仇正中，蔣賢德，王金緒，胡嘉懿

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心，湖北 武漢 430040；4.中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100120；5.廣州打撈局，廣東 廣州 510260；6.湖北文理學(xué)院，湖北 襄陽 441053）

0 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，跨海越江隧道工程項(xiàng)目不斷增多，沉管隧道以其地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)、兩岸接線短、交通聯(lián)系功能強(qiáng)、工期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在城市水下隧道工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。管節(jié)浮運(yùn)是沉管隧道建設(shè)中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)[1]。

沉管隧道常用的浮運(yùn)方案有拖輪浮運(yùn)、拖輪拖動(dòng)移動(dòng)干塢、絞車拖運(yùn)與拖輪頂推、岸控絞車和駁船絞車拖運(yùn)等。潘永仁等[2]介紹了上海外環(huán)沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)工藝，采用拖輪浮運(yùn)，并采取浮筒助浮措施；彭紅霞等[3]探討了移動(dòng)干塢法進(jìn)行管節(jié)預(yù)制的侖頭-生物島沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)工藝，采用“拖運(yùn)半潛駁+定錨絞車牽引”相結(jié)合方案；吳峰[4]介紹了軸線干塢法進(jìn)行管節(jié)預(yù)制的天津海河沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)工藝，采用“錨塊系泊+岸控牽引”的方式進(jìn)行；宿發(fā)強(qiáng)[5]介紹了港珠澳大橋沉管隧道管節(jié)浮運(yùn)特點(diǎn)，采用大馬力全回轉(zhuǎn)拖輪作業(yè)。基于大型沉管浮運(yùn)方案的調(diào)研，除軸線干塢法外，管節(jié)一般采用拖輪浮運(yùn)方案；軸線干塢法預(yù)制的管節(jié)沿隧道軸線浮運(yùn)，一般運(yùn)距較短，采用岸控絞車即可進(jìn)行浮運(yùn)作業(yè)。

襄陽東西軸線沉管隧道項(xiàng)目采用雙軸線干塢方案，管節(jié)最大浮運(yùn)距離（東汊）接近700 m，超出了岸控絞車使用范圍；江面最窄處（西汊）僅280 m，拖輪布置困難，且浮運(yùn)距離短采用拖輪方案經(jīng)濟(jì)性差。本工程提出了“鋼管樁系泊+管面絞車絞移”相結(jié)合方案，完成了軸線干塢法預(yù)制管節(jié)長距離絞移至設(shè)計(jì)位置。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

襄陽市東西軸線道路工程魚梁洲段項(xiàng)目主線全長5.4 km，其中沉管段長1 011 m，見圖1。項(xiàng)目兩次通過漢江，東汊沉管段660 m，設(shè)置6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)E1—E6（4×120.5 m+2×86.5 m）和1個(gè)5 m短管節(jié)；西汊沉管段長351 m，設(shè)置4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)W1—W4（4×86.5 m）和1個(gè)5 m短管節(jié)，短管節(jié)在塢內(nèi)與標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)相連，管節(jié)結(jié)構(gòu)寬31.2 m，高9.2 m，管節(jié)浮運(yùn)干舷20 cm。

圖1 項(xiàng)目地理位置圖Fig.1 Project location

1.2 水文氣象條件

襄陽東西軸線沉管隧道位于漢江西汊和東汊，補(bǔ)充水系主要為漢江及漢江支流小清河、唐白河、浩然河。自崔家營水庫建成后，工程區(qū)域江面徑流平緩，常年流速小于0.3 m/s，汛期小于0.8 m/s。2018年6月漢江首次實(shí)行中下游梯級聯(lián)合生態(tài)調(diào)度[6]，生態(tài)調(diào)度時(shí)期流速小于1.0 m/s。水庫常年蓄水水位62.73 m，最低水位62.23 m。工程河段航道等級Ⅲ級，施工船舶可以選用1 000噸級一頂四駁船隊(duì)，船隊(duì)尺度為167 m（長）×21.6 m（寬）×2.0 m（深）。

襄陽風(fēng)向除5～8月以南風(fēng)及東風(fēng)為主外，其余多為北風(fēng)及西至西北風(fēng)。大風(fēng)一般隨寒潮或暴雨而來，約8級左右，最大風(fēng)速19～20 m/s，相應(yīng)其風(fēng)向多是北風(fēng)或西北風(fēng)。

2 浮運(yùn)關(guān)鍵參數(shù)

2.1 水流力計(jì)算

根據(jù)水文氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，項(xiàng)目浮運(yùn)安裝作業(yè)窗口確定為流速≤0.3 m/s，風(fēng)速≤6級，能見度≥1 000 m。管節(jié)浮運(yùn)過程中，最大絞移速度≤0.3 m/s。根據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[7]，水流荷載計(jì)算如下：

式中：v為設(shè)計(jì)流速，m/s；Cw為水流阻力系數(shù)，取2；ρ為水密度，t/m3；A為計(jì)算構(gòu)件在與水流垂直平面上的投影面積，m2。管節(jié)水流荷載計(jì)算見表1。

表1 管節(jié)浮運(yùn)水流荷載Table 1 Current load of tunnel elements floating

沉管在浮運(yùn)安裝過程中，漢江東、西汊進(jìn)行封航，管節(jié)安裝不受船行波影響。管節(jié)干舷較小，風(fēng)荷載較小，不予考慮。

2.2 錨樁設(shè)計(jì)

軸線干塢法管節(jié)絞移浮運(yùn)通常采用錨塊系泊，根據(jù)管節(jié)浮運(yùn)荷載，錨塊一般重150～200 t，需大型起重船安裝。襄陽東西軸線項(xiàng)目船機(jī)設(shè)備受限，大型起重船無法進(jìn)場，采用錨樁代替錨塊。

錨樁采用2根直徑1.2 m，壁厚12 mm的Q235鋼管樁，見圖2。鋼管樁布置3個(gè)吊耳，防止打樁過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，吊耳之間通過錨鏈連接，距泥面以上1 m。鋼管樁采用DZJ-120振動(dòng)錘施打，入土深度10 m。水中錨樁布置在沉管水下基槽外邊線以外20～30 m范圍內(nèi)，里程為2個(gè)管節(jié)交接處，東汊錨樁布置10處，西汊錨樁布置6處。

圖2 錨樁布置示意圖Fig.2 Anchor pile arrangement

管節(jié)浮運(yùn)過程中，纜繩受力最大工況為四纜系泊，水平角度25°，錨點(diǎn)距水面14 m，管節(jié)距離錨樁150 m。管節(jié)浮運(yùn)過程中纜繩最大受力：

沉管精調(diào)系統(tǒng)采用沉管尾端橫調(diào)纜法進(jìn)行糾偏，設(shè)計(jì)荷載為60 t，大于管節(jié)水流荷載，故錨樁設(shè)計(jì)荷載為60 t。

根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[8]，采用m法進(jìn)行水平力作用下樁的計(jì)算，樁頂可自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算樁的相對剛度值T=2.42 m，4T＜10 m，滿足彈性長樁計(jì)算理論，嵌固點(diǎn)深度t=2T=4.84 m，最大應(yīng)力σ=M/Wz=153.8 MPa<215 MPa，錨樁應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3 管節(jié)浮運(yùn)工藝

3.1 管節(jié)出塢方式

以東汊干塢為例，在塢內(nèi)注水工作之前，將管段臨時(shí)系泊纜帶至塢頂?shù)劐^，收緊系泊纜，防止塢內(nèi)注水管段起浮后發(fā)生移位損傷管段。干塢注水前，在E6管面布置8臺15 t絞車，絞車布置如圖3所示。待E6管節(jié)安裝完成后，起重船進(jìn)塢，將E6管面拆除出的絞車安裝至E5管節(jié)，以此循環(huán)。

圖3 管面絞車布置Fig.3 Winch layout on tunnel elements

管節(jié)起浮準(zhǔn)備工作完成，塢門拆除，解除E6管節(jié)臨時(shí)系泊纜，更換為絞移纜。塢內(nèi)調(diào)試完成后，選擇能見度良好、水流小于0.3 m/s的窗口期進(jìn)行E6沉管出塢施工。

管節(jié)通過管面絞車絞移出塢，管首出塢后，進(jìn)行纜系轉(zhuǎn)換，確保管節(jié)正常出塢，見圖4。

圖4 管節(jié)出塢纜系轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Winding rope conversion of tunnel elements undocking

3.2 管節(jié)浮運(yùn)方案

沉管出塢后，沉管尾部絞車鋼絲繩更換至塢口岸上錨樁，沉管浮運(yùn)工序如下：

1）E6管節(jié)出塢帶纜，管面絞車與纜繩相連，纜繩L1、L2、L7、L8分別提供管節(jié)前進(jìn)、后退方向動(dòng)力，L3、L4控制管節(jié)管首橫向偏移，L5、L6控制管節(jié)管尾橫向偏移。

2）E6管節(jié)絞移前進(jìn)，絞移至纜繩L1、L2提供的動(dòng)力相對較小時(shí)，進(jìn)行纜系轉(zhuǎn)換，將纜繩L3、L4從S2、S7錨樁轉(zhuǎn)換至S4、S9錨樁，纜繩L7、L8從岸上錨樁轉(zhuǎn)換至S2、S7錨樁。此時(shí)，纜繩L3、L4、L5、L6分別提供管節(jié)前進(jìn)、后退方向動(dòng)力，L1、L2控制管節(jié)管首橫向偏移，L7、L8控制管節(jié)管尾橫向偏移。

3）管節(jié)出塢后，不同管節(jié)根據(jù)浮運(yùn)距離不同進(jìn)行2～5次換纜，絞移至待安裝區(qū)進(jìn)行二次舾裝，完成管節(jié)安裝工作。沉管絞移過程見圖5。

圖5 沉管絞移浮運(yùn)示意圖Fig.5 Floating diagram of immersed tunnel elements

3.3 工期優(yōu)化

相比于旁建干塢法、工廠法等方法，軸線干塢法管節(jié)預(yù)制、浮運(yùn)安裝、岸上段結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆等均需要按序施工，工期相對較長。襄陽東西軸線項(xiàng)目受征拆影響，施工工期緊；東、西汊沉管共10節(jié)，數(shù)量較多，有優(yōu)化必要。襄陽東西軸線沉管隧道采用陸上最終接頭方案，未修建專門的管節(jié)寄放區(qū)，沉管在塢內(nèi)進(jìn)行寄放，在待安裝區(qū)進(jìn)行二次舾裝。

以E6管節(jié)為例，沉管舾裝作業(yè)需在基床整平完成后進(jìn)行，占用主線工期。沉管二次舾裝內(nèi)容包括：管節(jié)水下鋼纜固定→拆除管面8臺絞車→測量A塔吊裝→沉放A、B駁拖帶→測量B塔吊裝→安裝縱、橫調(diào)纜→拆除管節(jié)水下固定鋼纜，管節(jié)二次舾裝共需4 d。管節(jié)舾裝見圖6。

圖6 沉管舾裝圖Fig.6 Outfitting of immersed tunnel elements

優(yōu)化措施：E6管節(jié)絞移至E5管節(jié)安裝位置，進(jìn)行二次舾裝作業(yè)，舾裝完成后管面重新安裝4臺絞車帶纜，此時(shí)E6管節(jié)可同時(shí)進(jìn)行基床整平作業(yè)。待E6基床整平完成后，測量塔絞車配合4臺管面絞車將E6管節(jié)絞移至待安裝區(qū)，然后拆除4臺管面絞車，重新布置縱、橫調(diào)纜，主線工期約1 d。

相比于原工序，優(yōu)化后的工藝增加了管面4臺絞車安拆作業(yè)，且沉放駁和E6管節(jié)同步絞移難度較大，但是節(jié)省了3 d主線工期。

為使沉放駁與管節(jié)同步絞移，將兩者從柔性連接變成剛性連接。具體做法：沉放駁與管節(jié)通過吊點(diǎn)相連，在吊點(diǎn)附近管面布置連接件，每個(gè)吊點(diǎn)預(yù)加約30 t的豎向預(yù)緊力，使管節(jié)與沉放駁之間形成一個(gè)整體，便于絞移作業(yè)[9]，見圖7。

圖7 沉放駁與管節(jié)連接件Fig.7 Connection between deposition barge and tunnel elements

除沉管二次舾裝外，其余工序也進(jìn)行了優(yōu)化，浮運(yùn)安裝時(shí)間見表2。

表2 單節(jié)管節(jié)浮運(yùn)安裝工期Table 2 Installation period of single tunnel element floating transportation d

表2所示，管節(jié)基床整平作業(yè)時(shí)，同時(shí)進(jìn)行沉管管頂一次舾裝及管面絞車布置；舾裝件拆除作業(yè)，將沉放駁、測量塔等拆除完成后，剩余舾裝件拆除可與下一個(gè)管節(jié)整平作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。襄陽東西軸線項(xiàng)目通過工序優(yōu)化，單個(gè)管節(jié)安裝時(shí)間控制在22 d左右，相比常規(guī)沉管安裝周期30 d節(jié)約了8 d。

4 結(jié)語

1）根據(jù)襄陽東西軸線沉管隧道船機(jī)設(shè)備受限特點(diǎn)，提出了用鋼管錨樁代替混凝土錨塊方案。根據(jù)沉管浮運(yùn)和管節(jié)安裝精調(diào)系統(tǒng)荷載，設(shè)計(jì)出了“雙鋼管樁+錨鏈連接”的錨樁方案，并經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證可行。

2）根據(jù)軸線干塢法施工特點(diǎn)，在岸控絞車基礎(chǔ)上，提出了管面8臺絞車換纜絞移出塢、浮運(yùn)方案，為類似項(xiàng)目提供了依據(jù)。

3）針對沉管二次舾裝、一次舾裝、舾裝件拆除等施工工序進(jìn)行優(yōu)化，將單個(gè)管節(jié)安裝時(shí)間控制在22 d，相比常規(guī)沉管安裝周期30 d節(jié)約了8 d。