0 引 言

港珠澳大桥东连香港,西接珠海,澳门,是集桥,岛,隧于一体的跨海通道,工程全长35.6 km,其中隧道部分采用沉管的方式建造.沉管隧道是目前世界上广泛采用的水下隧道施工方法之一^[1],管节沉放是整个沉管隧道水下施工中极为重要的一环,合理的管节沉放方案可以提高管节沉放的安全性,保证隧道施工质量.沉管隧道发展初期,管节沉放常采用浮吊法和拉沉法;随着沉管隧道规模的日益大型化和施工技术的发展,先后形成了浮箱沉吊法,升降平台法,抬吊法等管节沉放施工工艺^[2].韩国釜山隧道和土耳其隧道采用的专用管节安装船是浮箱沉吊法进一步发展的成果.

港珠澳大桥岛隧工程隧道段位于珠江口伶仃洋内,在伶仃岛以南十多公里处.隧道段受洋流影响比较大,表现为洪水季流速大于枯水季流速,落潮流速大于涨潮流速.根据实测资料,隧道段大潮表层最大流速达到1.9 m/s,平均流速约为1.5 m/s.按照确定的作业条件(流速≤1.3 m/s,波高≤0.8 m,周期T=6 s),综合模型试验结果,软件模拟计算结果和有关分析研究,管节安装期间可能受到的波浪力在水平方向可达3000 kN^[3-4].如果采用缆绳进行系泊方式的固定,那么将会导致隧道管节上的预埋件结构超出常规设计要求,难以实现,同时系泊缆绳直径将会达到65 mm以上,给绑扎固定工作带来很大的困难.综合以上的各项因素,本文从安装操作的简易度和隧道管节预埋件的复杂度入手,设计了一套新型的连接装置,以解决上述难题.

1 总体描述及连接结构布置

1.1 管节浮运安装总体流程

隧道管节为钢筋混凝土结构,在干坞内进行预制并封闭两端后通过坞内注水的方式浮到水面.两条安装船相隔一定的距离跨骑在管节上,通过连接装置与管节固定在一定.固定方式主要有两个步骤:一是收紧管节安装船上的缆绳,利用缆力将管节,钢支墩与管节安装船牢牢挤压在一起;二是利用尼龙缆绳将管节上的系缆桩与管节安装船上的系缆桩绑扎起来.两点措施一起形成了"双保险".

管节与安装船绑扎好后,利用拖船将管节和安装船拖到指定的安装地点.管节安装船与管节的连接关系如图1所示.

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图1   管节安装船与管节连接关系示意图

Fig. 1   Schematic of the connection between installation vessel and tunnel section

管节浮运到位后,待达到合适的气象窗口条件,首先解开连接管节和安装船系缆桩的缆绳,然后释放钢丝绳上的拉力,使管节与钢支墩自然脱开.待解绑工作结束后,通过线缆系统使管节缓慢下降到待安装位置,进行安装工作.管节安装的基本原理见图2.

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图2   管节安装示意图

Fig. 2   Diagram of tunnel sections installation

1.2 管节与安装船连接结构的形式及布置

通过在安装船上设置钢支墩,在隧道管节下水进行二次舾装时,安装船打压载水,让安装船的钢支墩与隧道管节接触,达到刚性支撑和限位的目的.安装船上有用于安装管节的吊索钢缆.收紧钢缆,使钢支墩与隧道管节之间产生垂向的预紧力,每根隧道管节有4根钢缆,分别位于钢支墩附近.在钢支墩和隧道管节预埋件之间会放置橡胶块,其作用一是增加摩擦力,二是减少钢支墩与隧道管节之间的冲击.当隧道管节和钢支墩之间有横向移动趋势时,施加的垂向预紧力会产生水平的摩擦力,能够抵抗水流造成的水平力,避免安装船和隧道管节产生相对移动.

钢支墩的外形尺寸设计为宽2 m,长3 m,高2 m,主体结构采用船用钢板,钢支墩与船体结构连接采用螺栓栓接,钢支墩与下方的橡胶垫片采用螺栓栓接,便于更换.其结构形式如图3所示.

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图3   钢支墩结构图

Fig. 3   Structure diagram of steel pier

每个管节安装船设置有2个支墩,两船共设有4个支墩,每根隧道管节上相应设置有4处预埋件,与安装船上的钢支墩一一对应.其布置形式如图4所示.

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图4   钢支墩布置图

Fig.4   Arrangement of steel piers

2 连接装置有效性验算

采取水池模型试验的方式,在管节浮运阶段,管节在有效波高H_s=0.9 m时受到的水平方向载荷有1500 kN左右^[3].考虑到模型试验的误差,给定2倍的安全系数,认为若管节与安装船的连接装置能承受超过3000 kN的水平力,则装置是有效的.

在浮运过程中,由于受到波浪力的作用及制造尺寸误差,系统刚度影响,4个钢支墩个体受力并不均衡,但从管节总体受力角度考虑,钢支墩不均衡因素为内力因素,对4个钢支墩总受力影响不大,因此不计入本节以下的验算之中.

2.1 浮运过程中水平力验算

钢支墩和管节之间垫一层橡胶垫,橡胶垫用螺栓紧固在钢支墩上.管节是用混凝土制成的,经查混凝土和橡胶之间的摩擦因数可达0.8^[5],取保守值0.75作为本文计算的系数.管节浮运连接装置中,钢丝绳设计最大拉力为10000 kN,则钢支墩与管节之间的理论最大垂直作用力可达10000 kN,其可产生的水平摩擦力最大可达10000×0.75=7500 kN.管节浮运过程中,最大的水平受力约为3000 kN,小于7500 kN,装置是有效的.

2.2 考虑波浪作用的水平力验算

沉管浮运时,作业规程要求波高不得超过0.8 m,水流与管节轴向相同,由于管节自身重量较重,尺寸较大,在波浪的作用下起伏较小,而管节安装船体积小得多,在波浪的作用下,起伏较大,会受到较大的垂向力.安装船在波谷时,其与管节之间的力会减小,导致水平方向可承受的摩擦力减小,而在波峰时刚好相反.为此,我们验证了安装船在波谷时水平摩擦力是否在安全范围内.安装船水面以下部分的面积为40.2×7.2=289.44 m²,每船2个浮体,总计4个, 垂向波浪力可按简易公式估算:

F₁=S×H/4×ρ×4×g=289.44×0.8/4×1.025×4×9.8=2326 kN,(1)

式中:S是浮体在水中的截面积,m²;H为有效波高,m;ρ为海水密度,kg/m³;g为重力加速度.

管节安装船在波谷时,安装船与管节之间的拉力减少了2326 kN,还剩余10000-2326=7674 kN,大于3000 kN的安全值,不会产生滑移.

2.3 管节安装等待时的验算

管节定位等待期间,需要消除管节的干舷,此时安装船与管节连接在一起,吊缆提供10000 kN的拉力.管节安装船安装等待时的环境窗口要求波浪不得超过1.5 m/s,在此情况下,波浪造成的垂直力按下列简易公式估算:

F₂=S×H/4×ρ×4×g=289.44×1.5/4×1.025×4×9.8=4361 kN.(2)

安装船与管节之间的有效拉力变为10000-4361=5639 kN,大于安全值3000 kN,不会产生滑移.

3 管节浮运连接装置强度计算

连接装置虽然能够在各种工况下提供足够的水平摩擦力,但在浮运的时候,由于受到较大的垂直力和水平力作用,装置本身及船体是否能够承受,需要进行计算确定.此处采用有限元法进行计算.

3.1 钢支墩有限元模型描述

有限元计算采用MSC.PATRAN&NASTRAN.钢支墩的结构形式完全相同,为方便计算,仅对单个钢支墩建模进行分析.模型采用右手坐标系,坐标的X轴对应管节的轴向,Y轴对应管节的横向,Z轴对应垂向.钢支墩全部建模分析,船体取局部结构建模分析,为避免结果受到边界的影响,船体结构建模超过4个肋板的距离.具体如图5所示.

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图5   钢支墩有限元模型图

Fig.5   Finite element model of steel pier

3.2 工况描述

计算时需考虑最大的载荷,即管节受到10000 kN的垂向力.当安装船位于波谷,将对支墩增加4361 kN的垂向力,因此支墩最大承受14361 kN的垂向力,并且承受3000 kN的水平方向水流力.考虑到实际工程中水流的流向可能突然改变,传递到支墩的水流力可能为360°方向,计算时选取每45°计算一次.由于结构的对称性,仅需考虑0°,45°,90°即可覆盖360°的情况.为方便对比,以下计算规定工况一水流力为0°方向,工况二水流力为45°方向,工况三水流力为90°方向.

3.3 计算结果

对于钢支墩而言,受到水平力将对其产生较大的弯矩,在钢支墩的单侧出现最大应力;船体接近钢支墩区域,一边受拉,一边受压,将产生较大的应力;最危险的工况为工况一,其受力方向为0°方向,此时受力与管节平行.具体的有限元计算结果如表1所示.

有限元计算的应力云图如图6所示.

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图6   钢支墩及船体连接部位有限元计算云图

Fig.6   Cloud charts for the finite element calculation of steel pier and the ship connection

钢支墩和船体的材料均采用CCS-A的钢板,屈服强度为235 MPa.材料的相当许用应力为235 MPa,剪切许用应力为235×0.6=141 MPa^[6].根据计算的结果,最大应力出现在工况一,最大相当应力163 MPa,最大剪切应力80.7 MPa,均小于规范的规定值,连接装置及相连的结构是安全的.

由于规范中没有钢支墩的类型,参照集装箱开口最大许用扰度值为0.0028 L,钢支墩模型计算时的最大尺寸L为13200 mm,许用扰度为13200×0.0028=36.96 mm,计算最大位移为3.22 mm,小于规范值,即扰度计算结果表明钢支墩是安全的.

4 结 语

沉管安装法在水下隧道施工历史中出现较早,但限于技术的发展,采用专用安装船进行的安装工程目前还不多.采用专用安装船进行安装,需要解决浮运,安装过程中的诸多难题,其中本文研究的对象即管节与安装船的连接装置亦是其中之一.本文通过数据分析,从装置的有效性到装置结构可靠性进行剖析,证明了采用钢支墩加橡胶垫的方案可行;并且该装置在港珠澳大桥项目上已经通过实践,证明了其可行性,安全性和高效性.

采用钢支墩加橡胶垫块的连接方式,有以下优点:首先,钢支墩的受力较传统钢混结构更加优越,能够承受更大的载荷和冲击;其次,橡胶垫片能够缓冲波浪在水中造成的冲击,对隧道管节和安装船都能够进行有效的保护,更换垫片也较为经济和便捷;再者,钢支墩和橡胶垫片采用接触的方式与隧道管节进行连接,在遇到紧急情况时,只需要松开缆绳,隧道管节和安装船就可以快速脱开,而不需要人员到水下操作,提高了工作人员的安全性.应当注意的是,采用钢支墩的连接方式,需要在与管节和安装船接触的位置做加强,需要工程技术人员在设计管节结构时提前做好考虑.城市交通快速发展,水下隧道的建设逐渐增多.本文的研究将能为其他水下隧道沉管施工提供借鉴.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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