羅昌武，李進(jìn)，陳偉樂，寧進(jìn)進(jìn)

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623）

1 工程概況

深中通道地處珠江口核心區(qū)域，北距虎門大橋約30 km，南距港珠澳大橋約38 km，項(xiàng)目東接機(jī)荷高速，跨越珠江口，西至中山馬鞍島，主體工程全長(zhǎng)約24.0 km。海中沉管隧道設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向八車道、采用兩孔一管廊橫斷面結(jié)構(gòu)。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，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165 m，曲線變寬管節(jié)長(zhǎng)123.8 m，最終接頭設(shè)置在E22與E23之間[1]。

沉管隧道基礎(chǔ)塊石下部為DCM樁地基處理方案，DCM單簇布置形式，單簇直徑2.3 m，由4根直徑1.3 m的單樁互相搭接0.3 m而成。樁按縱向間距3 m，橫向間距3 m、5 m的非等間距布置，綜合置換率41%，DCM的60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1 200 kPa。在DCM區(qū)地基采用了1.1 m厚塊石振密層+1.0m碎石墊層方案。沉管基礎(chǔ)塊石施工主要內(nèi)容為塊石拋填和塊石振密，塊石振密范圍向沉管兩側(cè)各擴(kuò)3 m，基礎(chǔ)塊石采用粒徑為15～30 cm塊石，振密后塊石層頂面高程設(shè)計(jì)允許誤差為±25 cm[2-5]。

2 施工難點(diǎn)

1）缺乏施工經(jīng)驗(yàn)

DCM區(qū)地基采用1.1 m厚塊石振密層+1.0 m碎石墊層方案為國(guó)內(nèi)首次，在保證振密效果的同時(shí)保證DCM的承載性能不受影響是施工的最大難點(diǎn)。

2）塊石振密高程測(cè)控精度高，難度大

塊石振密層采用粒徑15～30 cm塊石進(jìn)行拋填施工，而塊石振密層頂面高程允許偏差僅±25 cm。

3）交叉作業(yè)多，前后工序銜接緊密，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工協(xié)調(diào)要求高

沉管基礎(chǔ)塊石施工時(shí)交叉工序繁多，基槽精挖、碎石基礎(chǔ)整平、沉管浮運(yùn)安裝等，特別是島隧結(jié)合部的施工交叉作業(yè)多，施工區(qū)域內(nèi)的船舶作業(yè)多，現(xiàn)場(chǎng)施工協(xié)調(diào)難度大。

3 專用施工船舶

根據(jù)工程特點(diǎn)分析，為了避免水流作用影響拋石精度，新研制專用塊石振密船，開發(fā)了滿足精度要求的拋石設(shè)備。拋石采用溜管下料，保證下料不受水流的影響，確保下料位置的準(zhǔn)確性。溜管小車在船上能靈活移動(dòng)定位，做到定點(diǎn)定量拋填，塊石振密船平面布置示意圖如圖1所示。

3.1 溜管拋石小車

溜管小車施工時(shí)利用卷揚(yáng)機(jī)牽引行走，行走時(shí)測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車位置。溜管由3節(jié)管組成，大管套小管，第1節(jié)管直徑1.5 m，其余2節(jié)直徑逐漸遞增，溜管水下部分設(shè)置泄流孔。為滿足12～36 m水深變化要求，溜管行走小車兩側(cè)設(shè)置卷揚(yáng)機(jī)，溜管可以通過卷揚(yáng)機(jī)自由提升[6]。溜管底部下料點(diǎn)裝置多通道測(cè)深儀，拋填時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下料點(diǎn)塊石標(biāo)高以指導(dǎo)施工。

3.2 液壓振動(dòng)錘小車

振動(dòng)錘小車施工時(shí)利用卷揚(yáng)機(jī)牽引行走，行走時(shí)測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車位置。塊石振密施工采用APE600液壓振動(dòng)錘系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，利用液壓振動(dòng)錘產(chǎn)生的激振力對(duì)塊石基床進(jìn)行振密，APE600液壓振動(dòng)錘與夯板連接，振錘系統(tǒng)重量約72 t，夯板尺寸為5 m×4 m，設(shè)有泄水孔[7]。懸臂小車上設(shè)有2臺(tái)卷揚(yáng)機(jī)，通過滑輪組將液壓振動(dòng)錘及夯板放入水中，如圖2所示。

圖2 振動(dòng)錘小車示意圖Fig.2 Schematic diagram of vibrating hammer trolley

3.3 測(cè)控系統(tǒng)

1）平面控制系統(tǒng)

船上設(shè)3臺(tái)GPS流動(dòng)站，對(duì)船體進(jìn)行平面定位，利用測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臺(tái)車距測(cè)距儀距離并傳輸至測(cè)量控制室，根據(jù)固定船體參數(shù)反算出拋石臺(tái)車和振錘臺(tái)車的平面位置。

2）高程控制系統(tǒng)

利用臺(tái)車和GPS的相對(duì)位置關(guān)系，測(cè)算出臺(tái)車固定位置與GPS的高差，溜管拋石臺(tái)車固定位置至溜管底口的高差根據(jù)測(cè)繩計(jì)量功能推算，計(jì)算出塊石頂面標(biāo)高。

3）測(cè)控施工管理系統(tǒng)

為了滿足溜管拋石和振密施工定位需求，集成開發(fā)了測(cè)控施工管理系統(tǒng)。

4 施工技術(shù)研究

4.1 塊石拋填施工

1）塊石拋填網(wǎng)格優(yōu)化

塊石拋填前，根據(jù)施工區(qū)域特點(diǎn)提前繪制拋石網(wǎng)格圖，并導(dǎo)入拋石軟件。塊石拋填典型施工期間，對(duì)拋石網(wǎng)格進(jìn)行了比選，在同一管節(jié)采取2種拋石網(wǎng)格施工，一種網(wǎng)格間距3 m，另一種網(wǎng)格間距2.5 m。經(jīng)多波束掃測(cè)結(jié)果顯示拋石網(wǎng)格間距由3 m縮小至2.5 m后，塊石散落更為集中，最終將拋石網(wǎng)格間距設(shè)置為2.5 m。

2）塊石拋填參數(shù)計(jì)算

根據(jù)前期振密塊石層陸地工藝試驗(yàn)結(jié)果和E1、E2塊石振密典型施工總結(jié)，DCM復(fù)合地基段的塊石夯沉量按照塊石厚度的20%控制。塊石拋填前，沿沉管基礎(chǔ)縱向間距2.5 m劃分若干個(gè)拋石網(wǎng)格，并以多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算單個(gè)拋石網(wǎng)格的基槽槽底實(shí)測(cè)標(biāo)高平均值，已知塊石頂設(shè)計(jì)標(biāo)高，塊石拋填控制標(biāo)高=塊石頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+（塊石頂設(shè)計(jì)標(biāo)高-槽底實(shí)測(cè)標(biāo)高）/（1-20%）×20%，各塊石拋填控制參數(shù)見表1。

表1 塊石拋填控制參數(shù)表Table 1 Control parameters of block stone throw-fill m

3）回淤檢測(cè)

基槽精挖后，塊石拋填施工前3 d需檢測(cè)槽底的回淤厚度，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)基槽底容重大于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。確定回淤厚度及容重滿足設(shè)計(jì)要求后，方能進(jìn)行塊石拋填施工。

4）船舶定位

塊石振密船橫跨基槽駐位，石料船靠塊石振密船東側(cè)，在施工管理系統(tǒng)的指導(dǎo)下，軸向通過移船、橫向通過臺(tái)車在軌道上移動(dòng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量拋石。

5）塊石拋填

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)車精確定位后，根據(jù)拋石頂標(biāo)高控制溜管下落距離，溜管底口下放到距離塊石設(shè)計(jì)頂標(biāo)高2.5 m處時(shí)，開始通過石料船上的挖掘機(jī)向溜管料斗喂料，如圖3所示。同時(shí)根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)水下塊石頂標(biāo)高進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，1個(gè)點(diǎn)位拋填至塊石控制標(biāo)高后，拋石溜管小車移動(dòng)至下一個(gè)點(diǎn)位拋填，拋填完1個(gè)船位后，移船進(jìn)行下一個(gè)船位的拋填。

圖3 塊石拋填示意圖Fig.3 Schematic diagram of block stone throw-fill

4.2 塊石振密施工

1）施工流程

塊石振密施工流程如圖4所示。

圖4 塊石振密施工流程圖Fig.4 construction flow chart of block stone vibro-densification

2）繪制振密網(wǎng)格

塊石振密前，根據(jù)夯板尺寸5 m×4 m，相鄰夯點(diǎn)之間搭接1 m，沉管有效振密寬度為沉管兩側(cè)各擴(kuò)3 m，即沉管基礎(chǔ)塊石橫向振密寬度為52 m。將單個(gè)沉管劃分為若干個(gè)52 m×3 m的振密網(wǎng)格，并將繪制好的振密網(wǎng)格導(dǎo)入塊石振密施工軟件。

3）塊石振密控制參數(shù)

DCM復(fù)合地基陸上塊石振密工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，APE600液壓振動(dòng)錘轉(zhuǎn)速1 600 r/min，激振力150 kN/m2，振密時(shí)間45～75 s，夯板尺寸5 m×4 m，搭接寬度1 m等施工參數(shù)，可對(duì)1.2 m、1.8 m塊石層產(chǎn)生有效的振密[8]。通過現(xiàn)場(chǎng)塊石振密典型施工，塊石振密時(shí)間應(yīng)根據(jù)每個(gè)振密網(wǎng)格實(shí)測(cè)塊石平均厚度做動(dòng)態(tài)調(diào)整，具體為當(dāng)平均塊石厚度小于1.5 m時(shí)，時(shí)間為45 s，平均塊石厚度大于1.5 m、小于2 m時(shí)，時(shí)間為60 s。

4）塊石振密施工

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)行施工。塊石振密船和振錘臺(tái)車精確定位后，控制絞車下放夯板，根據(jù)絞車出繩長(zhǎng)度計(jì)量功能控制絞車行程以及夯板的傾斜度和下沉量，絞車提升或下降速度為5～10 m/min，當(dāng)夯板下放至塊石頂時(shí)停止下放，開啟動(dòng)力柜，按照塊石振密施工控制參數(shù)表進(jìn)行振密施工。

塊石振密施工完成后，使用配置多波束系統(tǒng)的測(cè)量船進(jìn)行水下測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布設(shè)為垂直于基床軸線10 m為1個(gè)斷面，每個(gè)斷面測(cè)點(diǎn)間距5 m。振密后塊石頂標(biāo)高未達(dá)設(shè)計(jì)要求應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)拋，補(bǔ)拋塊石連續(xù)面積大于30 m2時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)夯處理。

4.3 工效分析

在石料供應(yīng)充足情況下，塊石振密船溜管拋石工效達(dá)到日均1 900 m3。塊石振密日均工效達(dá)2 184 m2/d，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)基礎(chǔ)的塊石拋填總量為14 500 m3，塊石拋填需要8 d。標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)165 m，塊石振密有效寬度為52 m，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)塊石振密總面積為165×52=8 580 m2。即單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)塊石振密時(shí)間為4 d，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)塊石拋填及振密共需12 d。

5 工藝實(shí)施效果

塊石振密完成后，采用多波束進(jìn)行掃測(cè)，生成清晰的三維輪廓影像、平面輪廓影像及準(zhǔn)確的斷面圖。塊石振密率達(dá)到20%以上，沉管基礎(chǔ)塊石得到有效密實(shí)，塊石夯沉量統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 塊石夯沉量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of block stone compaction amount

塊石振密船自2020年2月23日開始沉管隧道基礎(chǔ)塊石施工，截止2020年11月底共計(jì)完成6個(gè)管節(jié)基礎(chǔ)塊石拋填及振密施工，拋石約8.7萬m3，累計(jì)完成塊石振密4.5萬m2。根據(jù)多波束掃測(cè)數(shù)據(jù)分析，塊石拋填標(biāo)高控制精確，斷面成型效果好，基礎(chǔ)塊石得到有效密實(shí)，已安裝沉管沉降量滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)語

塊石振密船溜管拋石工藝在沉管隧道基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用，有效解決了深水、大流速工況下塊石漂移距離大、流失嚴(yán)重，斷面成型難等技術(shù)難題。塊石振密工藝在DCM復(fù)合地基上的應(yīng)用，既保證了基礎(chǔ)塊石振密效果，同時(shí)又不對(duì)DCM的承載性能造成影響，有效助推了深中通道工程建設(shè)，為今后類似工程提供了參考。