深中通道沉管隧道碎石整平精度控制技术研究

夏丰勇, 孙世鹏, 姚 典, 池明华, 邓 斌

(1. 深中通道管理中心, 广东 中山 528400; 2. 广州打捞局, 广东 广州 510260; 3. 广东省海洋工程施工与水上应急救援工程技术研究中心, 广东 广州 510260; 4. 中船华南船舶机械有限公司, 广西 梧州 543001;5. 中交公路规划设计院有限公司, 北京 100088)

0 引言

深中通道始于广深沿江高速机场互通立交,终于横门互通立交,北距虎门大桥约30 km,南距港珠澳大桥约38 km,主体工程全长约24.03 km。深中通道沉管隧道长约6.8 km,采用设计速度为100 km/h的双向8车道高速公路技术标准。沉管隧道施工主要包括钢壳制造、自密实混凝土浇筑、基槽基础处理、管节舾装、管节浮运沉放、回填等。

受地质、地貌、水文以及施工工艺的影响,沉管隧道在基础处理过程中出现失误的概率相比其他水下隧道要大[1],而基础处理是实现海床与隧道结构传力连接的重要环节。沉管隧道的基础垫层需承受来自隧道本身、回填、管顶保护层以及回淤的荷载,并将该荷载传递至海床基础[2]。沉管隧道基础处理的主流工法有先铺法和后填法[3]。先铺法对施工设备要求高,但具有工效高、基础密实度好、工后沉降小等特点;后填法对设备要求低,但对灌砂或灌浆过程监测要求较高,且该方法难以达到基础完全填充密实,工后不均匀沉降较大。

许多已建成的沉管隧道因基础处理不当而发生了较严重的不均匀沉降。加拿大Deas Island隧道施工期间南北两端分别发生了95、100 mm的沉降;比利时Scheldt隧道建成11年后沉降最大达186 mm;美国Baytown隧道建成7年后两端与中部沉降差约300 mm,导致接头处产生过大的扭转,最终造成钢壳破裂漏水[4];截至1997年,美国Fort McHenry隧道、Ted Williams隧道发生了150 mm左右的不均匀沉降,Hampton隧道施工完成后不均匀沉降更是高达400 mm[5];上海外环隧道通车后16年内,接头最大沉降达287.3 mm,引发了严重的病害问题[6];宁波甬江隧道由于抛石层平整度及厚度控制精度差,加之基槽土的不规则超挖与冲击扰动,截至2018年8月最大沉降达91.1 mm[7]。

碎石整平法是先铺法的一种,其采用整平船将碎石铺在海床上,垫层设置V型槽,纵向锯齿形铺设[8-9]。碎石整平法施工速度快,处理好的基础垫层具有承载能力强、高程精度高和纳淤能力强等优点。目前,已完工的韩国釜山沉管隧道[10]、港珠澳大桥碎石基础施工多采用插桩自升式装备,高程精度控制多采用传统的水上GPS+倾斜仪+刚性下料管反推下料口的高程,辅以全站仪、水准仪等设备[11]。然而,插桩自升式平台存在造价高、地质要求高[12]、桩腿长度受水深限制大及刚性下料管过长等不足。本文对整平系统进行研究,并采用上下软连接的船架分离式结构,通过水上、水下2套液压驱动行走系统实现碎石铺设,提出了基础碎石整平新工艺,很大程度上弥补了上述不足。

深中通道沉管隧道管节宽46～55.463 m,是目前世界已建或在建沉管隧道管节最宽的[13-14]。为适应复杂基础条件下超宽变宽管节的碎石垫层铺设,本文采用理论分析和数值计算的方法研究新型船架分离式整平清淤一体船碎石基础高精度整平施工控制技术,并以深中通道S08标段为例,对该控制技术进行验证,形成深水条件下大型管节的碎石基床整平高程控制技术。

1 水下碎石整平系统组成及工作原理

1.1 碎石整平系统组成

碎石整平系统用于沉管的垫层铺设,该系统由皮带输料装置、行走投料装置、整平架装置、整平架升降装置、整平架姿态调整装置、整平架搁置锚定装置、动力装置、液压/电气系统、测量系统和控制系统构成,如图1所示。

图1 系统框架图

1.2 工作原理

碎石整平系统三维结构如图2所示。在母船锚泊状态下,将月池内的整平架下放至海底基床进行整平作业。水下整平所需石料,由布置在2层甲板的皮带输料装置转运至2层甲板月池区域的行走投料装置;然后,柔性连接的抛石管自由落体至水下整平架的料斗内;通过控制布置在母船2层甲板的行走投料装置与水下整平架大小行车同步运动,在整平架内部范围进行“Z”形碎石整平作业,石料在海底基床形成连续的“Z”字形轨迹,从而实现碎石料的抛填和整平。该系统的主要技术参数如表1所示,设计作业环境如表2所示。

图2 整平系统三维结构示意图

表1 碎石整平系统主要技术参数

表2 碎石整平系统作业环境

2 碎石整平精度控制研究

影响整平精度的主要因素有施工速度、料斗内碎石料预压力及整平料斗口在水下施工过程中的高程变化等。由于施工速度是由施工方结合施工工效决定,本文将从整平架料斗总成在铺石轨迹中的高程控制和料斗内碎石料高度监控2个方面开展研究。

2.1 整平架料斗总成高程控制

整平架装置由基架、大车总成、小车总成、桩腿装置、料斗总成和测量架组件组成。碎石是通过整平架料斗总成导向,在水下实现抛填和整平。料斗总成通过行走轮坐落在行走梁的小车轨道面,行走梁通过行走轮坐落在基架的大车轨道面。整平架装置如图3所示。

控制好整平料斗总成在水下施工时的高程变化,是保证海底碎石基础高程精度的关键环节,而整平料斗口在水下施工时的高程变化主要是由整平架的基架和行走梁的结构受力及变形导致。

图3 整平架装置图

2.1.1 基架驻位稳定性控制原理

整平过程中,通过理论分析合理控制基架的水下质量,确保其摩阻力可以抵抗环境载荷以及设备行走时带来的荷载。施工现场通过严格控制大、小车轨道在自重情况下的变形,将轨道高差控制在±2 mm,如图4所示。通过有限元计算,分析构件的水下受力情况和轨道顶面的变形,不断地调整水密区的浮力,将轨道顶面的变形控制在要求范围内。

图4 轨道在自重(不负载)下的变形控制

2.1.2 基架有限元模拟分析

2.1.2.1 模型与工况

本节基于整平架在水下坐底工作时的不同工况,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模块对基架的变形进行分析。基架由4根圆形管构件装焊成口字形,尺寸为39 m×31.9 m(长×宽),料斗总成在基架框内行走,基架实体模型如图5所示。单元划分为四面体及六面体,大小为100 mm,接触类型为黏结。

图5 基架实体模型

因为在陆地已将基架轨道高差调整在±2 mm,所以不考虑构件自重;行走梁水下质量W01=48 t,料斗总成水下质量W02=12 t;基架主管单侧水密舱浮力F01=24 kN,行走梁单侧水密舱浮力F02=6 kN,基架4根立柱单根浮力F03=5 kN。

本节采用3种工况分析基架在不同受力情况下的变形: 工况1,行走梁和料斗总成归中;工况2,行走梁归中和料斗总成归边;工况3,行走梁和料斗总成归边。各工况下的荷载模型如图6所示。

(a) 工况1: 行走梁和料斗总成归中

(b) 工况2: 行走梁归中和料斗总成归边

(c) 工况3: 行走梁和料斗总成归边

2.1.2.2 基架在不同工况下的数值模拟结果

有限元分析结果显示: 工况1条件下,基架轨道变形为2.4～2.7 mm,取最大值为2.7 mm,如图7(a)所示; 工况2条件下,基架轨道变形为0.2～5.0 mm,取最大值为5 mm,如图7(b)所示;工况3条件下,基架轨道变形为1.0～4.7 mm,取最大值为4.7 mm,如图7(c)所示。

(a) 工况1

(b) 工况2

(c) 工况3

2.1.3 行走梁有限元模拟分析

2.1.3.1 模型与工况

基于整平架在水下坐底工作时的工况,利用ANSYS workbench 17.0 Creo 4.0模块对行走梁的变形进行分析。行走梁由4根圆形管构件装焊成口字形,尺寸为39 m×31.9 m(长×宽),料斗总成在2根行走梁上行走,简化后的行走梁模型如图8所示。单元划分为四面体及六面体,大小为100 mm,接触类型为黏结。

图8 行走梁简化实体模型

因在陆地已将行走梁轨道高差调整在±2 mm,故不考虑构件自重;行走梁水下质量W01=48 t,料斗总成水下质量W02=12 t;基架主管单侧水密舱浮力F01=240 kN,行走梁单侧水密舱浮力F02=60 kN,基架4根立柱单根浮力F03=50 kN。

为了分析行走梁在不同受力工况下的变形情况,本节采用2种工况: 工况4,料斗总成归中;工况5,料斗总成归边。各工况下荷载模型如图9所示。

(a) 工况4: 料斗总成归中

(b) 工况5: 料斗总成归边

2.1.3.2 行走梁在不同工况下的数值模拟结果

根据有限元分析结果: 工况4条件下,行走梁变形为0～0.3 mm,取最大值为0.3 mm,如图10(a)所示;工况5条件下,行走梁变形为1.1～1.8 mm,取最大值为1.8 mm,如图10(b)所示。

(a) 工况4: 料斗总成归中

(b) 工况5: 料斗总成归边

2.1.4 料斗总成高程控制结论

通过有限元分析,可以得出轨道在水下工作时的各种组合变形为: 工况1+工况4,2+2+2.7+0.3=7 mm;工况2+工况5,2+2+5+1.8=10.8 mm;工况3+工况5,2+2+4.7+1.8=10.5 mm。

当行走梁和料斗总成同时归边时,即工况2+工况5,基架和行走梁的组合变形最大为10.8 mm,其中基架轨道和行走梁轨道的自重变形均为2 mm,基架在水下的最大变形为5 mm,行走梁在水下的最大变形为1.8 mm,组合最大变形为10.8 mm,远小于设计要求的<40 mm,因此本文研究的水下碎石整平系统的整平精度满足设计要求。

在合理的施工条件下,水下碎石整平系统的基础处理能力完全可以满足沉管隧道基础平整度高、承载能力强和纳淤能力强的要求。

2.2 料斗内碎石料的高度监控

通过监控料斗内碎石料的高度可使整平漏斗在行走过程中不空走,且可保证整平漏斗内的碎石有一定的高度,从而对碎石面有一定的预压量,减少后期碎石面的沉降量,最终保证整平精度。

料斗内碎石料高度监控一直是整平系统设计的难点,现有研究对料斗内碎石料的高度监控有2种思路: 一种方法是直接通过水下摄像头监控料斗内的实时影像,但施工过程中,随着碎石料的下落,整个海底的水变浑浊,监控效果很差;另一种方法是通过绞车下放1个重锤到料斗内,当重锤受到托举力,绞车钢丝绳的力瞬时变小,因此通过监测绞车钢丝绳长度可监控碎石料高度,但是,这种方法不能实现碎石料高度的实时、持续监测和多点监测,效率不高,影响系统的连续施工。

本系统将传感器布置在料斗外侧安全可靠的构件环境下,避免传感器在料斗内承受碎石料的强烈冲击和撞击,使其始终保持着稳定性和可靠性。这种设计思路可实现对料位的持续、实时监控和多点监测。

碎石料位监控研究与施工精度密切相关。料管内的碎石高程影响碎石整平预压和尾料处理。碎石整平预压关系到管节沉放后的沉降量,如预压不足可能导致管节沉放后沉降量较大;当整幅铺设接近完成时,料管内尾料的处理关系到整平的精度,在无法确认料管内是否存在碎石或是否碎石过多无法尾料处理时,提起整平架进行下一幅的铺设容易造成高点。

系统在料斗外侧的1.5、3、6、7.5 m高度位置布置了接近式料位传感器组件,如图11所示。

图11 料位传感器布置

2.3 精度控制

2.3.1 精度检测系统

精度检测系统包括安装在小车架上的2个高度计,沿小车移动方向前后各安装1个。高度计通过温盐深仪(CTD)实时测量水中声速,计算得到高度计底端到水下碎石面的距离,并结合整平架载GPS、岸上GPS基站和验潮站采集的数据推算出碎石面的实时高程,在测控电脑上以色带的方式显示出来。

2.3.2 精度控制系统

精度控制系统由水上、水下电控系统,水上、水下液压系统组成,系统之间通过光纤进行通信,水下液压马达和液压油缸是核心执行元件。

在进行水下碎石基础垫层整平作业过程中,整平漏斗底端高程精度决定了碎石面的高程精度。当测控电脑显示的碎石面高程精度偏离设定值一定范围时,测控系统给电控系统发出指令,执行元件(桩腿油缸)自动伸长或缩短,从而调整整平漏斗底端的高程,保证整平出的碎石面高程精度满足要求。

2.3.3 姿态调整

水下整平架的姿态调整是在测控系统的指引下,对其倾斜、高程和旋转等参数进行调整,包括粗调、精调和碎石整平过程中的调整,使之达到预先设定的姿态要求。整平架姿态的调整至关重要,对水下碎石整平的精度影响极大。在整平架水下定位过程中,其姿态的调整主要通过收放与整平架连接的钢缆实现;水下定位完成后,其姿态的调整依靠桩腿油缸的伸缩来实现。整平架上布设的高精度测控传感器、桩腿油缸高精度行程传感器以及科学的算法,可使其姿态调整精度得到保证。

3 工程应用

3.1 应用情况

水下碎石整平系统已成功研发,如图12所示。该系统在深中通道沉管隧道E32—E24管节碎石基础铺设整平中实现了应用,最快4 d可完成1节标准管节的基础铺设。

图12 碎石整平系统

深中通道沉管隧道管节为目前世界上已建成或在建隧道中管节最宽的,且其基床存在一定的坡度。为确保超宽变宽管节基础顺利铺设,基床设计时针对性地提出了“横向错缝,分幅搭接”的施工工艺,非标管节基础由40条碎石垄组成。基础沿管节轴线方向分成5个隔断,每个隔断沿宽度方向分为2幅,见图13。

图13 非标管节碎石基础设计

整平船设计时特别考虑了水下整平架定位平面位置的精度要求。整平作业窗口选择平潮期或水流小的时候,通过控制水下架体姿态调整系统,实现架体坐底。当架体的实际平面位置与设计位置的偏差小于±20 cm时,坐底完成。铺石时,下料至料斗内,料位达到一定预压高度后,水上、水下小车开始同步行走,确保预压载足够大。

水下架体配备一定的设备和架体刚度加强材料,其水下质量大于10 t,集中于4个液压桩腿之上;另外,碎石基床下方是一层抛填振密后厚1.1 m的块石层(高程偏差±25 cm),摩擦因数较大,液压系统桩腿所受的摩擦力使作业系统即使在大坡度铺石时也能保证架体水下稳定性良好。

3.2 应用效果

碎石整平系统现场整平结果如表3所示。

表3 碎石整平系统现场整平结果

水下碎石整平系统在深中通道沉管隧道E32—E24管节碎石基础铺设整平中发挥了重要的作用。由表3可知,该水下碎石整平系统的基础处理精度控制在±40 mm,平均偏差15.3 mm,由此证明该平系统的基础处理能力较强、基础整平精度高。

4 结论与讨论

本文研究了水下碎石整平系统中料斗总成的行走梁和基架在不同工况组合下的变形,结合有限元分析,通过合理控制基架的水下质量和调整水密舱的布置,可将架体水下变形控制在要求的范围内,从而确保实际整平精度与测量精度的偏差在允许的范围内。接近式料位传感系统实现了料斗总成内碎石料位高度实时监控和多点监测,可确保碎石垫层有足够的预压力。深中通道沉管隧道E32—E24管节的基础碎石整平检测数据显示,水下碎石整平系统处理的基础满足±40 mm的设计精度要求,部分管节碎石基础整平精度为±25 mm,实践成果验证了该水下碎石整平系统的可行性和可靠性。

不同管节在同一施工工艺下,仍存在一定的精度偏差,其产生的原因可能与下料速度对结构变形的影响、基槽设计坡度和是否分层铺设等因素有关,这些有待进一步研究。