超大型沉管管节拉合系统及控制方法

汤慧驰，岳远征，张建军，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

超大型沉管管节拉合系统及控制方法

汤慧驰，岳远征，张建军，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

管节拉合作业是沉管隧道管节浮运安装过程中衔接管节沉放及水力压接的重要步骤，港珠澳大桥沉管隧道使用的拉合系统包括自动搭接、距离监测、拉力检测、水下视频监控等功能。文章详细介绍了该系统及控制方法的4个阶段7个步骤。工程实践证明，可以完全适用于沉管隧道管节拉合作业。

港珠澳大桥；沉管；管节；拉合系统；控制方法

0 引言

港珠澳大桥沉管隧道的预制管节是目前世界上体量最大、重量最大的钢筋混凝土构件，沉管安装作业水域存在基槽区流态复杂、海水密度变化大、交叉作业船舶多、船行波影响大等特点、难点。

为了精确控制沉管安装过程中管节的姿态及受力，管节拉合作业有着严格的潮水、流速和时间限制，需要利用小潮汛低平潮时段按时完成管节拉合作业。

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道[1]。岛隧工程是港珠澳大桥的控制性工程，隧道采用沉管方案，沉管段总长5 664 m，采用节段式柔性管节结构，共33节，标准管节长180 m，由8节长22.5 m、宽37.95 m、高11.4m的节段组成，总重约7.5万t，最大沉放水深约46 m，是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。

2 工艺简介

沉管管节的安装包括沉放准备、绞移沉放、着床、拉合、水力压接及贯通测量6个主要步骤[2]，拉合作业是衔接管节着床和水力压接的关键步骤。

管节安装过程中，待安管节着床后，需要将待安管节平稳拉向已安管节，直至待安管节端部的GINA橡胶止水带碰触已安管节的端钢壳，并提供一定的拉力压缩GINA橡胶止水带鼻尖[3]，使待安管节与已安管节间形成密闭接合腔，达到初步水密状态，为水力压接创造条件。

3 设备介绍

根据工程特点及工艺要求，设计制造了专用的拉合系统，该系统具备水下自动搭接、精确测量管节对接端面间距离、精确监测千斤顶拉力、水下可视化等功能。如图1所示，拉合系统主要由①主控台；②主动拉合单元；③被动拉合单元；④电子线缆及液压油管卷盘；⑤油泵控制柜等部分组成[4]。

图1 管节拉合系统平面布置图Fig.1 Pulling-connecting system layoutof tubeelements

被动拉合单元安装在已安管节尾端两侧，主动拉合单元安装在待安管节首端两侧，主、被动拉合单元完成连接后，主动拉合单元提供拉力，将待安管节拉向已安管节。待安管节上的主动拉合单元通过液压油管与电子线缆与安装船甲板上的油泵控制柜连接，然后通过数据信号线将千斤顶的各项数据传输给控制室的主控台。

该设备通过以下四项特殊系统来适应复杂的水下条件，满足工程要求，同时也提高了工作效率，大大降低了潜水员的工作强度，减少了施工成本。

3.1 水下自动搭接系统

水下自动搭接系统由2组千斤顶及被动拉合单元上的反勾结构组成，通过水下视频监控系统的配合，实现了操作人员在主控台完成拉合系统的水下搭接，摆脱了以往需要潜水员连接主、被动拉合单元的工艺，减少了潜水员水下作业时间及作业量。

3.2 水下视频监控系统

水下视频监控系统利用2组水下电视录像监控作为主体设备，主界面实时显示水下情况，指挥室通过有线传输视频信号实现同步显示。主要硬件包括低光摄像头、C2300高强度防水电缆、手提箱式控制台等。通过该套系统，可以实时监控拉合系统在水下的工作状态，为指挥操作提供参考，减少了潜水员水下检查的工作量。

3.3 距离监测系统

距离监控系统利用2组磁至位移传感器作为距离监控设备，主控台界面实时显示千斤顶伸出距离。主要硬件包括磁至位移传感器、水下电子接头、电子控制单元等。

利用该套系统，通过与管节安装参数的比对，不仅可以判断拉合系统是否顺利完成搭接，还能了解待安管节与已安管节之间的端面间距，为拉合作业操作提供依据。

3.4 压力监测系统

压力监测系统利用2组压力传感器作为压力监测设备，主控台界面实时显示拉合系统压力。主要硬件包括压力传感器、拉合单元截止阀、压力泄压阀、液压控制模块、电子控制单元等。

利用压力监测系统，通过管节重量、摩擦力、设备性能等参数，可以综合判断拉合作业处于的阶段，从而更好地控制拉合作业的进程。

4 施工工艺流程及控制方法

按照管节安装的流程，管节拉合作业可分为4个阶段7个步骤，分别是沉放准备阶段的系统安装，管节沉放阶段的液压油管及电子线缆（以下简称“管线”）下放，拉合阶段的水下无人自动搭接（以下简称“搭接”）、预紧、距离拉合、压力拉合以及水力压接阶段的配合。

4.1 沉放准备阶段——拉合系统安装

为减小拖缆对拉合系统的影响，在管节沉放准备阶段进行系统的安装调试。首先对照坞内标定的位置，准备安装管节首尾端的主、被动拉合单元，然后通过水下接头将油管及线缆连接至主动拉合单元，利用管顶锚固装置固定管节顶面的管线，减小水流对管线的扰动。安装完成后，对2台千斤顶同步性进行测试，并依次检查各系统能够正常运转、设备是否存在渗漏油现象、数据显示是否正常等。

4.2 沉放阶段——管线下放

管节沉放及着床过程中，利用主控台与管节同步下放管线，根据管节姿态监控系统、安装船吊缆监测系统及拉合卷盘监测系统，调整管线长度，始终保持管线下放长度大于管节下放距离。为确保拉合系统管线的安全，在管线下放过程中需要人员巡视，防止管线尤其是电子线缆出现刮蹭造成损坏，同时甲板人员需要定时手动检查管线富裕长度，与系统提供的数值进行对比，确保下放长度满足要求。

4.3 拉合作业阶段

4.3.1 水下无人自动搭接

如图2所示，待安管节着床后，利用主控台控制主动拉合单元，依次进行回收竖向千斤顶、伸出拉合千斤顶、伸出竖向千斤顶的操作，完成待安管节主动拉合单元与已安管节被动拉合单元的搭接作业。

图2 拉合系统水下无人自动搭接Fig.2 Unmanned automatic lap jointunder water of pulling-connecting system

搭接作业为拉合作业首个关键节点，如果拉合系统无法自动完成水下搭接作业，需要潜水船及潜水员水下辅助进行搭接，必将延长1～1.5 h的拉合作业时间，可能会导致在水力压接时海流增大，波浪增高，错过最佳安装窗口，影响整个安装作业效率及成功率，增加作业风险。

4.3.2 拉合预紧

主、被动拉合单元搭接完成，回程拉合千斤顶，使拉合千斤顶拉力达到784 kN，消除主、被动拉合单元之间以及钢结构与混凝土支墩之间的间隙。根据重载试验的观察及数据分析，拉合千斤顶拉力在490～784 kN区间内时，上述间隙已经消除。

4.3.3 距离拉合

根据管节姿态监控系统、拉合控制监测系统综合判断两管节端面间距，设定距离拉合长度，将待安管节拉向已安管节，使距离拉合完成时待安管节的GINA止水带鼻尖与已安管节尾端端钢壳接触。

在距离拉合过程中，为保护拉合系统，同时更加平稳地将待安管节拉向已安管节，需要综合调整管节负浮力与安装船吊力，控制管节与碎石基床之间的摩擦力小于拉合系统拉力[5]，需要综合调整安装船各缆力的大小，使吊缆力基本保持不变或者同步变化，确保在距离拉合过程中管节在平行于碎石基床平面的受力均衡。

4.3.4 压力拉合

待安管节GINA止水带鼻尖与已安管节尾端端钢壳接触后，拉合系统进一步提高拉力，使待安管节的GINA止水带尽量压缩，在两管节间形成密闭接合腔，为水力压接创造条件。

4.4 水力压接阶段

水力压接阶段，拉合系统保持70%左右的拉力，辅助水力压接进行排水，同时实时监测两管节端面间距，辅助判断水力压接的进展，为压接决策提供数据依据。

5 结语

利用本套拉合系统，按照既定的控制方案施工，取消了潜水员水下千斤顶搭接作业，减少了潜水员水下检查搭接质量、测量两管节端面间距的时间，不仅提高了工作效率，还减少了潜水员的工作强度；同时利用该系统进行距离监测，可以在对接全过程中连续进行，相对于潜水员测量提高了精度，减少了误差。

经过港珠澳大桥岛遂工程E1～E20管节现场安装验证，本套拉合系统及控制方法效率高，安全性高，节省成本，完全适用于沉管隧道管节拉合作业。

[1] 陈越.港珠澳大桥岛遂工程建造技术综述[J].施工技术，2013（9）：1-5. CHEN Yue.Review on construction technology of tunneland artificial islands for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2013(9):1-5.

[2]孟民强.沉管法隧道沉放对接施工工艺[J].广东造船，2013（3）：69-72. MENG Min-qiang.Immersed tube tunnel penetration butt construction[J].Guangdong Shipbuilding,2013(3):69-72.

[3]王光辉，宋妍.沉管隧道短管节拉合试验[J].隧道建设，2010（4）：385-387. WANG Guang-hui,SONGYan.Experimenton pulling-connecting of shortelements of immersed tunnels[J].Tunnel Constrution,2010 (4):385-387.

[4]林鸣.管节拉合系统[P].中国专利：CN203129181U，2013-08-14. LINMing.Pulling-connecting System of tube elements[P].China Patent:CN 203129181U,2013-08-14.

[5]尚乾坤，王殿文.钢筋混凝土沉管管节与基床摩擦阻力的试验研究[J].中国港湾建设，2015，35（7）：46-48. SHANG Qian-kun,WANG Dian-wen.Friction research between immersed reinforced concrete tube elementsand foundation bed[J]. China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.

Pulling-connecting system and controlmethod for elem ents of u ltra-large immersed tubes

TANGHui-chi,YUEYuan-zheng,Zhang Jian-jun,NING Jin-jin
（No.2 Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao，Shandong 266071,China）

The pulling-connecting construction of tube elements is an important step between immersion and hydraulic crimping of tube elements during the floating transportation and installation process of immersed tunnel.The pullingconnecting system was used for the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel,it includes automatic lap,distance monitoring,pulling test,underwater videomonitoringand other functions.We introduced the system and controlmethod,which was divided into seven steps in four phases.The engineering practice has proved that it can comp letely suitable for the pullingconnecting construction of immersed tubeelements.

Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge;immersed tube;element;pulling-connecting system;controlmethod

U455；U459.5

B

2095-7874（2015）11-0123-04

10.7640/zggw js201511033

2015-10-19

汤慧驰（1990— ），男，江苏南通市人，工程师，技术主办，港口航道与海岸工程专业。E-mail：keithbobo@163.com