向与拦水坝缆桩用高强缆绳带紧管节（管节起浮带缆方式示意图见图1所示），防止管节起浮过程中飘移。

图1 管节起浮带缆示意图Fig.1 The schematic of the linehandling and floating of immersed tubeelement

管节完成系泊带缆后则开始对管节压载水箱排水，管节压载系统均匀对称地将压载水排出管外，管节随之起浮。管节起浮后，根据管节的平衡状态进行管节调平、干弦高度调整等工作。

在前一管节起浮横移施工时，后一管节保持坐底状态，避免影响前一管节的施工。

3.2 管节横移

3.2.1 管节横移施工

先收紧各横移绞车缆绳，使各缆绳受力均衡，然后将溜尾缆5号、6号绞车转换为恒张力功能，同时采用二档（80 kN力）拖住，牵引缆1号、2号绞车同时采用一档以0.05 m/s的速度绞缆，使管节向深坞方向起步横移。当管节发生左右偏移时，可变换溜尾缆5号、6号绞车的恒张力大小进行纠偏。当管节横移平稳后，1号、2号绞车可采用二档绞移，速度控制在0.1m/s以内。

管节横移过程中，在管节顶面安装GPS接收机，对管节进行实时监测，指挥者根据测量数据变化情况对各横移绞车下达相应指令，对管节进行纠偏操作和横移操作，确保管节在横移过程中其端部距离坞底边坡最小距离不得小于4.0m。

管节横移至寄放区后，根据测量数据对管节进行调位，实现准确定位，保证管节的偏移量在±0.5 m内，然后将管节系泊到深坞区高水位缆桩上。系泊采用四点对称布缆，缆绳采用高强纤维绳缆，用带缆艇配合，人工带缆。将牵引缆绳和溜尾缆解除，移至下个管节的管顶上，进行下个管节的横移施工。

3.2.2 深坞无管节寄存时管节横移施工步骤

第一步：通过1号、2号、5号、6号绞车将管节横移约265 m，到达寄放区指定位置，进行带缆系泊。分别将管节四角缆桩与岸上H4、H8、H18、H21缆桩用高强缆连接，采用人工围缆带紧。然后解除1号、2号、5号、6号绞车钢丝绳，并用带缆艇将1号、2号、5号、6号绞车钢丝绳带到第二管节的缆桩上，进行第二管节横移施工。第二管节起浮前管节两端用高强缆与岸上缆桩H12、H13用人工围缆带紧，预防起浮飘移。然后管内压载系统排水，使第二管节起浮，如图2。

第二步：管内压载水排完并调平后，1号、2号绞车同步收紧缆绳，同时5号、6号绞车转换为恒张力功能，缓慢起动管节横移至寄放区指定位置，然后采用高强缆绳将管节系泊在H5、H9、H17、H18高水位缆桩上，如图3。

图2 管节系缆示意图Fig.2 The schematic of the linehandling of immersed tubeelement

图3 管节高水位系泊示意图Fig.3 The schematic of themooring of immersed tube element in thehigh water level

第三步：坞内排水，管节将随水位同步下降，当深坞内水位降至与外海同高时，将管节系泊到低水位缆桩上，每个管节采用四点系泊。系缆方式：管节两端采用交叉缆系泊，用人工围桩带紧缆绳，缆绳采用φ40mm高强纤维缆，如图4。在坞内降水过程中，根据缆绳张紧程度适当调整缆绳长度，防止缆绳受力过大发生断缆。

图4 管节换缆系泊示意图Fig.4 The schematic of switching andmooring of immersed tube elem ent

第四步：管节在低水位系泊后，解除高水位缆绳，完成两管节的横移施工。

3.2.3 深坞已有两管节寄放时管节横移

在进行坞内灌水前，先将寄放区的管节采用高强缆系泊在高水位缆桩上，然后向坞内灌水，随着坞内水位上升，同时收紧各系泊缆绳，使寄放区的管节位置不发生偏移，水位上升到+15.30 m后，开始浅坞区的管节横移施工。具体施工方法参照前面两管节的横移施工。

3.3 管节横移测量控制

管节横移、系泊定位采用预制厂内设定的施工坐标系和1985国家高程系统。先在深坞内布置管节系泊位置和移动路线，设定目标坐标点；定位时在管节顶面采用2台Trimble R5 GPS移动接收机跟踪目标点，指导管节移位和管节系泊定位。

管节横移前，先在管节顶面确定对应点，架设GPS接收机，输入目标点坐标，接收陆地基站传来的信号扑捉目标点。点位布置如图5所示。

图5 管节横移、寄放测量点位布置示意图Fig.5 The layout of the traversing and depositing survey pointsof immersed tubeelement

4 设备选型计算

4.1 受力计算

4.1.1 管节在坞内横移时拖带力计算

管节在坞内横移时拖带力按以下公式计算[4]：

式中：F为拖带力标准值，kN；A为受水阻力面积，m2；VW为水的重度，kN/m3，本工程取10.025 kN/m3；α为吃水宽度，m，本工程取180 m；T为吃水深度，m，本工程取11.37 m；δ为涌水高度，m，通常取0.6倍航程中可能出现的波高H，本工程由于受风浪影响较小，可取δ=0；V为对水流的相对速度，m/s，取0.1 m/s；K为挡水形状系数，对矩形K取1。

管节横移相对水流速度为0.1 m/s，则管节横移拖带力为：

4.1.2 溜尾缆张力及作用效果计算

管节横移前方采用2台卷扬机缆绳垂直管节平行牵引，后方采用2台恒张力卷扬机缆绳溜尾，溜尾缆交叉布置作为管节方向控制和保证管节及时制动，溜尾缆与管节纵向角度最小为4.2°（管节启动时），最大角度为57.3°（管节移到位后）。

溜尾缆在第1节管牵引到位时对牵引方向制动作用最大，对第4节管制动作用最小，这时溜尾缆与管节纵向角度为35.9°。选择溜尾缆以保证第4节管牵引到位时能得到有效制动为准。

设管节以额定速度0.1m/s前行，最快制动时间选为70 s，制动时前行距离3.5m，管节完全止住，可计算出需克服的惯性力为F=112.56 kN，则要求单根溜尾缆恒张力为：

F0=F/（2sin 35.9）=96 kN （4）

4.2 卷扬机及缆绳选择

4.2.1 后方溜尾卷扬机

根据以上计算分析，后方溜尾卷扬机选为恒张力卷扬机2台，其性能为：卷扬机转换为恒张力功能时恒张力为100 kN，即当缆绳受力大于100 kN时滚筒出缆，出绳速度0.1m/s；当缆绳受力小于100 kN时滚筒收缆。卷扬机转换为非恒张力功能时，卷扬机额定拉力为150 kN，满足管节调位克服惯性力和水阻力要求F=（131.2+10.7）÷ 2÷sin 35.9=121 kN，绳速0.1m/s。

刹车制动力300 kN，以满足应急制动要求。钢丝绳直径φ32 mm，破断力645 kN[5]，安全系数n=645/150=4.3。

容绳量500m，以满足管节牵引长度要求。

4.2.2 前方牵引卷扬机

前方牵引卷扬机选择2台250 kN电控慢速卷扬机，卷扬机额定拉力为250 kN，满足管节横移到位调节牵引力最大要求F=309.5 kN÷2= 154.75 kN，绳速0.1m/s。

刹车制动力320 kN，以满足应急制动要求。

钢丝绳直径φ40 mm，破断力1 010 kN，安全系数n=1 010/250=4.0。

容绳量500m，以满足管节牵引长度要求。

4.2.3 系泊缆绳

系泊缆选用φ40 mm高强纤维绳缆，破断力974 kN，400 kN拉力时伸长4.5%～4.6%，满足系泊力要求F=131.3 kN，安全系数n=974/131.2= 7.4。

5 管节横移质量保证措施

1）管节横移过程中，必须对管节平面位置进行实时监测，确保管节不发生过大偏移。

2）管节横移过程中，必须实时观测坞内水位，防止水位下降造成管节搁浅。

3）管节横移绞拖采用“先松后紧”或恒张力溜尾的绞拖方式，以减少管节横移过程中拉力超载现象。

4）管节换缆、系泊时必须先系新增缆绳，再逐个解除绞车的缆绳，确保管节安全。

5）管节系泊时必须留有足够的富余长度，防止潮位变化拉断缆绳。

6）管节系泊缆富余长度不得过长，以免发生管节碰撞情况。

6 结语

港珠澳大桥岛隧工程于2015年4月18日、19日完成了E19、E20管节横移，从E1至E20管节横移情况看，均能按计划一次性完成施工，并且满足安全、质量要求，取得了较大成功，为管节的出坞施工创造了条件[5]，为后续管节横移积累了宝贵经验。

[1]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计：沉管隧道[R].2011. CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:immersed tunnel[R].2011.

[2]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计：沉管预制厂[R].2011. CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.Construction drawingofisland and tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge main project:factoryofprefabricating immersed tunnels[R].2011.

[3]宁进进，丁宇诚.超大型沉管出坞施工及控制方法[J].中国港湾建设，2014（7）：54-55，58. NING Jin-jin,DINGYu-cheng.Construction of large tunnel elementdock outing and the controlmethod[J].China Harbour Engineering,2014(7):54-55，58.

[4]JTJ290—98，重力式码头施工与设计规范[S]. JTJ290—98，Design and construction code forgravity quay[S].

[5]GB/T 20118—2006，一般用途钢丝绳[S]. GB/T 20118—2006,Steelwire ropes forgeneralpurpose[S].

Traversing construction technology of super large immersed tube elements

CHENWei-bin,LIURong-gang,DAIShuang-quan*
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFourth Harbor Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China）

The traversing construction of immersed tube elements is the last step of immersed tube prefabrication.By the cabling design,and the calculation of equipment selection,we developed a comprehensive construction process and the operationmethod of immersed tube traversing.Actually,the project has been successfully comp leted the traversing construction of24 tubeelements,which proved themethod ishigh construction efficiency,easy to operate,safeand low construction cost.

immersed tunnel;tube element;transversemove;construction technology

U655.4；U459.5

B

2095-7874（2015）11-0064-04

10.7640/zggw js201511018

2015-10-19

2015-10-30

陈伟彬（1976— ），男，广东人，高级工程师，水运工程专业，从事项目管理工作。*通讯作者：戴双全，E-mail：1012189857@qq.com