超大型沉管与碎石垫层之间摩阻系数的推算方法

汤慧驰，李进，岳远征

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

沉管对接是沉管安装过程中难度最高、风险最大的工序之一，了解钢筋混凝土沉管与碎石基床之间的摩擦系数，有助于增强管节的控制，使沉管对接过程更加可控。本文拟通过分析沉管拉合过程中水流力、安装船缆力、千斤顶拉合力、沉管吊力等因素，推算钢筋混凝土沉管与碎石基床之间的摩擦系数。

1 工程概况

岛隧工程是港珠澳大桥的控制性工程，隧道采用沉管方案，总长5 664 m，共33节。沉管管节在预制厂完成管节预制后，经历坞内起浮横移、二次舾装、管节出坞、由锚艇拖带浮运至安装现场，完成管节锚系安装后，进行管节沉放、对接，最终进行回填及管内作业，完成沉管隧道的安装。

2 作业原理

管节对接主要分为管节拉合和水力压接，管节拉合是沉管沉放至碎石基床后，利用拉合系统将待安管节平稳拉向已安管节的过程，本篇论文尝试通过分析沉管拉合作业过程中的受力情况，推算出沉管与碎石基床之间的摩擦系数。

如图1所示，沉管在拉合作业过程中，平面上主要受H缆缆力（H1~H4）、拉合力L南、L北、摩擦力f及水流力F水流作用。

3 作业条件

3.1 沉管管节

沉管采用两孔一管廊截面形式，宽37.95 m，高11.4 m，底板、顶板和侧墙厚1.50 m；标准管节长180 m，分为8个标准节段，每个节段长22.5 m；管节采用工厂法预制，节段混凝土全断面一次浇筑，混凝土强度等级为C45（28 d），C50（56 d）[1]。

图1 沉管拉合作业受力分析Fig.1 The force analysis of pull-in construction of pipe sections

3.2 碎石基床

如图2所示，沉管隧道采用先铺法碎石基床，碎石基床垄顶宽1.8 m，垄沟宽1.05 m，垄中心间距12.85 m，垄高1.3 m，采用专用整平船铺设[2]。

碎石材料采用能够自由散落且干净、耐久性良好、级配良好的碎石，严格控制含泥量，石料饱和单轴极限抗压强度不低于50 MPa，碎石级配要求见表1。

图2 碎石基床示意图Fig.2 The schematic of gravel bed

表1 碎石级配Table 1 The gradation of gravel

3.3 施工环境

施工环境对沉管拉合作业的影响主要是水流力影响，利用坐底式流速剖面仪进行海流观测，基槽内流向较为复杂，但11 m向下开始，主流向朝东、西向变化，越接近底部东向流的频率越高。

在小潮汛的平潮期，海面以下16~18 m基槽内流向以东向流为主，且流速较小。

通过直读式海流计观测，沉管沉放对接过程中，基槽内实测流速不大于0.3 m/s。

根据JTS 215-98—1999《港口工程荷载规范》[3]，按最大0.3 m/s流速计算水流力得4.7 t，流向东。

3.4 沉管拉合力

沉管拉合作业分为4个阶段[4]，以E22管节拉合作业为例，如图3所示，截取沉管拉合作业过程中距离拉合阶段，在以下时间内，管节拉合力在较小的区间内波动，可以作为受力分析。

图3 距离拉合阶段拉合力Fig.3 The pulling of the pull-in construction of pipe sections

3.5 安装缆力

如图4所示，绞车系统是控制管节姿态的主要设备，由控制管节竖向位移的吊放缆索（L缆），控制管节水平位移的安装缆索（H缆），以及控制安装船水平位移的系泊缆索（M缆）组成。

图4 绞车系统示意图Fig.4 Schematic diagram of winch system

绞车系统采用应变销轴式取力传感器监测钢丝绳拉力，钢丝绳受力时传感器产生4~20 mA电流信号，通过对所测得的电流信号进行换算得出钢丝绳的受力[5]。

沉管拉合作业过程中，M缆不直接影响沉管姿态，且缆力及方向均变化较小，可忽略不计；如图5所示，管节拉合作业过程中，H缆缆力变化较小，且受力方向保持不变。根据实测锚点位置，取45°作为H缆与管节间夹角计算。

图5 H缆缆力Fig.5 Cable force of the H cable

截取相同时间内安装船L缆吊力，计算该段时间内L缆吊力的和值，代入计算。

4 摩擦系数计算

如表2所示，根据以上参数，计算不同时间点上，沉管与碎石基床之间的摩擦阻力系数μ。

根据受力分析，管节与碎石垫层之间的摩擦力可按下式计算：

管节与碎石垫层之间的摩擦阻力系数可按下式计算：

式中：H1～H4为管节安装缆拉力；L北、L南为拉合系统拉力；F水流为管节所受水流力；L吊力为管节所受吊力。

根据表2第1行数据，计算得摩擦阻力系数为 μ1=0.43。

表2 摩擦系数计算Table 2 The calculation of friction coefficient

根据摩擦力，计算出沉管与碎石基床之间的摩擦系数在0.41~0.44之间。这与文献[6]中相同工况下测得的摩擦系数一致。

5 结语

本文借助港珠澳大桥沉管拉合作业过程中的各关键参数，计算出钢混沉管与碎石基床之间的摩阻力系数在0.41~0.44之间。继续收集沉管对接过程中的数据，对本文的结论进一步验证，使得管节沉放对接过程更加受控。

参考文献：

[1] 张洪，范卓凡，刘然.港珠澳大桥岛隧工程沉管预制模板施工工艺[J].中国港湾建设，2015，35（7）：57-60.ZHANG Hong,FAN Zhuo-fan,LIU Ran.Construction technology for prefabricated immersed tube template of Hongkong-Zhuhai-MacaoBridgeislandandtunnelproject[J].ChinaHarbour Engineering,2015,35(7):57-60.

[2] 杨秀礼，邵曼华，徐杰.港珠澳大桥沉管碎石垫层铺设船（平台）抛石整平总体方案选型[J].施工技术，2014，43（11）：17-19，35.YANG Xiu-li,SHAO Man-hua,XU Jie.The overall scheme selection of rubble leveling for gravel cushion laying ship on Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].Construction Technology,2014,43(11):17-19,35.

[3]JTS 215-98—1999，港口工程荷载规范[S].JTS 215-98—1999,load code for harbour engineering[S].

[4] 汤慧驰，岳远征，张建军，等.超大型沉管管节拉合系统及控制方法[J].中国港湾建设，2015，35（11）：123-126.TANG Hui-chi,YUE Yuan-zheng,ZHANG Jian-jun,et al.Pulling-connecting system and control method for elements of ultra-large immersed tubes[J].China Harbour Engineering,2015,35(11):123-126.

[5] 王伟，宁进进，窦从越.利用沉管系泊缆力推算沉管外海横拖时的水阻力系数[J].中国水运，2013，13（12）：356-357.WANG Wei,NING Jin-jin,DOU Cong-yue.Calculate the water resistance coefficient of transverse drag when using immersed offshore mooring force tube[J].China Water Transport,2013,13(12):356-357.

[6]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 elements and foundation bed[J].China Harbour Engineering,2015,35(7):46-48.