内河沉管隧道管节寄存系泊施工关键技术

刘惠平

（交通运输部广州打捞局 广州 510260）

0 引言

近年来沉管隧道在城市隧道建设中逐渐得到广泛应用和迅速发展，其具有埋深浅、通行能力大、线路短、横断面形状选择灵活、管节预制质量易于控制和防水效果好等优点［1-2］，沉管隧道管节预制完成后，需进行浮运、系泊及沉放，沉管管节系泊是管节沉放前的承上启下的一步，通过系泊让管节从自由状态重新回到受到缆绳的约束的状态，同时利用系泊的时间做好管节沉放的准备工作［3-4］。

某项目原施工计划在接头端完成基坑支护及围堰拆除、围堰区域基槽凿岩后开展沉管管节安装，为了缩短项目的整体工期，项目计划将先预制好的管节寄存在坞口，第二批管节预制启动时间比原方案提前约6 个月开展，采用优化工序后续施工不会对沉管出坞造成影响。沉管管节绞移出坞时，管节两侧距坞墩距离仅1.8 m，安全距离小，管节控制难度高，碰撞风险大。管节整体出坞后，横向迎流面积大，受横向水流力大，控制难度大，如何在受限水域中精准控制管节位置是本工程的难点之一［5-6］；沉管寄存系泊期间需经历广州5 月的龙舟水季节，在龙舟水季节涨退潮时，管节受到的水流力非常大，对沉管系泊系统要求高，本文针对该工程沉管管节系泊施工关键技术进行分析及研究［7-8］。

1 工程概况

广州市某隧道工程采用沉管法隧道施工，隧道沉管纵向共分为4 段，总长492.0 m，在南岸干坞预制场内分两批预制。管节断面宽度30.4 m，高度8.7 m，管节由南向北编号为E1、E2-1、E2-2、E3和E4；其中E1、E3、E4预制长度均为123.0 m，E2-2为短管节，与E3管节拉合共同出运寄存，长度为3.5 m，E2-1 长117.0 m。江中沉管节位于珠江前航道，隧址范围江面宽约520.0 m，北侧河床标高-1.02～2.00 m，在最低通航水位3.59 m下，水深1.59～4.60 m；南侧河床标高1.41～4.06 m，在最低通航水位3.59 m 下，水深0.00～2.18 m。沉管管节在南岸干坞内预制后采用绞移法进行出坞浮运寄存作业，在寄存区系泊，管节长约123.0 m、重约3万t。

2 管节寄存系泊施工

2.1 沉管寄存总体平面布置

考虑到航道改迁及方便沉管安装，沉管寄存区域设定在琶洲大桥至东圃大桥间珠江水域，E4寄存区靠近沉管基槽，管节寄存采取纵向迎水流的方式，选用两点锚泊系统。E4 管节沿第三阶段临时航道方向靠海珠侧，沉管结构离航道边线35.0 m。

E3 管节迟于E4 管节安装，由于隧址附近水域无E3 管节临时寄存的水域，因此E3 寄存区设置在南岸干坞坞口临江侧，寄存区的纵轴线垂直于河道轴线，管节结构有31.8 m进入坞口堤岸线内，如图1所示。

图1 寄存位置平面布置Fig.1 Floor Plan of Storage Location

2.2 寄存坑底标高及尺寸设计

临时寄存区满足沉管临时锚泊寄存的平面尺度要求，临时寄存区底宽每边考虑富裕值。富裕值及基坑详细数据如表1所示。

表1 临时寄存区平面尺度Tab.1 Plane Scale of Temporary Storage Area

E4 管节低潮位时与基槽底有10 m 的富裕水深，E4寄存区边坡按设计文件要求进行放坡，周围地质条件好，边坡稳定性满足《沉管法隧道施工与质量验收规范：GB 51201—2016》、《疏浚与吹填工程施工规范：JTS 207—2012》规范要求。E3 管节低潮位时，与基槽底有1.0 m富裕水深，如图2所示。

图2 E4管节寄存区纵横断面Fig.2 Longitudinal Section and Cross-sectional of the Storage Area of E4 Pipe Section（mm）

2.3 寄存区管节系泊布置设计

寄存区管节系泊系统主要包括系泊缆及锚块，通过咨询设计单位并参照防洪评价专项报告，本工程施工水域最大落潮和涨潮流速如下：

“1998.6”洪水落急条件下推测本工程水域施工期间最大水流速为0.870 m/s；

“2001.2”枯水涨急条件下推测本工程水域施工期间最大水流速为0.955 m/s；

安全起见，沉管系泊计算流速取值为1.1 m/s。

沉管浮运前需在寄存区布置好系泊系统，以便管节出运到现场后临时寄存；E4管节寄存采取纵向迎水流的方式，其系泊系统为两点系泊系统；E4 管节在寄存期间主要承受纵向水流力，横向水流作用力相对较小；E3 管节在寄存期间主要承受横向水流力，纵向水流作用力相对较小，其系泊系统采用六点系泊系统。M1锚块距地铁4号线28.1 m，距临时航道边线47.2 m。M2锚块距地铁4号线264.3 m，距临时航道边线47.2 m。M3锚块距地铁4号线181.1 m，距临时航道边线157.2 m。M4锚块距地铁4号线330.0 m，距临时航道边线169.1 m。M5锚块距地铁4号线170.5 m，距临时航道边线195.0 m。M6锚块距地铁4号线321.0 m，距临时航道边线206.9 m。寄存区系泊布置详如图3所示。

2.4 管节寄存期间的水流力计算和波浪力计算

2.4.1 水流力计算

管节寄存期间主要受水流力和周围船行波浪影响，已知管节基本参数如表2所示。

表2 管节基本参数Tab.2 Basic Parameters of the Pipe Joint

按照《港口工程荷载规范：JTS 144-1-2010》，管节水流力为：

式中：FW为水流力标准值（kN）；CW为水流阻力系数，根据洲头咀隧道模型试验取1.6；ρ为水密度（t/m3），淡水取1.0 t/m3；V为水流设计流速（m/s），取1.1 m/s；A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2）。

水流力计算结果如表3所示。

表3 水流力计算结果Tab.3 Calculation Results of Flow Force

2.4.2 波浪力计算

波浪对浮体产生的作用力通常可分解为一阶波浪力和二阶波浪力，其中一阶波浪力的幅值虽较大，但只是一个与波浪具有相同的频率的脉动力，而二阶波浪力，特别是平均漂移力和慢漂力，是拖航系统设计和拖航阻力估算、浮体在波浪中阻力增加的计算、潜体在近水面时的性能分析的主要考虑波浪荷载因素。

对于规则波而言，二阶波浪力包括平均波浪漂移力和倍频波浪力，对于不规则波而言，除了平均波浪漂移力和倍频波浪力，还包括波浪慢漂力与各成分波频率之和的高频波浪力。对于管节拖航系泊系统，系统的固有周期一般都大于波浪周期，主要考虑波浪力的低频成分，这里主要针对管节的波浪漂移力计算［9-10］。

使用ANSYS AQWA 建立水动力分析模型，如图4所示。

图4 计算模型Fig.4 Calculation Model

考虑0.2 m 波高进行计算，计算结果如表4 所示。则管节寄存期间受到的水流及波浪合力如表5所示。

表4 管节波浪作用下漂移力结果Tab.4 Drift Force Results of Pipe Joints under Wave Action（kN）

表5 管节受力计算结果Tab.5 Calculation Results of Pipe Joints

2.5 系泊缆选型

本文以纵向迎水流系泊的E4 管节作为研究对象，已知寄存区50 年一遇最高潮为3.90 m，寄存期间最低潮为-0.04 m，零潮位时的水面标高3.59 m，锚块安装位置泥面标高-0.50 m；且高潮位时锚缆受力较低潮位时大，故按照E4 管节高潮位时系泊缆受力情况来配备钢丝绳；E4管节寄存时侧视图如图5所示。

图5 E4管节寄存侧视Fig.5 Side View of E4 Storage

锚缆仰角为8°，锚缆水平夹角为11°，考虑极端情况，锚块上只有1 根钢丝绳受力，校核管节纵向受力，则单根钢丝绳的受力大小为：

选择φ52 mm 金属芯钢丝绳（折双）做系泊缆，型号为6×37+1，公称抗拉强度为1 770 MPa，钢丝绳破断力1 700 kN。钢丝绳折双使用，考虑80%的折减系数，安全系数n=（1 700×2×0.8）/263.91=10.31>5.0。M1和M2 锚缆直接套在缆桩上。校核管节横向力。则F4y=Fwirecos11°sin8°=36.05 kN＞25 kN，满足要求。

M1和M2锚块受到的最大拉力为263.91 kN。

E3 管节上游共设3 个锚，计算时只考虑2 个锚平均，计算方法同上，M3～M6 锚块受到的最大拉力为537.60 kN，M3～M6 锚缆用80 t 五轮滑车进行收紧。E3和E4管节系泊系统均能满足水流1.1 m/s情况下的安全系泊要求。

2.6 系泊锚块选型

锚块为吸附式重力锚块，采用钢筋混凝土结构，在管节寄存区的预定位置，利用测量定位配合起重船进行锚块的安装，E4 管节设置2 个锚块。E4 锚块（M1、M2）受到的最大拉力为263.91 kN，综合考虑，M1～M6 锚块选择150 t 锚块。锚块主要参数如图6 所示。锚块尺寸为5.5 m×5.5 m×3.5 m，锚块体积为63.5 m3，锚块重量为自重150 t，水下101.6 t，锚块底部与土接触面积S=15.21 m2，回填3.0 m高挡土面积A=15.28 m2。

图6 150 t重力式锚块结构Fig.6 Structure of 150 t Gravity Anchor Block（mm）

3 系泊系统安装

3.1 锚块坑开挖

锚块坑底部尺寸为6.5 m×6.5 m，四周放坡，按设计文件，岩层为1∶1，泥层为1∶2.5，锚块坑开挖采用挖泥船进行开挖。

3.2 锚块安装

⑴起重船在锚艇协助下，测量配合抛锚定位。

⑵起重船就位完毕后，在主钩上挂好4条φ66 mm×15.0 m的吊索，用卸扣将吊索与150 t重力锚块连接。

⑶起重船起重船将150 t 重力锚块吊起，旋转至测量员提前指定位置，并慢慢放低；当重力锚块离海床底约1.0 m 时，停止下降；测量员乘工作艇至吊索旁，根据设的坐标利用全站仪进行测量定位，直至重力锚块调整至设计位置，慢慢放低至海床面。

⑷锚块安装完成后，用工作艇将需要寄存于海床的锚缆吊至重力锚块安装位置，由潜水员在水下将缆绳一端系泊于锚块的拉耳上；锚缆的另一端打好浮标。

⑸重力锚块安装完成后，用碎石进行回填。

3.3 系泊系统试拉

⑴将锚块上系泊钢丝绳与工作母船上的五轮滑车组连接起来。若系泊钢丝绳不够长，采用多钢丝绳进行接驳；

⑵启动绞车，收紧滑车组间的钢丝绳，当测力计的读数为100 kN 时，停止绞收钢丝绳，在工程驳船上做好滑车组位置标志；

⑶继续启动绞车，缓慢地绞收滑车组间的钢丝绳，观测测力计的读数及滑车组的位置；

⑷当测力计的读数为700 kN 时，停止绞车保持拉力30 min，检测滑车组的位置。若此时滑车组位移小于50 mm，锚块的锚固力符合要求；

⑸当滑车组位移大于50 mm，启动绞车使测力计的读数重新达到为700 kN，停止绞车保持拉力30 min，检测滑车组的位置。若此时滑车组位移小于50 mm，锚块的锚固力符合要求；

⑹如连续3次上述操作，滑车组位移仍大于50 mm，则说明锚块的锚泊力不足，安排潜水员下水检查锚块四周的情况，包括锚块四周埋泥情况，锚块受力方向有无堆积物隆起，受力方向后部有无凹陷等；

⑺若经过试拉，系泊系统不满足设计要求，则需要重新将锚块吊起，对锚块坑重新进行开挖之后，进行锚块安装碎石回填，再次进行系泊系统拉力试验。

4 管节系泊寄存注意事项

⑴沉管寄存期间在沉管上下游各设置1 艘警戒船，对沉管进行警戒；

⑵设置航标及安全警示；

⑶对系泊缆及对相对应的管面范围用土工布进行包裹，防止由于潮位变化及波浪因素使管节出现摆动，钢缆与沉管结构间发生摩擦导致钢丝受损；

⑷在寄存管节周边增设航标及警示灯标，在管节上设置警示灯带及警示牌，警示来往船舶与沉管发生碰撞；

⑸采购合格厂商的钢丝绳，做好钢丝绳的进程验算工作。

5 结论

本文就内河沉管隧道系泊施工关键技术进行了研究，包括系泊布置设计、寄存期间的水流力和波浪力计算、系泊缆选型及锚块选型、系泊系统安装等关键技术进行研究探讨。在内河大水流环境下，沉管管节寄存需要选择满足设计要求的系泊系统，在正式施工前，对沉管寄存系泊系统进行拉力试验，制定方案时应当让整个沉管寄存系泊系统有一定的安全富裕，合理安排系泊施工，解决了内河沉管隧道在受大水流力影响下安全系泊的问题，顺利完成了两段沉管管节的寄存系泊。目前本项目隧道E3、E4 管节已完成出坞寄存系泊。