港珠澳大桥主体工程岛隧工程沉管隧道浮运安装施工.doc

港珠澳大桥主体工程岛隧工程 沉管隧道浮运安装施工简介 仅供应聘人参考 不作为选聘文件组成部分 中铁武汉大桥工程咨询监理有限公司 二 一二年十一月 目录 3 2 6 管节浮运 安装与最终接头施工 3 3 2 6 1 施工总体说明 3 3 2 6 2 管节起浮 系泊 12 3 2 6 3 管节浮运 安装 15 3 2 6 4 管内作业 19 3 2 6 5 最终接头 19 3 2 7 回填覆盖施工 21 3 2 7 1 施工设备 21 3 2 7 2 设备施工工效 21 3 2 7 3 设备配置 21 3 2 7 4 施工流程 21 3 2 7 5 岛头段回填 21 3 2 7 6 中间段回填 E4 E30 23 附图 隧道基础碎石垫层详图 24 管节结构标准断面图 管接接头布置图 钢剪力键一般构造图 管接接头防水构造图 节段接头布置图 节段接头防水构造图 管节导向装置工艺流程图 管节拉合装置工艺流程图 管节就位后馆内施工工艺及施工要求 3 2 6 管节浮运 安装与最终接头施工 3 2 6 1 施工总体说明 1 总体概况 港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道总长度为 5664m 是迄今为止规模最大的海上沉管岛隧工 程 隧址穿越伶仃西航道和规划 30 万吨油轮航道 最大水下深度达到 46m 隧道纵断面见 图 3 2 6 1 图 3 2 6 1 隧道纵断面示意图 隧道由 33 节管节组成 其中 E1 E2 E32 E33 长 112 5m E29 1 长 172m 最终接头 长 2m 其余管节长度均为 180m 隧道最终接头设置于 E29 和 E30 之间 长度为 2m 采用水 下止水板方式施工 隧道管节分段长度见表 3 2 6 1 表 3 2 6 1 管节分段参数表 描述 E1 E2 E3 E28 E29 1 最终接头 E29 2 E30 E31 E32 E33 总长 理论长度 m 112 5 180 172 2 5 175 180 112 5 5664 2 浮运线路 沉管管节在桂山 牛头岛管节预制场地预制和舾装完成后 通过出坞航道 榕树头航道 经临时航道或伶仃西航道进入隧道基槽 浮运线路见图 3 2 6 2 A C D E F B 说 明 管 节 出 运 航 路 为 A B C E或 者 A B C D F 由 航 道 转 换 决 定 航 路 距 离 约 为 12km 为 防 止 管 节 在 浮 运 期 间 遇 到 浅 点 导 致 管 节 和 设 施 的 破 坏 航 道 底 部 最 小 深 度 必 须 充 分 考 虑 船 体 下 沉 管 节 纵 摆 和 横 摆 回 淤 及 富 余 水 深 要 求 根 据 上 述 要 求 计 算 得 浮 运 阶 段 总 体 的 富 余 深 度 为 2 1m 结 合 浮 运 时 设 计 最 低 潮 位 和 管 节 吃 水 深 度 得 到 浮 运 阶 段 航 道 最 小 深 度 要 求 为 14 08m 最 小 航 道 宽 度 为 160m 图 3 2 6 2 管节浮运线路图 3 工程特点 沉管段隧道作为岛隧工程最为关键部分 对整个工程的影响巨大 管节浮运 安装和最 终接头的施工主要特点见表 3 2 6 2 表 3 2 6 2 浮运 安装主要特点 工程特点 特 点 分 析 水文气象条件复杂 施工区域气候复杂多变 受热带气旋 短时雷暴等恶劣天气影响较大 管节的 浮运安装 需要经历多个台风季节 施工水域水流受人工岛和基槽施工的影响 流态复杂 施工作业环境差 环保要求高 岛隧工程施工区航道交叉 属于航道运输最繁忙水域之一 也是水上交通安全 事故频发的敏感区域 施工区域处于白海豚保护区 环境保护要求高 管节浮运安装 技术难点多 管节浮运 安装环境复杂 作业气象窗口分析和预报 复杂水流和航运条件下 的管节浮运 深水条件水下测量定位 管节安装及定位调整 管节安装轴线精 度控制等都具有一定的难度 施工工期 具有挑战性 与国内外类似工程相比较 本工程沉管段隧道的总体工期十分紧迫 全部 33 节 管节需要在 3 年左右的时间内安装安装完成 具有很大的挑战性 4 沉管段隧道施工总体流程 管节浮运 安装施工直接影响项目总体工期 其施工为工程的主线 沉管预制厂建设 管节预制 基槽开挖 碎石基床整平等为工程的副线 施 工 准 备西 岛 岛 隧结 合 部 施 工 西 岛 岛 隧 结 合 部移 交 沉 放 施 工E1 0依 次浮 运 沉 放 E1 4依 次浮 运 沉 放E3 1依 次浮 运 沉 放 E28 30依 次浮 运 沉 放最 终 接 头 施 工沉 放 施 工 完 成E15 27依 次浮 运 沉 放 干 坞 建 造 管 节 E1 0分 批 制 作 E1 0依 次 检漏 出 坞 及 系 泊管 节 E1 4分 批 制 作 E1 4依 次 检漏 出 坞 及 系 泊 管 节 E3 1分 批 制 作 E3 1依 次 检漏 出 坞 及 系 泊管 节 E28 30制 作 E28 30检 漏 出坞 及 系 泊止 水 钢 板 制 作管 节 E15 27分 批 制 作 E15 27依 次 检漏 出 坞 及 系 泊 东 岛 换 填 砂东 岛 岛 隧结 合 部 施 工东 岛 岛 隧 结 合 部移 交 沉 放 施 工 E1 3基 槽开 挖 及 清 淤E31 3基 槽开 挖 及 清 淤 E1 30基 槽开 挖 及 清 淤临 时 航 道 开 挖E1 0基 础 处 理E1 4基 础 处 理E15 27基 础 处 理E28 3基 础 处 理 E4 10基 槽开 挖 及 清 淤 图 3 2 6 3 沉管段隧道总体安装流程图 5 浮运 安装总体方案 根据本工程管节浮运 安装主要特点 制定相应的总体方案 管节的浮运采用拖轮拖带的方式 结合工程水域水流特征和隧道基槽实际情况 采 用纵拖和横拖相结合的浮运方案 选用稳定性和可控性较好的双驳扛吊法进行管节安装安装 选用管节外部定位系统 进行管节的精确定位调整 选用沉管水下测量定位系统 实现水下高精度测量定位 6 施工决策程序 针对本工程的管节浮运 安装施工建立一套决策程序 对各个阶段进行执行 不执行 GO NO GO 的决策 包括从管节起浮 浮运至安装点 隧道管节系缆固定 开始安装作业等 整个过程共进行接近 11 次判定 具体决策流程见图 3 2 6 4 7 浮运 安装流程 管节浮运 安装流程见图 3 2 6 5 单个管节浮运 安装工效分析见图 3 2 6 6 管节浮运安装的关键线路工期约为 18 天 图 3 2 6 6 管节浮运 安装工效分析图 一次舾装 管节检漏 管节出坞 管节系泊 管节二次舾装 气象窗口 管节浮运到位 管节沉放对接 开启封门 管内测量 等待 封门关闭 再次对接 拆除舾装件关键锁定 管节尾部微调 管节修补 不合格 合格 满足 符合 偏差小 不满足 基槽精挖 碎石基床整平 基槽清淤 偏差大 相应管内作业 一般锁定回填 基槽粗挖 进入下一管节安装施工 或最终接头施工 图 3 2 6 5 浮运安装施工流程图 下一管节 沉放准备 碎石整平 沉放作业 锚布系统 完成 沉放舶 安装 系泊区 准备 已沉管节 被压接端 施工准备 遵守 G o N o G o 的指令 等待合适气象窗口 1 4 天内浮运和沉放 G o N o G o 的决定 解决问题 等待新的沉放时机 认可表 施工人员准备 2 4 8 h 内浮运和沉放 G o N o G o 的决定 解决问题 等待新的沉放时机 第 1 次 第 4 次 G o N o G o 标准 认可表 拖轮通知 系泊区解缆 拖轮准备 系泊区解缆 施工人员待命 3 2 4 h 内浮运和沉放 G o N o G o 的决定 解决问题 等待新的沉放时机 认可表 拖轮通知 系泊区解缆 拖轮准备 系泊区解缆 施工人员待命 4 浮运和沉放 G o N o G o 的决定 解决问题 等待新的沉放时机 认可表 浮运和沉放 浮运至沉 放点 6 G o N o G o 连接锚缆 解决问题 返回系泊区 第 6 次 G o N o G o 标准 连接锚缆 定位管节 沉放点的 沉放准备 7 G o N o G o 管节下沉 解决问题 返回系泊区 第 7 次 G o N o G o 标准 沉放管节 至导向杆 在接收装 置上方 8 G o N o G o 导向杆放入接收装 置 解决问题 升起管节 返回系泊区 第 8 次 G o N o G o 标准 将管节放 于碎石基 床上 9 G o N o G o 位置调整 解决问题 升起管节 返回系泊区 第 9 次 G o N o G o 标准 管节位置调整 利用拉合千斤顶和 E P S 完成初次压接 1 0 G o N o G o 端封门放水 重新调整管节 第 1 0 次 G o N o G o 标 准 水力压接 1 1 隧道内测量 重新调整管节 认可表 管节就位 锚缆解除 起锚 沉放舶运 回系泊区 拆除管顶 舾装件 放锚 沉放舶 安装 系泊区沉 放准备 锁定回填 一般回填 G o N o G o G o N o G o G o G o N o G o N o G o 拖运到系泊区 G o N o G o G o N o G o G o N o G o G o N o G o G o O K N o G o N o t O K 作业实施前倒计时准备 第 1 1 次 G o N o G o 标准 注入 6 超 载压重水 进入管节 转向区 5 G o N o G o 是否转向 解决问题 返回系泊区 第 5 次 G o N o G o 标准 G o N o G o 说明 每次决策判断时都必须仔细检查如下三方面内容 综合判断是否可以执行下一阶段操作 前道工序是否符合质量标准 作业气象窗口是否满足条件 施工作业是否准备就绪 图 3 2 6 4 浮运安装决策流程图 8 作业气象窗口分析和预报 作业气象窗口分析 A 作业气象窗口要求 作业气象窗口是指一个连续的时间段 在此期间水文气象条件满足浮运 安装施工要求 管节浮运 安装周期中部分工序对作业水文气象有严格要求 对工序进行全面分析 确定作 业气象窗口选定的基本要求 管节浮运 安装作业周期见表 3 2 6 4 其中对气象条件有严 格要求的作业窗口期为 36 小时 表 3 2 6 4 管节浮运 安装周期表 施工阶段 作业内容 作业时间 h 时间汇总 h 航道内浮运 从系泊区浮运至沉管基槽内调头点 4 基槽内转向浮运 基槽内管节转向浮运至安装锚泊点 1 5浮运阶段 管节锚泊 管节由拖轮控制转换为锚缆控制 2 7 5 安装等待 管节锚泊等待安装条件 6 12 安装实施 管节安装安装及定位调整 10 16 22 36h 气象 窗口 舾装件拆除 管节顶部舾装件拆除 72 安装 阶段 重点锁定回填 管节两侧重点锁定回填作业 72 144 B 施工水域水文气象资料 前期业主委托中国科学院南海海洋研究所和华南理工大学进行了现场波浪观测 2007 年 4 月 1 日 2008 年 3 月 31 日施工水域水文气象观测 2008 年 6 月 2008 年 10 月台风季的现场波浪 潮位及水流观测 2008 年 7 月 2008 年 9 月万山群岛外侧的同步对比观测 测点布置见图 3 2 6 7 B塔 20m高 澳 门 友 谊 大 桥 观 测 点 A塔 60m高 万 山 观 测 点 A塔 马 友 石 观 测 点 图 3 2 6 7 测点布置示意图 C 作业限制条件 根据现场实测以及相关资料的分析 管节浮运安装不同工序 不同作业内容的相关限制 条件见表 3 2 6 5 表 3 2 6 5 水文气象限制条件表 作业阶段和内容 流速 cm s 波高 Hs cm 波浪频率 s 风速 级 能见度 m 一般浮运 1 5 0 8 6s 6 1000浮运 基槽内纵拖 0 5 0 8 6s 6 1000 安装等待 1 5 0 8 6s 6 1000安装 安装实施 0 8 0 8 6s 6 1000 潜水作业 0 6 0 8 6s 6 1000 D 作业气象窗口保证度分析 施工水域为不规则半日潮 每天均有 4 个低流速时段 可作为对水流速度限制要求较高 的安装及潜水作业窗口进行选择 此外施工区域风速 能见度情况良好 作业气象窗口保证 度仅对安装等待期的流速和波浪条件进行分析 a 标准管节保证率分析 根据各月实测资料 每月符合安装安装条件的窗口期占每月总日历天的百分比 即作业 窗口保证率 形成保证率曲线 见图 3 2 6 8 70 97 65 52 74 19 53 33 61 29 30 00 38 71 45 16 36 67 45 16 83 33 77 42 77 42 72 41 90 32 83 33 83 87 36 67 48 39 58 06 83 33 70 97 90 32 0 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 70 00 80 00 90 00 100 00 2008 1 2008 2 2008 3 2007 4 2007 5 2008 6 2008 7 2008 8 2008 9 2008 10 2007 11 2007 12 Hs 0 8m V90 1 3m sHs 0 8m V95 1 5m s 图 3 2 6 8 波高 0 8m 作业窗口保证率曲线 选择 1 5m s 流速和 0 8m 波高作为窗口限定值时 每月最小保证率达到 36 即每月至 少有 5 个安装作业窗口期 可以实现管节连续安装 b 岛隧结合部保证率分析 岛隧结合部管节安装由于人工岛成岛挑流影响 局部流速增加 流态复杂 根据专题研 究和分析结果 人工岛岛头挑流放大系数为 1 7 按照作业实际限定流速 1 5m s 的标准 取岛头段作业气象窗口限定流速为 0 88m s 进行分析 同样得出保证率曲线 见图 3 2 6 9 保 证 率 时 间图 中 为 风 速 观 测 点 为 波 浪 观 测 点 图 中 为 风 速 观 测 点 为 波 浪 观 测 点 29 03 20 69 6 45 0 00 16 13 6 67 9 68 6 45 16 67 9 68 40 00 29 03 0 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 2008 1 2008 2 2008 3 2007 4 2007 5 2008 6 2008 7 2008 8 2008 92008 102007 112007 12 Hs 0 8m V 0 88m s 图 3 2 6 9 岛隧结合部作业气象窗口保证度曲线 选择 0 88m s 作为流速限定条件时 在每年的 11 月到次年 2 月间 有 20 以上的保证 率 即在这 4 个月内 每个月有至少 2 次安装机会 其他月份的作业窗口保证率基本在 16 以下 不宜安排安装 岛头区的管节安装在工期筹划中将安排在每年的 11 月到次年 2 月的 时段择机安装 预报系统 A 预报要求 为了能够确定是否可以进行浮运安装施工作业 需要对天气状况 波浪和水流情况进行 预测和预报 以减少施工的风险 对于预报期要求 考虑短 中 长三个阶段 见表 3 2 6 6 表 3 2 6 6 作业气象窗口预报要求 预报类型 作用 预报时间 预报内容 短期预报 安装实施决策 5 天 台风预报 流速 波浪 风力 能见度 短时强对流天气预报 中期预报 安装准备决策 10 天 台风趋势 流速 波浪 风力 能见度预测 长期预报 安装周期相关工序 协调决策 30 天 台风预报 流速 波浪 风力 能见度 短时强对流天气预报 B 预报系统建立 预报系统可以提前预报水文气象条件 施工决策可以根据预报选择合适的施工时机 预 报系统有助于减少不必要的施工队伍的组织和调动 从而合理利用各种资源 预报系统分三 阶段建立 见图 3 2 6 10 C 预报实施 投标阶段我们已经委托国家权威部门建立气象预报保障系统 结合专业单位长期观测数 据 预报模型和丰富的预报经验 进行资料分析和气象窗口预报 开展现场测点布置 收集 施工区域小范围详细数据 对预报模型进行修正 确保预报的准确和及时 高分辨率地形资料 全球分析资料 模式预处理模块 W P S 客观分析模块 O B S G R I D 观测资料 W R F 主模块 后处理 精细化嵌套 N D O W N 风场数据水下地形 外海边界条件 和河口来流 水流模型搭建 历史数据收集与分析 现场区域气象 水流 波浪测点设置 实时数 据传输平台搭建 汇总 历史数据 气象数据 波浪数据 水流数据 数据库 分析整理 数据采集 汇总分析 风场模型的搭 建和标定 波浪场模型的 搭建和标定 水流场模型的 搭建和标定 波浪和海流 观测数据 文档管理系统 数据库 气象模型 发布 水流数学模型 波浪数学模型 气象数学模型 原始数据 原始数据 分析处理 收集 预报系统试运行 施工期的日常业务化 预报 第 一 阶 段 准 备 阶 段 第 二 阶 段 模 型 搭 建 和 标 定 第 三 阶 段 预 报 阶 段 潮汐流和风暴 潮场模型的搭 建和标定 图 3 2 6 10 预报系统示意图 时 间 保 证 率 9 模型试验及受力计算分析 模型试验 管节在系泊 浮运和安装过程中会受到波浪和水流的影响 这些因素会对管节的系泊 浮运和安装产生影响 在方案设计时必须考虑到这些影响 因此要对各种环境条件的管节浮 运 安装开展模型试验 水力 数值模型试验 联合体委托专业单位开展了相关研究并取得 了初步成果 将在结合隧道的深化设计方案开展进一步的专题研究和相关试验 A 试验设计 作为在隧道管节和安装设施上的专业试验 主要试验步骤有以下几步 确定试验波浪和 水流条件 模型实验 根据试验结果选择设计值 a 确定波浪和水流条件 根据管节安装不同工序 起浮 系泊 浮运等 确定不同的波 浪和水流条件 条件界限选择应当适当放宽 以便于得出一个较大安全系数的数值用以挑选 合适的设计值 b 模型实验 模拟实验通过水力实验和与之结合的数学模型来完成 水力实验结果将 作为标定数学模型的输入条件 对隧道管节起浮 系泊 浮运和安装过程的每一阶段进行水 力缩尺模型实验 通过模型试验得到管节浮运 安装相关参数 c 设计值的选择 根据波浪和水流环境 从模拟实验结果确定合适的气象窗口 进而 可以确定相关参数的设计值 这些设计值将成为方案设计的重要参数 B 起浮 系泊 浮运和安装过程中的相关试验项目 a 系泊 在系泊阶段 波浪会影响隧道管节中的弯矩和系泊线缆的受力 按照系泊区 发生的波浪和水流展开试验 b 浮运 在管节浮运中 应对波浪和水流对管节受力的影响及拖航阻力进行试验研究 c 安装 在安装过程中 波浪和水流会影响隧道管节的安装和相关设施的稳定 应通 过模型试验来确定线缆的受力 在安装模型试验过程中要详细研究两种情况 第一 隧道管 节刚好位于水面以下 风浪和水流在系泊和收缩线缆中产生的力最大 第二 隧道管节下沉 靠近碎石基础时 隧道管节在碰触倒碎石基础之前是管节受到限制最大的时候 d 管节着床 管节安装在碎石基础上面 安装临时设施拆除后 隧道管节仍然受到波 浪和水流力的影响 该阶段的试验分析中 要分析管节在安装到碎石基床上以后的稳定性 浮运和安装阶段受力计算分析 根据模型试验及受力计算分析相关数据 通过阻力公式计算管节在浮运和安装阶段受力 并进行分析 见表 3 2 6 7 阻力计算公式 R 1 2Cw AV2 其中 Cw 为总阻力系数 根据专题研究和相关规范取值 为水容重 取最大 1 0265t m3 A 为迎流面积 单位 m2 在本工程中标准段管节横向迎水面积为 2016m2 岛头段短管节 横向迎水面 1008m2 纵向迎水面积 425m2 单个浮箱纵向迎水面积 48 6m2 横向迎水面积 97 2m2 V 为流速 单位 m s 表 3 2 6 7 标准段管节浮运阻力计算表 管节阻力 kN 浮驳阻力 kN 总阻力 kN 工况 水流速度 m s 浮运速度 m s 浮运 方向 纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向 1 0 1 5 0 565 62 627 2 1 5 0 5 180 2261 247 1115 3 1 5 0 5 90 565 286 61 626 286 4 0 5 1 0 90 251 286 27 278 286 5 0 7 1 0 90 251 561 27 278 561 说明 1 工况 1 管节沿航道纵向拖运 工况 2 管节沿航道逆流纵向拖运 工况 3 管节在基槽内横 向拖运 工况 4 和 5 管节侯潮调头在基槽内纵向拖运 2 浮运时取 Cw 1 1 港口工程 技术规范 12 0 1 公式 根据上表计算分析 管节在浮运过程中 拖运宜选择顺流或平流阶段进行拖运 若需要 逆流拖运 拖运航速宜限定在 1 节左右 以控制拖运阻力 表 3 2 6 8 标准段管节安装等待受力计算表 工况 水流速度 m s 阻力系数 Cw 基槽流速折减系数 管节阻力 kN 浮驳阻力 kN 1 1 5 2 0 85 3519 168 2 1 5 1 5 0 85 2639 126 表 3 2 6 9 岛隧结合部管节安装等待受力计算表 工况 水流速度 m s 岛头效应 系数 基槽流速折减系数 阻力系数 Cw 管节阻力 kN 浮驳阻力 kN 1 0 88 1 7 0 6 2 32 1957 94 2 0 88 1 7 0 6 2 32 979 94 说明 1 工况 1 180m 管节安装等待 工况 2 岛头段短管节安装等待 10 安装系统 针对本工程特点 选用了新型安装系统 该系统包括安装驳系统 体外定位系统和锚碇 系统 能够实现如下功能 将隧道管节精确安装至指定深度 管节对接时 精确控制安装管节的位移 安装过程中抵抗波浪和水流作用在管节上的力 提供安装过程所需所有设备和人员的临时水上作业场所 适应本工程软土地质条件 锚力大 安装回收方便的垂直加载锚系统 安装驳系统 为了承担在安装过程中隧道管节所需的负浮力 本工程中使用 2 个双体船安装驳 这 2 个安装驳系统将安装在管节两端 通过吊索与管节相连 如图 3 2 6 11 所示 图 3 2 6 11 安装驳示意图 A 安装驳设计 安装驳为双体船式结构 由两侧安装驳和顶部横梁 3 个部分组成 双体船安装驳自重和 管节安装所需的负浮力由两侧的浮箱共同承担 这两个浮箱由横跨管节的横梁相连接 横梁 上设置工作平台 安装绞车和滑轮模组 控制管节安装的缆索作业 B 缆索及绞车 双体船安装驳系统在安装过程中通过安装缆索来控制管节位移 如图 3 2 6 12 所示 这些缆索分为以下几种类型 吊索缆索 A 控制管节竖向位移 收缩缆索和纵向缆索 B 控制管节水平位移 系泊缆索 C 控制安装驳水平位移 图 3 2 6 12 安装线缆布置 为确保操作准确 每条缆索与其操作绞车对应 所有的缆索卷筒和绞车均布置在安装驳 系统甲板上 见表 3 2 6 10 表 3 2 6 10 安装线缆规格一览表 线缆类别 类型 缆力 t 长度 m 缆规格 mm 数量 所需绞车性能 t 吊索缆索 钢缆 海用 400 600 800 1000 50 4 40 50 滑轮组 收缩 纵向缆索 钢缆 海用 120 180 400 600 121 6 120 180 系泊缆索 钢缆 海用 80 100 400 600 76 8 80 100 体外定位系统 为减少水流和波浪对定位精度的影响 管节安装初步就位后使用体外定位系统对平面位 置精确调整 定位系统见图 3 2 6 13 体 外 定 位 系 统 管 节 结 构 无 需 额 外 开 孔 可 反 复 使 用 坐 底 沉 放 和 水 力 压 接 全 过 程 消 除 表 层 水流 和 波 浪 影 响 可 以 在 沉 放 驳 上 遥 控 实 施 千 斤 顶 伸 缩 安 全 高 效 水 力 压 接 完 成 后 可 以 对 隧 道 管 节 的 尾端 进 行 精 确 调 整 定 位 图 3 2 6 13 体外定位系统示意图 A 系统工作流程 当隧道管节放置到基础上后 体外定位系统将投入使用 a 管节纵向调整 管节纵向调整时 接头端和尾端两侧体外定位系统轻微提起管节 由拉合千斤顶拖动管 节进行纵向移动 详见图 3 2 6 14 已 沉 管 节 拉 合 千 斤 顶 沉 放 吊 索 体 外 定 位 系 统 图 3 2 6 14 隧道纵向调整示意图 b 管节横向调整 管节初步止水前以及水力压接后要对管节尾端进行轴线调整 体外定位系统轻微提起管 节 由尾端定位系统底座上的横向千斤顶调整进行调整 见图 3 2 6 15 图 3 2 6 15 管节尾端横向调整示意图 锚碇系统 控制管节安装的缆索与预埋在海床上的锚相连 根据本工程地质条件及管节安装数量多 的特点 选用专业锚公司的 Stevmanta VLA 型锚 A 锚的类型 Stevmanta VLA 型锚是一种垂直加载锚 如图 3 2 6 16 所示 图 3 2 6 16 Stevmanta VLA 锚 B 锚的安装 锚的安装由抛锚船施工 安装过程如图 3 2 6 17 所示 锚 绳 逐 渐 拉 紧 锚 开 始 插 入 土 中 达 到 预 设 安 装 荷 载 后 角 度 调 节 器 上 的 剪 切 保 险 销 失 效 时 锚 进 入 垂直 加 载 模 式 通 过 抛 锚 船 将 锚 抛 入 海 中 放 锚 绳 使 之 下 沉 当 抛 出 足 够 的 锚 绳 后 抛 锚 船 缓 缓 向前 方 航 行 图 3 2 6 17 VLA 锚的安装过程 C 锚的选型 根据本工程锚缆荷载及地质条件 锚的选型见表 3 2 6 11 表 3 2 6 11 安装作业用 VLA 锚选型及相关参数表 用途 型号 入土深度 最大锚力 预估拖曳距离 系泊线缆锚 8 m2 Stevmanta VLA 12m 300t 10 25m 收缩线缆锚 10 m2 Stevmanta VLA 12m 450t 10 25m 11 安装测量 为了实现管节的精确安装 采用光学测量 GPS 测量与水下测量定位技术相结合的测量 方案 见表 3 2 6 12 表 3 2 6 12 不同位置管节安装测量方法 管节位置 主要测量方法 岛隧结合部近岸 浅水区域 E1 E 2 E 32 E 3 3 浮运安装测量 安装驳高精度 GPS 系统 管顶测量塔 安装后隧道内测量 光学测量贯通校核 前两节进行水下测量方法验证 水下相对位置测量法 Taut Wire 拉线 测距仪 水下声纳测距仪 Distance Sensor 距离传感器 远岸深水区域 浮运安装测量 安装驳高精度 GPS 初步定位 水下相对位置测量法 Taut Wire 拉线测距仪 水下声纳测距仪 Distance Sensor 距离传 感器 安装后隧道内测量 光学测量贯通校核 12 潜水作业 作业条件 根据国际潜水作业规程 潜水作业下潜和作业区最大水流速度为 0 6m s 1 2 节 当作 业区水流速度超过 0 6m s 1 2 节 相关潜水作业都要立即停止 考虑到安装区浅层与深层 流速不同 若浅层流速较大 但深层潜水作业区流速满足条件时 需要采用潜水吊笼 帮助 潜水员通过高流速区 潜水方式 由于本工程潜水深度较大 采用混合气潜水的作业方式 在管节安装过程中 管内设备 发生故障或其他紧急情况事 需要采用潜水钟将作业人员送入管节内进行应急操作 作业内容 安装配合潜水工作可分为 4 个不同的类型和地点 在系泊处的准备工作 GINA 止水带检查 测试安装测量器材 在安装点的准备工作 水力压接面检查 水下测量设备安装等 在安装期间潜水作业 导向装置 GINA 止水带和钢端壳的检查 管节对接前人工探摸 以及采用潜水钟进入管节进行应急操作等 拆除工作时的潜水作业 体外定位系统的拆除 解开电缆 供氧管线以及回收隧道管节 顶部舾装件等 3 2 6 2 管节起浮 系泊 1 起浮出坞条件 在管节预制和一次舾装工作完成后 要进行是否开展后续施工的条件判断 判断后分析 的项目主要有 管节制作质量是否合格 干坞灌水设施是否完备 气象和水文是否满足起浮和出坞要求 各种设备是否完好 应急措施准备是否就绪 2 干坞加水 检漏 起浮和干舷调整 为检验管节密封和管节资身的防水性能 在干坞加水过程中需进行检漏 管节检漏起浮 流程见图 3 2 6 18 一 次 舾 装 后 坞 内 注 水 至 管 节 浸 水 6 m 浸 水 2 4 小 时 管 节 检 漏 水 箱 检 漏 检 查 端 封 门 底 部 水 密 门 管 节 底 部 渗 漏 情 况 均 匀 对 称 逐 级 加 水 至 水 箱 水 位 1 5 m 检 查 下 部 水 密 性 加 水 至 水 箱 水 位 3 m 进 排 水 系 统 检 漏 水 箱 排 水 至 剩 余 水 量 加 上 管 节 重 量 大 于 管 节 浮 力 检 查 整 体 水 密 性 合 格 检 查 管 节 底 渗 漏 修 补 不 合 格不 合 格 干 坞 内 注 水 淹 没 管 节 0 5 m 进 排 水 系 统 检 查 合 格 不 合 格 管 节 及 水 箱 检 漏 结 束 浸 水 2 4 小 时 管 节 内 外 部 全 面 检 漏 进 排 水 系 统 检 漏 结 束 合 格 修 补 及 检 修 不 合 格 合 格 管 节 起 浮 合 格 图 3 2 6 18 管节检漏起浮流程图 为保证安装过程中压载水箱容量的充分利用 管节起浮后 排空水箱内的压载水 通过 浇筑压载混凝土的方式调整干舷 使起浮后管节的干舷控制在 300mm 左右 3 管节出坞 系泊 管节系泊利用深坞区可同时系泊 4 个管节 管节系泊具体流程图 3 2 6 19 4 二次舾装 在深坞区进行二次舾装 具体流程见图 3 2 6 20 组合沉放驳与体外定 位系统并拖运至管节 放松管节端头系缆 套上沉放驳 沉放驳 体外定位系 统就位锚固 管节进行导向装置 人孔 和拉合装置 安装 沉放驳与管节压载监 控设备连接调试 水下测量设备安装及 信号调试 体外定位系统和沉放 驳收紧固定 测量标定管节沉放相 关特征点 第 1 天 第 2 天 第 3 天 第 4 天 第 5 天 第 6 天 第 7 天 3 天 2 天 2 天 4 天 共 7 天 测量塔安装 如果有 二次舾装完成 图 3 2 6 20 管节二次舾装流程图 5 安装准备 安装驳和体外定位系统安装完成后 进行测量以及其他相关设备的连接和调试 为确保 管节在安装过程各系统的可靠 所有系统都要进行调试 管节在浮运前需联合相关海事部门对航道进行管制 防止浮运期间外来船只进入浮运航 道 同时清除航道内影响管节浮运的漂浮物 并提前完成相应安装点的布锚 包括安装驳锚 和系泊锚 准备工作 在管节到达指定安装位置安装开始前 需进行相应准备工作 准备工作包括 检查和安 装测量设备 拆除 Gina 保护罩等 灌 水 起 浮 带 缆 布 置 管 节 起 浮 横 移深 坞 系 泊 放 水 系 泊 移 缆 二 次 舾 装带 缆 桩 布 置 出 坞 图 3 2 6 19 管节出坞流程图 3 2 6 3 管节浮运 安装 1 浮运安装条件 浮运安装准备工作就绪后 要进行是否施工的条件判断 判断分析的项目主要有 基槽及碎石基床 安装前两天 对基槽和基床进行全面细致的验收 保证沉管就位时无任何障碍 根据基 槽淤积的程度 判断是否采用清淤处理 交通标志 在安装之前事先和港务 港监等部门商定航道管理有关事项 并及时通知有关各方做好 准备 水上交通管制 临时改道 开始之后 抓紧时间布置好封锁标志 浮标 灯号 球号等 同时在安装用锚上设置浮标 设备 动力情况检查 管节安装前应对管节内部的水泵 闸阀 加载水箱 管路系统 体外定位系统及油压系 统 发电机 通讯联络系统 测量定位系统等进行检查 及时排除故障 确保安装工作顺利 进行 应急措施的准备 对安装过程中可能发生的紧急事件 例如 气候突变 做好提前准备工作 确保安装工作 万无一失 2 管节浮运 拖轮配置 根据浮运阻力计算 选用 5 条 4000 马力的港作拖轮 其中 4 条拖轮进行浮运拖带 1 条拖轮应急备用 4 条 4000 匹的拖轮最大能提供 150 200t 的拖带力 满足拖运及操控要求 前面两条拖轮负责导向拖拽 尾部两条拖轮根据水流条件辅助拖航 并控制管节姿态 浮运 速度并实现管节转向 拖带方案 拖运方案见图 3 2 6 21 当管节拖运至隧道基槽内后 为了减少水流阻力 便于拖轮 控制 采用局部横向拖运方案 现场配置备用拖轮 防止管节漂移搁浅 图 3 2 6 21 管节拖运方案示意图 3 管节安装安装 安装点准备 A 系定位缆 当管节拖运到安装位置后连接锚缆与预埋的 VLA 锚 通过管节系缆柱上的锚缆 安装驳 上的锚缆和的绞车调整对管节进行系缆锚泊 B 定位调节方法 通过安装驳上的绞车张拉和松弛各根锚缆对管节进行调节 通过水面和水下测量系统进 行定位 逐步调整到位 a 调节速度 定位速度 管节水平横向 0 75m min 管节水平纵向 1 5m min b 定位精度 当平面位置误差在 10cm 以内时 即可进行安装作业 安装安装 A 标准段安装作业的步骤 标准段安装作业的步骤流程图见图 3 2 6 22 图 3 2 6 23 B 岛隧结合部 E1 E33 管节安装作业的步骤 E1 管节由于处于岛头区 受到岛头效应影响 局部流速流态复杂 流速增加 安装必 须严格按照岛隧结合部安装作业窗口条件进行 否则安装系统难以承担安装期间的水流力 管节下沉工艺与标准管节相似 但在挂缆就位上有所不同 详见图 2 4 6 24 后续安装步 骤与标准管节相同 参见标准管节安装作业的步骤 图 3 2 6 24 E1 管节就位示意图 C 管节对接施工工艺 对接作业前的准备工作 杂物清除 由潜水员清除 GINA 橡胶止水带四周及对接端端面上的杂物 拉合千斤顶的安装 由潜水员安装到管节的拉合台座上 设备调试 启动拉合千斤顶油缸 由潜水员观察拉合千斤顶是否能够顺利工作 位置微调 对接过程利用体外定位系统对管节最终位置细微调 位置精确对位后 准备 水力压合 对接作业的步骤 初步止水 启动拉合千斤顶油缸并控制拉合速度 两个拉合千斤顶拉合力为 200t 使 GINA 鼻尖压缩 20mm 左右 此时通过体外定位系统对管节进行精细的微调 使轴线误差 10mm 二次压接止水 当初步止水结果得到潜水员检查认可后 由已沉管节内的操作人员开启 阀门 将接合端端封门间的水受控制地排除 利用自由端的巨大水压力使 GINA 橡胶止水带 进一步压缩 图 3 2 6 25 隧道管节二次压接示意图 管节尾端微调 二次压接后 利用端面预留测量孔 进行管节贯通光学测量 确定安装 后管节轴线位置 如果轻微偏离轴线 可利用体外定位系统设备将管节尾端进行微调 如果 偏离轴线过多 则需要封门间灌水 调节管节位置后重新进行水力压接施工 二次压载 对接操作完成后 对管内压重水箱进行灌水 提供至少 1 06 的抗浮系数 压载系数的确认需要结合安装后管节外侧的海水容重测量 利用水箱的富余高度调整实际压 载量 D 对接作业的要点 初步止水后 为防 GINA 橡胶止水带压缩过快产生侧翻 应控制排水的速度和流量 缓慢排出前后两节管节端封门之间被 GINA 橡胶止水带所包围封闭的水 使得 GINA 橡胶止水带受控制地缓慢压缩 排水开始后 根据封门上的压力计判断 适时打开安设在已沉管节端封门顶部的进 气阀 此时排水阀可完全打开 以防端封门受到反向的真空压力 当水位降低到接 近水箱里的水位时 须开动排水泵助排 在拉合作业之前 之后均须由潜水员下去检查 GINA 橡胶止水带的接触和压合情况 一次拉合之后和二次压接之后均须测量复核 并进行相应的管节位置调整 图 3 2 6 22 标准段安装作业的步骤流程图 图 3 2 6 23 管节安装作业步骤端面详图 4 安装后作业 根据施工需要 事前拟定拆除构件清单 清单上要清晰地标注好所有需要拆除的组件及 其位置 管节安装后 根据事前拟定的拆除构件清单进行相关设备拆除工作 主要包括体外 定位系统的拆除 解开电缆管线以及回收隧道管节顶部舾装件等 完成构件拆除工作后必需尽快在管节的两侧进行锁定 然后进行回填覆盖 以便及时对 管节加以保护 使其具有较好的防护能力 管节回填防护施工与管节安装形成流水作业 安 放一节 同步跟进回填防护一节 以满足已沉管节安全的需要 根据工程的特点和要求 锁定回填 一般回填和反滤垫层覆盖施工采用大型专用溜管船 依次进行该三道工序的施工 3 2 6 4 管内作业 详见图 3 2 6 26 3 2 6 5 最终接头 1 工艺概述 最终接头设在 E29 和 E30 之间 E30 为最后安装的管节 E29 将被分为三段分别为 E29 1 E29 2 和最终接头段 其中 E29 1 为 E29 的主体段 E29 2 为一个 5m 短段 E29 2 与 E30 通过拉索在坞内连接并预压 GINA 止水带 最终接头长度约 2 5m 左右 最终接头与 E29 的分 段关系见图 3 2 6 27 图 3 2 6 27 最终接头与 E29 的分段关系 E29 1 管节就位后 在最终接头四周安装止水模板 止水模板之间 止水模板和管节之 间设橡胶止水带 通过紧固止水模板实现橡胶止水带的初始压合止水 然后将止水模板所封 闭的水体排出 止水模板两侧形成巨大水压差 橡胶止水带被进一步压缩形成可靠的防水体 系 最后在无水条件下浇注最终接头 与 E29 1 和 E29 2 形成整体 在排水前 为了防止因管节端面的水压力消失导致接头处的 GINA 回弹 在安装顶面止 水模板前需要在管节的两端面间安装止退楔形块 排水后原来作用在管节端面的水压变由止 退楔形块承担以实现受力转换 2 工艺流程 最终接头的工艺流程见图 3 2 6 28 E 3 0 E 2 9 2 浮运沉放 止水钢板加工底部止水钢板安放 底部止水钢板提起并紧固 安装楔形止退块 安装顶部止水钢板并紧固 安装侧面止水板并紧固 接头排水 止水板内侧焊接密封固定 制作内部结构 基底处理与压载回填 拆除封门 漏水检查 合格 止水板紧固 不合格 图 3 2 6 28 最终接头施工的总体流程图 3 施工方法 最终接头的施工方法见图 3 2 6 29 图 3 2 6 26 管内作业图 3 2 7 回填覆盖施工 管节上方的回填防护布置形式总体分为两类 一是回填保护层顶面低于开挖前原海床面 的沉管中间段 二是两端顶面高于原海床面的岛头连接段 管节安装后立即进行锁定及覆盖回填 回填必须两侧对称 同步 等量施工 3 2 7 1 施工设备 管节回填设备 为确保回填质量 本工程专门改建一艘溜管船 见图 3 2 7 1 面层覆盖设备 采用斗容 6m3 抓斗船 配置梅花抓斗 软体排铺设设备 选用 4000t 专用铺排船 3 2 7 2 设备施工工效 管节回填各类施工设备功效分析见表 3 2 7 1 表 3 2 7 1 管节回填施工设备功效分析表 项 目 施工效率 m 3 h 每天有效工作时间 h 日产量 m 3 d 月施工天数 d 月产量 万 m3 溜管船 240 16 3840 25 9 6 抓斗船 80 18 1280 25 3 2 铺排船 600 4 2400 25 6 3 2 7 3 设备配置 5000t 专用溜管船 1 艘 专用铺排船 1 艘 6m3 抓斗船 2 艘 1000t 皮带运输船 8 艘 1000t 石料运输船 8 艘 1600kW 拖轮 1 艘 吊机船 1 艘 抛锚船 1 艘 图 3 2 7 1 溜管船结构及工作示意图 3 2 7 4 施工流程 回填采用安装一节 回填覆盖一节的施工方法 施工工艺流程见图 3 2 7 2 工前准备测量 设备进场 岛头段 回填 锁定回填 一般回填 1 0 1 0 0 k g 片石垫层 砂肋软体排 二片石反滤垫层 压重块石 坡脚防护 2 0 0 3 0 0 k g 块石垫层 面层 3 0 0 5 0 0 k g 块石面层扭工字块 深埋段 回填 锁定回填 一般回填 面层块石防护回填 回填结束 图 3 2 7 2 回填施工工艺流程图 3 2 7 5 岛头段回填 1 施工方法 施工作业条件 风力 蒲氏 7 级 波高 1 2m 流速 1 5m s 作业流程 见图 3 2 7 3 图 3 2 7 3 近岛段管段回填覆盖作业流程示意图 锁定回填 一般回填 E1 E2 和 E33 E32 管节端部由于受岛头段地理位置及管节沉放后水深的限制 选择溜 管船在高潮位时首先进行管节尾部两侧的点锁施工 然后安排两艘皮带运输船在管节两侧同 步进行抛填锁定 皮带运输船进行定点定量 两侧同步均匀回填 锁定结束后用同样方法进行一般回填施工 反滤 垫层块石 层施工 护面顶高程在 4m 以上的反滤层采用 200 300kg 块石 顶高程 4m 以下反滤层采用 10 100kg 片石 选择抓斗船施工 两艘船舶布置在管节两侧 自管节尾部向首部按抓斗船 宽度分条逐条回填施工 外护面体施工 护面顶高程在 4m 以上 外护面体采用厚 3 1m 的双层扭工字块 顶高程 4m 以下 外护 面体采用厚 3 0m 的 300 500kg 大块石 外护面体扭工字块体 大块石均采用抓斗船安放 利用 GPS 定位 采用网格法控制 岛端面层防护施工量大 计划投入 4 艘抓斗船同时进行施 工 施工顺序 方法见图 3 2 7 4 图 3 2 7 4 外护面扭工字块体及块石施工示意图 砂肋软体排铺设 E1 E2 E32 E33 管节一般回填的两侧坡角处 设有防冲刷的沙肋软体排 施工采用 大型专业铺排船 施工时船舶布置与管节平行 自管节一侧下排 通过移动船位向外侧放排 见图 3 2 7 5 砂肋软体排施工完毕后 在其顶上进行二片石和压重块石的施工 岛头段回填工程量大 工序多 每管节回填施工工期为 55d 2 质量控制 溜管船 抓斗船 软体排铺设船均安装 2 套 RTK GPS 定位系统 通过施工监控软件 实时显示船舶平面位置和计划施工位置 以保证施工位置的正确性 管节安装后 先进行尾部两侧点锁 单点的回填量不少于 400m3 回填施工前 划分施工网格 主要以回填石料在水下的自由散落坡比控制 自由散 落坡比通过典型施工予以确定 图 3 2 7 5 软体排铺设施工示意图 按施工网格确定每网格的施工量 实行定点定量抛投 对已填区域利用监控软件显 示相应颜色进行区分 施工中锁定回填 一般回填 2d 检测一次 面层防护回填每 50m 检测一次 检查施工 质量和指导下一阶段施工 检测用多波束进行全覆盖测量 对回填平整度超过设计标准区域 用梅花抓斗进行修补 超高部分清除 不足部分补填 每一工序结束后 对该工序施工质量全面检测 质量不符区域进行完善 在达到标 准后 进入下道工序施工 软体排铺设预留排体横向收缩量 以满足排体水下搭接宽度 铺排时合理选择下排 时间 宜在平潮时下放排头 保证排头着地位置的正确 3 2 7 6 中间段回填 E4 E30 1 施工方法 施工作业条件 同岛头段回填 作业流程 见图 3 2 7 6 锁定回填 溜管船首先在管节尾部 离管节端部 20m 两侧同步点锁 然后船舶移至管节首端进行 点锁 再从尾部向首部施工 溜管下料口高度控制在离管顶 2 3m 避免溜管碰撞管节 锁 定回填材料采用碎石夹砂 回填高度 3 5m 方法见图 3 2 7 7 一般回填 锁定回填完成 经测量 回填断面质量符合设计要求后 溜管船则进行一般回填施工 一般回填材料为海砂 施工仍采用溜管船施工 溜管从两侧向管节中部移动 方法与锁定回 填相同 管顶回填 在一般回填施工形成一定工作面经测量达到标准后 安排 2 艘抓斗船在管节两侧同步进 行管顶抛石回填施工 见图 3 2 7 8 中间段管节的锁定 一般回填和面层覆盖保护施工工期为 30d 2 质量控制 同岛头段质量控制 溜管船回填平整度控制 通过典型施工确定溜管的下放高度和位置 根据计算的回 填量控制溜管下料量 若出现局部超高或欠抛现象 用抓斗船进行挖高补低施工 管顶回填过程中通过监控系统控制斗的下放深度 确保抓斗在距离沉管顶面约 3m 的 位置开始卸料 防止距离过高 卸料产生对已沉管节的冲击力 定期对管节两侧的回填位置 标高 宽度 长度和效果进行检测 一般回填每 2d 检 测一次 面层回填每 50m 检测一次 出现偏差及时采取措施进行补抛或用抓斗挖除 图 3 2 7 6 深埋段管段回填覆盖作业流程示意图 图 3 2 7 7 锁定回填施工示意图 图 3 2 7 8 管顶回填施工示意图