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深中通道溜管拋石振動(dòng)夯實(shí)施工工藝及裝備研究

2021-04-27 13:54高玉林門(mén)大勇汪品王翔
中國(guó)港灣建設(shè) 2021年4期
關(guān)鍵詞:船位拋石塊石

高玉林,門(mén)大勇,汪品,王翔

(中交一航局第二工程有限公司,山東青島266071)

0 引言

深中通道沉管安裝項(xiàng)目,需進(jìn)行拋石、夯平施工作業(yè)。由于施工現(xiàn)場(chǎng)流速大,施工難度大,原拋石夯平船的拋石裝備與工藝設(shè)計(jì)[1-3]已不能滿足工程需要。

針對(duì)深中通道工程具體要求,提出了與現(xiàn)場(chǎng)條件相匹配的溜管拋石和振動(dòng)夯實(shí)裝備與工藝[4-5],研究了與其有關(guān)的詳細(xì)實(shí)施流程和核心關(guān)鍵技術(shù),并通過(guò)實(shí)際工效分析驗(yàn)證了裝備及工藝的有效性。

1 工程概況

深中通道主體工程全長(zhǎng)約24.0 km,隧道全長(zhǎng)6 845 m,其中沉管隧道全長(zhǎng)5 035 m,由32個(gè)管節(jié)組成,分2個(gè)標(biāo)段。S09標(biāo)段包括E1—E22共22個(gè)管節(jié)。基礎(chǔ)由塊石夯平層、塊石振密層和碎石振密層組成,設(shè)計(jì)總方量為25.09萬(wàn)m3,其中塊石夯平層14.74萬(wàn)m3、塊石振密層10.03萬(wàn)m3、碎石振密層0.32萬(wàn)m3。最大拋填水深為34.77 m,位于E7管節(jié)處。

2 工藝及裝備設(shè)計(jì)

2.1 拋石夯平船整體設(shè)計(jì)

拋石夯平船設(shè)計(jì)[6-7]包括母船船體、振動(dòng)結(jié)構(gòu)模塊、軌道結(jié)構(gòu)模塊、臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)模塊4個(gè)主要部分。母船左舷可提供51 m甲板長(zhǎng)度,用于布置溜管拋石系統(tǒng);右舷可提供34 m甲板長(zhǎng)度,用于布置振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)。甲板中部設(shè)置集裝箱式控制室,用于溜管拋石系統(tǒng)和振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)的施工測(cè)控,見(jiàn)圖1。

圖1 拋石夯平船總體平面布置圖Fig.1 General layout plan of riprap ramming ship

2.2 溜管拋石系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)深中通道項(xiàng)目施工特點(diǎn),對(duì)溜管直徑、拋石工藝、漏斗結(jié)構(gòu)和固定靠船墩提出了新的設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 溜管設(shè)計(jì)方案

溜管裝置設(shè)計(jì)為三節(jié)管,大管套小管,第一節(jié)管直徑1 500 mm,其余兩節(jié)直徑逐漸遞增,3節(jié)溜管完全伸開(kāi)長(zhǎng)度可達(dá)30 m,滿足水深32 m施工要求。同時(shí)與同類(lèi)設(shè)計(jì)方案相比,本方案增大了溜管內(nèi)徑,能夠有效防止堵管,提高了拋石作業(yè)效率。

2.2.2 溜管拋石工藝設(shè)計(jì)方案

拋石施工時(shí),采用2 000 m3平板駁靠拋石夯平船左舷供料,平板駁配2 m3挖掘機(jī)直接向漏斗喂料,避免了石料二次倒駁。供料過(guò)程如圖2所示。漏斗距主甲板面高度為3.8 m,經(jīng)計(jì)算平板駁滿載、空載兩種狀態(tài),挖掘機(jī)所需最大卸料高度為5.5 m,最大卸料作業(yè)半徑6.5 m,2 m3挖掘機(jī)最大卸料高度7 m,卸料作業(yè)半徑7.5 m,滿足作業(yè)需要。

圖2 供料示意圖Fig.2 Diagram of feeding

2.2.3 溜管拋石漏斗設(shè)計(jì)方案

溜管拋石漏斗設(shè)計(jì)的主要原則是降低投料高度、連接過(guò)渡順暢、方便挖掘機(jī)喂料作業(yè),漏口范圍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為上方下圓的臺(tái)式結(jié)構(gòu)。

2.2.4 固定靠船墩設(shè)計(jì)方案

在母船左舷溜管拋石作業(yè)范圍,設(shè)置2個(gè)固定式鋼結(jié)構(gòu)靠船墩,以滿足石料船靠駁要求,如圖3所示??看諡殡p體箱式結(jié)構(gòu),兩個(gè)箱體之間通過(guò)4個(gè)圓柱連接。該設(shè)計(jì)在保證強(qiáng)度的前提下,與常規(guī)設(shè)計(jì)方案相比減小了結(jié)構(gòu)重量。

圖3 固定式靠船墩結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural drawing of fixed berthing pier

2.3 振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖4所示為振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)。為了克服振動(dòng)夯平小車(chē)在作業(yè)時(shí),由于吊重減輕,配重塊造成小車(chē)后仰,小車(chē)在振動(dòng)下存在的抖動(dòng)問(wèn)題,提出以下解決方法:

1)采用配重計(jì)算方法,有效減少了配重,降低了甲板荷載。

2)對(duì)軌道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),由內(nèi)向C形(“[]”形)改為外向C形(“][”形),采用外向C形軌道,在同樣的空間條件下,增大了穩(wěn)定力矩,節(jié)約了甲板空間,使甲板2臺(tái)克令吊得以保留,為施工和維修保養(yǎng)工作提供了便利。

圖4 振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)Fig.4 Vibratory tamping system

3 工程應(yīng)用

拋石夯平裝備及工藝應(yīng)用于深中通道工程,從工程實(shí)際使用效果看,拋石夯平裝備及工藝的施工精度符合工程需求。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的拋石夯平船,石料船可直接靠在溜管拋石側(cè),通過(guò)絞移石料船靠駁纜繩即可解決喂料問(wèn)題,避免了挖機(jī)倒運(yùn)石料,提高了施工效率,減少了設(shè)備投入。

3.1 溜管拋石施工工藝

溜管拋石施工工藝的主要流程如圖5所示,拋石施工工藝包括船舶駐位、下放溜管、倒運(yùn)塊石、拋填塊石以及過(guò)程控制[8-9]。

圖5 溜管拋石施工流程圖Fig.5 Flow chart of chute riprap construction

1)施工準(zhǔn)備

基槽精挖后,塊石拋填施工前3 d需對(duì)槽底的回淤厚度進(jìn)行檢測(cè),多波束水深監(jiān)測(cè)每10 m一個(gè)斷面,多波束測(cè)量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí),進(jìn)行潛水探摸檢查。當(dāng)基槽底重度大于12.6 kN/m3的回淤沉積物厚度大于0.2 m時(shí)應(yīng)進(jìn)行清淤,確定回淤厚度及重度滿足設(shè)計(jì)要求后,方能進(jìn)行塊石拋填施工。

2)船舶定位

拋石夯平船橫跨基槽駐位,石料船靠拋石夯平船左側(cè),在施工管理系統(tǒng)的指導(dǎo)下,軸向通過(guò)移船、橫向通過(guò)臺(tái)車(chē)在軌道上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量拋石與定位振密。

3)塊石拋填

根據(jù)施工區(qū)域特點(diǎn)和典型施工總結(jié)繪制拋石網(wǎng)格圖,拋石采用矩形網(wǎng)格法,網(wǎng)格間距為2.5 m(圖1)。塊石振密船在測(cè)控系統(tǒng)指導(dǎo)下根據(jù)拋石網(wǎng)格圖進(jìn)行精確定位。

運(yùn)輸石料的石料船靠塊石振密船安裝拋石溜管的一側(cè)。溜管臺(tái)車(chē)精確定位后,根據(jù)拋石頂標(biāo)高控制溜管下落距離,溜管設(shè)置完以后,計(jì)算每個(gè)點(diǎn)位的拋石量,開(kāi)始通過(guò)石料船上的挖掘機(jī)向溜管料斗喂料。

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)水下塊石頂面標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)計(jì)算的拋石量和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)拋石施工。一個(gè)點(diǎn)位拋填完,拋石溜管小車(chē)在軌道上移動(dòng)至下一個(gè)點(diǎn)位拋填,拋填完一個(gè)船位后,移船進(jìn)行下一個(gè)船位的拋填。

4)塊石拋填標(biāo)高控制

塊石拋填過(guò)程中,測(cè)控管理系統(tǒng)根據(jù)絞車(chē)的出繩長(zhǎng)度可以反算出溜管底口高程,利用溜管底部安裝的高度計(jì)對(duì)水下拋填塊石頂面標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),根據(jù)顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行比較,達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行下一點(diǎn)位的拋填。

3.2 振動(dòng)夯實(shí)施工工藝

塊石振密船舶定位方式與塊石拋填船舶定位一致,塊石振密施工時(shí)利用測(cè)控定位系統(tǒng)將塊石振密船精確定位到指定拋石位置,嚴(yán)格按照前期規(guī)劃的振密軌跡進(jìn)行振密施工。

3.3 施工質(zhì)量

使用配置多波束系統(tǒng)的測(cè)量船進(jìn)行水下測(cè)量,統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果可以看出,拋石夯平裝備及工藝的施工精度高達(dá)依30 cm。

4 工效分析

4.1 溜管拋石工效分析

溜管拋石石料規(guī)格為10~30 cm塊石、10~100 kg塊石,采用2臺(tái)2 m3斗容的挖掘機(jī)配合2套拋石溜管進(jìn)行施工。施工效率為1 800 m3/d;單個(gè)沉管的拋石量為15 098 m3(平均值),所需時(shí)間為8.39 d。

4.2 振動(dòng)夯實(shí)工效分析

夯板尺寸5 m伊4 m,船位搭接0.5 m,錘位搭接0.5 m,單個(gè)船位夯平長(zhǎng)度為26 m,完成1個(gè)船位共計(jì)需要6個(gè)錘位。1個(gè)船位有效夯平面積為91 m2。根據(jù)提升絞車(chē)22.2 m/min,滑輪4倍率速度,提升速度為5.55 m/min;水平移動(dòng)絞車(chē)速度為3 m/min,由此,計(jì)算單個(gè)錘位工作時(shí)間為2.4 min(從落錘至移動(dòng)到下一個(gè)錘位,落錘時(shí)間為22 s,振動(dòng)密實(shí)時(shí)間為40 s,提錘為22 s,移動(dòng)錘位時(shí)間為50 s,考慮其他時(shí)間10 s),完成1個(gè)船位時(shí)間為14.4 min(所用時(shí)間小于1個(gè)船位拋石用時(shí)間),移動(dòng)船位時(shí)間為5 min;每個(gè)船位綜合時(shí)間為20 min。

單個(gè)沉管夯平面積為8 580 m2,完成1個(gè)沉管需要96個(gè)船位,所需時(shí)間為1.33 d。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)深中通道的工程特點(diǎn),提出了適配的溜管拋石和振動(dòng)夯實(shí)工藝,避免了兩工序相互干擾,減少了各類(lèi)型施工船舶交叉作業(yè)產(chǎn)生的安全風(fēng)險(xiǎn),提高了施工的效率。主要有以下創(chuàng)新點(diǎn):

1)拋石側(cè)增加靠船墩結(jié)構(gòu),石料船直接靠泊投料拋石,節(jié)約了甲板空間,同時(shí)避免石料二次倒駁,提高了施工效率。

2)將溜管拋石系統(tǒng)與振動(dòng)夯實(shí)系統(tǒng)分別安裝在母船兩舷,避免兩工序相互干擾,提高設(shè)備利用率,并具備拋石與振動(dòng)夯實(shí)同時(shí)施工的能力。

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