沉管法隧道管段浮运施工工艺

摘要：广州洲头咀隧道E3与E4管段浮运-转体-浮运-寄放施工，是在全程500m的过程中不使用拖轮，而采用在工程船舶定位后布置卷扬机及牵引点，地锚定位后布置卷扬机及牵引点，用钢缆绞拖牵引管段方式。牵引浮运过程中，管段还必须在主航道的位置定点进行一次90°转体，确保管段在水域河道狭窄的范围内顺利浮运转体。本文介绍了广州洲头咀隧道E3与E4管段浮运前及浮运到寄放位置过程中的施工工艺。

关键词：沉管法；浮运；工程船；地锚；转体；牵引

中图分类号：TV52 文献标识码：A

On the construction of immersed tunnel tube floating transport

MENG Minqiang

( Guangzhou Salvage Bureau of tunnel, Guangzhou 510260 )

Abstract: Guangzhou Zhoutouzui tunnel E3 and E4 pipe floating - twist - floating - park construction is not used in the whole process of 500 tugs in the m, but the location of engineering ship layout winch and traction, traction and post layout to anchor winch, cable winch towing pipe section, traction floating process pipe must also be in the main channel of the position of a 90 degree rotation. Ensure that the pipe in the waters of the river narrow range smooth swiveling, this paper will describe the Zhoutouzui tunnel E3 and E4 pipe floating and floating to the construction process with position in the process of.

Key words:immersed tube method, floating, engineering ships, anchor, swivel, traction

1前言

广州洲头咀隧道E3与E4管段预制完成后，需等待西岸暗埋段施工完成才能进行沉放安装，故管段在出坞后需拖往系泊区进行临时寄放。管段外型尺寸为：E3管段长×宽×高=83 m×31.4 m×9.68 m；E4管段长×宽×高=85 m×37.82 m～31.4 m（渐变段）×9.68 m。管段浮运-转体-浮运-寄放施工，是在全程500 m的过程中不使用拖轮，而采用在工程船舶定位后布置卷扬机及牵引点，地锚定位后布置卷扬机及牵引点，用钢缆绞拖牵引管段方式。绞拖工程船舶使用的锚缆为Φ38 mm～42 mm钢丝缆，管段浮运过程中的牵引缆为Φ28 mm钢丝缆。管段在牵引浮运过程中需要在主航道的位置定点旋转90o后再浮运进入系泊区。管段浮运到位后即用Φ48 mm钢缆折双对管节进行系泊锚固，管内压载水箱按设计要求1.05抗浮系数加压载水后座底寄放。寄放区碎石面标高-5 m，浮运航道底标高-5 m。

2施工流程、工艺及有关校核

2.1施工流程

管段浮运前必须完成的工作有：寄放区碎石铺垫；管内抽排系统安装；地锚设计制作；浮运范围硬式扫床；工程船布置；绞车（卷扬机）布置；牵引点布置；浮运管段前端重力锚块安装等。管段浮运、寄放施工流程，见图1。

图1管段浮运寄放施工流程图

2.2施工工艺

2.2.1硬扫床

采用硬质器材按设计要求的深度放入水下并固定在检测船上，检测船在测区内对浮运航道水深进行硬扫床，保证基床标高大于-5.0 m。

2.2.2岸上地锚及卷扬机布置

（1）在干坞的两侧布置12个（P1～P12）150 kN地锚牵引点、二台80 kN卷扬机、四台120 kN卷扬机；

（2）在芳村岸侧布置4个（A1～A4）150 kN地锚牵引点、二台150 kN卷扬机。

地锚尺寸为L×B×H =2.5 m×1.6 m×1.7 m，地锚坑长度方向与堤岸线（坞内边线）平行。岸上地锚及卷扬机布置，见图2。

2.2.3水面工程船舶及牵引点布置

水面5艘工程船舶、2艘方驳及1～10号牵引点布置，见图2。

图2管段浮运、转体布置图

2.2.4重力锚块安装

管段浮运到系泊区前，安装寄放管节西北侧的1500kN系固重力锚块；管段到达系泊区后，再安装寄放管节东南侧的1 500 kN系固重力锚块。重力锚块在水下重量为87 t，4个（J1、J2、J3、J4）重力锚块的具置，见图4。

2.2.5管段浮运寄放

管段浮运前的两个月对浮运现场的水流流速进行实地测量，测量选择在每月的两次水流流速相对缓慢的日子，当日测量时间段为高平潮前1.5 h至高平潮后2.5 h，共计240 min。通过实测，这240 min时间段内水流流速均小于0.3 m/s，这也是管段浮运转体的最佳时间段。

管节浮运控制指标：钢缆与管段的夹角在变化过程中均不小于40°，横倾角

管段浮运当天航道全封航，选择水流流速较缓慢的时段进行出坞浮运，各卷扬机钢缆系固于管段的缆桩上。在高平潮前，当潮水水位大于1.5 m时可将管段移到坞口等待。当潮高1.5 m及浮运航道的底标高-5 m时水深为1.5 m+3.78 m+5 m=10.28 m，管段吃水按9.53 m计算，富余高度为0.75 m，见图3。

图3 管段浮运纵断面布置图

当水流流速满足浮运要求时可进行管段浮运出坞，沿隧道安装轴线缓慢绞拖移动管段，管段中心浮运到里程K1+521并向西北方向平行浮运35 m后可进行管段的旋转作业，管段旋转中心为离隧道轴线北侧35m的一条平行线与K1+521的交点，管段顺时针旋转90°，逆时针走缆，此时为高平潮。管段浮运旋转布置，见图2。

当管段纵轴线旋转至与隧道安装轴线基本垂直时，按管段的寄放轴线继续拖移管段进入系泊区，此时为退潮，这过程要求潮位大于1.5 m，水流流速不大于0.3 m/s。管段浮运到位后，在管段浮运时的前缆桩套上系泊锚缆，同时安装管段东南端的1 500 kN系固重力锚块，并在管段浮运时的后缆桩系上系泊锚缆寄放管段，管段寄放平面布置，见图4。

管内各舱压水，使管段座底于基础碎石面上，按设计要求压水至管段抗浮系数大于1.05，在管段的的四周布置警戒标语及夜光照明。

2.2.6管段监测及检查

管段浮运时定位塔上指挥系统装备应正常可靠，指挥讯号能通畅下达，终端各部位监测、测量手段齐全。管节起浮后的干舷应不小于15 cm，一般不大于25 cm。管节起浮、浮运过程中，对管节姿态进行实时监控，确保管节姿态稳定安全，并在浮运过程中定时测量水流流速。

为确保管段座底寄放稳定和安全，在管段寄放期间，实时对管段进行监测检查主要包括：管段内的砼；钢封门及下部支座、枕梁和上部牛腿；垂直千斤顶支撑杆与埋件结合部位；水箱水位。管段外部主要检查：管段、锚定块是否有漂移、起浮现象，并对管段周围回淤现象进行检查。采用在管段上设置监测点，用水准仪和经纬仪进行高程和位移监测，同时定时检查系泊缆的磨损和完整状况。

管段寄放监测点MD1 、MD2、 MD3、 MD4为锚定块监测点；GD1、GD2、GD3、GD4、GD5、GD6为管段安全监测点。各监测点布置，见图4。

图4 管段系泊区锚固寄放图

为保证管段寄放时的安全，在管段的四角分别设置4个光闪警示灯及安全标志，以明示过往船舶提前做好避让措施，保证管段寄放的安全。

2.3施工校核

2.3.1钢缆受力校核

（1）管段浮运旋转过程中选择水流流速较小的时间段，通过实测浮运旋转阶段水流速度均不大于0.3m/s，计算选择0.3 m/s。管段旋转至与隧道轴线成45º 时，管段侧面和正面均受水流力作用，此时受力最大。

当管段纵轴平行及垂直于隧道轴线方向时, 按照《港口工程技术规范》计算，水流作用力为：

F纵= 75.2 kN

F横33.5 kN

采用牵引钢缆Φ28 mm，破断负荷409 kN，四条钢丝绳拖缆可以满足管段浮运旋转时两面迎流时最大受力为0.707×（F纵+F横）=76.85 kN，从而保证管段旋转时的安全稳定。

在水流流速0.2～0.5 m/s状态下，管段的纵、横向作用力，如表1所列。

表1水流速度对管段的作用力

（2）管段寄放时，系泊锚固缆采用Φ72 mm钢丝缆，破断负荷3 000 kN。洲头咀水域最大水流速为0.89m/s,寄放时的最大迎流面积为370 m2。迎流面最大水流力为F横= 299 kN，故系泊锚固缆满足要求。

2.3.2卷扬机牵引力校核

根据管段浮运转体时的工程船舶布置图，管段在浮运转体过程中纵向和横向共有8道钢缆系固，每道钢缆与管段的夹角在变化过程中均不小于40º，每侧的牵引力为103 kN。

每台150 kN卷扬机钢缆与管段夹角由35º～50º，牵引力的数值见表2。

表2150 kN卷扬机牵引缆与管段各角度牵引力

在水流流速为0.3 m/s作用下，两面迎流时最大水流力为76.85 kN，故卷扬机牵引力满足要求。

2.3.3地下锚块抗拉力计算

（1）地下锚块设计参数

L=2.5 m，B=1.6 m，H=1.7 m，锚块体积6.8 m3，锚块重量15.64 t，

锚块设计抗拉力150 kN。

（2）锚块的被动土压力

根据“朗金理论”计算，锚块埋设于砂土中所受到的水平被动土压力为160.82 kN。

（3）锚块与砂土面的摩擦力

取锚块与砂土面的摩擦系数0.30，则锚块与砂土面的摩擦力为46.92 kN。

（4）地下锚块的总抗拉力

锚块提供的总抗拉力为：F＝160.82 + 46.92 =207.74 kN

因此，锚块的实际抗拉力F实=207.74 kN＞锚块设计抗拉力F设=150.00 kN，故锚块设计满足使用要求。

2.3.4管段浮运时间及加压载水时间

（1）浮运时间：管段从坞口移至寄放区，距离为500 m，浮运速度为0.167 m/s，则需要50 min，转体需要20 min，在浮运过程中钢缆的替换需30 min，到位系泊需20 min，共计需要120 min。

（2）加压载水时间：管段到达寄放区后进行系泊锚固，系泊锚固完成后按设计要求进行压水作业，管段克服干舷压水和1.05抗浮系数压水共计约为2 200 t左右，2 200 t水压入水箱需要时间约为70 min。

由此可知，管段浮运时间及加压载水时间，共计约需190 min，而整个浮运到位及压水座底寄放时间计划为240 min，故满足要求。

3应用效果

管段浮运是沉管法隧道的一个关键节点工程，通常可用拖轮进行拖运施工，但采用拖轮方法受施工水域的限制，像本文介绍的广州洲头咀隧道E3、E4管段出坞，需要经过浮运-转体-浮运-寄放这样一个过程后才能将管段系泊于离岸边不到50 m的位置，如采用拖轮浮运就很难在这狭窄水域达到管段纵横方向的平衡及管段纵横调节受力满足要求，到位的准确性也难以掌控，而且拖轮成本也高。

因此，广州洲头咀隧道E3、E4管段采用在全程500 m的浮运-转体-浮运-寄放过程中不使用拖轮，而是在工程船舶定位后布置卷扬机及牵引点，地锚定位后布置卷扬机及牵引点，用钢缆绞拖牵引管段方式，牵引浮运过程中管段在主航道的位置定点进行一次90º转体，工艺方法包含了管段在水中的浮运、转体等全方位的移动运输。由于合理的牵引点布置及受力钢缆与管段的角度均满足设计要求，因此能准确将管段送到预定位置，误差在0.5 m以内，可操作性强，既安全又可靠。

4小结

本文论述的浮运方法在沉管隧道、大型构件的浮运上应用非常广泛，广州珠江隧道、仑头隧道、大学城隧道及浙江舟山隧道等都是用此方法进行沉管的浮运施工。

选择安全的潮位是保证管节浮运安全的首要条件，同时是对设备的性能和布置必须满足要求，并在水流流速的控制范围内浮运管段。管段浮运的全程都处于动态中，因此浮运必须实施全过程的测量监控，使管节在浮运过程中不致偏离规定航线，方能确保管节在水域河道狭窄的范围内顺利浮运就位。

参考文献

[1] 港口工程技术规范(JTJ 214-87) [S].

[2] 起重吊装技术手册[S].

[4] 机械设计手册(新编软件版)[M]. 2008.

[5] 水运工程质量检验标准(JTS257-2008) [S]

[6] 土质学与土力学 [M]. 北京: 科学出版社,2005.

作者简介：孟民强（1956-），男，工程师。长期从事沉管法隧道浮运、沉放安装设计及建造工作。

收稿日期：2013-11-29