沉管顶推施工的保障措施

李海峰，刘远林

（中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300）

1 概述

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道总长度5 664m，由33个管节组成。单个标准管节长180 m，由8个长22.5m的节段组成，重量约为7.2万t。管节采用两孔一管廊截面形式，宽3 795 cm，高1 140 cm。在管节下方设置4条滑移轨道（分别位于2个侧墙和2个中隔墙下方），滑移轨道上设置支撑千斤顶和管节顶推系统，在顶推过程中支撑节段重量，如图1所示。

沉管预制采用节段匹配预制法：在浇筑台座完成1号节段施工，待节段混凝土达到顶推强度后，将管节向前顶推22.5m，匹配浇筑2号节段；2号节段达到顶推强度后，连同1号节段再向前顶推22.5 m，匹配浇筑第3节段；以此类推完成8号节段的浇筑，并最终将8个节段组成的管节向前顶推约130m至浅坞区，进行后续工作[1-3]。

2 管节顶推支撑系统设计保障措施

2.1 危险因素分析

2.1.1 存在的危险因素

1）管节支撑系统设置不能满足管节混凝土浇筑时受力要求；

2）管节支撑系统设置不能满足管节受力体系转换时混凝土抗裂要求；

3）管节支撑系统中某支撑千斤顶失效或更换支撑千斤顶；

4）管节顶推系统设置不能满足克服管节与滑移轨道间摩擦力的要求；

5）管节导向系统设置不能满足发生偏移时对管节的导向纠偏功能；

6）管节自动控制系统设置不能满足顶推精度控制的要求；

图1 管节横断面示意图（单位：cm）Fig.1 Schematic diagram of tube cross-section（cm）

7）管节相关设备及部件不能满足耐久性及相关工作性能要求。

2.1.2 可能导致的安全风险

1） 管节裂缝；

2）管节顶推时不能正常启动或前进；

3）管节偏移后不能纠正到正常状态；

4）先浇管段顶推之后，与后浇管段不能良好匹配；

5）电气设备、滑道磨损严重等不能满足工期内的管节顶推施工要求。

2.2 主要控制措施

1）对管节浇筑、体系转换及顶推等工况分别进行建模，模拟上述状况下管段的受力状态，据此作为顶推相关系统的设计依据。同时通过建模，输入边界条件，分析得到管段在上述工况下受力是否安全可靠。

2）在管段混凝土浇筑时，千斤顶顶板主要承受的荷载为钢筋混凝土的自重及倾倒混凝土产生的冲击荷载，其受力形式主要为抗压。千斤顶顶板分别按照承载极限状态及正常使用的极限状态进行强度、刚度及稳定性验算，确保在管段混凝土浇筑期间受力可靠。

3）为满足管段流水作业的条件，当管段混凝土强度满足顶推条件（轴心抗压强度标准值fck≥16.7 MPa，轴心抗拉强度标准值ftk≥1.78 MPa）后，可以进行受力体系转换，进行顶推作业。

4）每段管节下方底模（千斤顶顶板）有4条布置在滑轨上的钢构支撑及顶推系统，布设6个支撑千斤顶，每个千斤顶最大支撑力为850 t。建模分析得到单个支撑千斤顶所承受的竖向荷载约为355 t，支撑千斤顶安全系数为2.391，间隔千斤顶出现故障时不影响管节支撑，便于故障千斤顶的修复或更换。

5） 标准节段重量约9 000 t，支撑千斤顶底座PTFE板与不锈钢板滑道界面摩擦系数为4%～5%，考虑一定的安全储备取7%，则管段顶推启动需克服的摩擦力约为630 t。单个顶推千斤顶顶推力约为40 t，单个节段下16个顶推千斤顶能够提供约640 t的顶推力，能够确保节段顶推的顺利进行。

6）滑移轨道的安装质量关乎管节顶推施工安全，管节的准确定位应严格予以控制。

7）管节顶推中涉及的关键设备、构件应进行必要的力学性能试验，同时还应在实验室对管节顶推中重要的工况如滑移面摩擦系数、滑移轨道梁与灌浆料黏结性能等进行模拟实验，以指导现场施工。

3 模板区受力体系转换保障措施

节段养护达到C25抗裂强度要求后，方可拆除模板，节段重量转由支撑千斤顶承受，节段完成受力体系转换。

3.1 危险因素分析

3.1.1 存在的危险因素

1）未达到管节混凝土抗裂要求进行受力体系转换；

2）支撑千斤顶加载速度过快，将管节顶起一定高度；

3）电气线路、液压管路未按要求安装布置，杂乱无序；

4）电气线路漏电、液压管路接头未拧紧；

5）电气线路布设不满足电气设备供电；

6）液压管路耐压值不满足实际油压要求；

7）设备维修保养不到位、力学仪表的读数不准确。

3.1.2 可能导致的安全风险

1） 管节裂缝；

2）管节水平姿态差；

3）液压管路爆管；

4）电气设备及线路烧坏。

3.2 主要控制措施

1）管段混凝土强度不满足顶推条件（轴心抗压强度标准值fck≥16.7 MPa，轴心抗拉强度标准值ftk≥1.78 MPa）时严禁进行体系转换作业。

2）受力体系转换时严格按照批准的施工方案中操作要求进行。

3）受力体系转换时，支撑系统加载应逐步进行，两侧前后压力应保持一致，以保证管段受力均匀、管段水平姿态变化在可控范围内。

4）根据设计要求，为确保先、后浇管段竖向匹配良好，底模与支撑系统受力体系转换应为无位移受力体系转换。因此，在体系转换前应在管段底板布置高程观测点，实时监测体系转换时管段水平姿态变化。

5）为保证底模与支撑系统受力体系转换过程中管段基本处于无竖向位移状态，在支撑千斤顶锁紧螺母拧紧前应根据管段水平姿态监控数据调整锁紧螺母的调节高度。

6） 管段混凝土浇筑时其自身重量由底模承担，属于多点分散受力，荷载分布较均匀，体系转换后管段重量转为由支撑系统承担，属于集中力的受力方式，可能存在一定的基础沉降，因此在底模与支撑系统受力体系转换完成后底模应及时完成降模工作，以防止因管段搁置时间过长地基产生不均匀沉降导致底模不能正常降模。

7）底模与支撑系统受力体系转换前应仔细检查各电气线路、液压管路是否按要求布置，各部位工作状态是否正常。用于管段顶推的液压管路耐压值均以最大实际油压值的2倍为设计指标，以防止爆管伤人。在底模与支撑系统受力体系转换前尤其应检查液压管路接头是否拧紧，对存在漏油、破损等情况的液压管应及时予以更换。

8）电气线路及液压管路等按要求进行架空、固定、理顺等，以防止触电、损坏等。

9）完成受力体系转换作业后，应断开电路，并对重要部位如支撑千斤顶球阀、油泵仪表等进行保护，设置警示标志，严禁无关人员进入。

光程倍增光纤陀螺的偏振误差，可分为振幅型和强度型.本文主要考虑偏振环行器的插入带来的偏振误差.由于偏振合束器由晶体、转置器和尾纤组成，所以可将晶体与转置器以及转置器与尾纤之间的耦合点视为一个耦合点，在图1中用点A、B、C、D、E、F来表示；a、b、c、d、e、f分别为对应转置器的耦合尾纤中的串扰点.设经Y波导后输入偏振环行器的顺(CW)、逆(CCW)时针光束与分别沿平行偏振轴与垂直偏振轴方向传输，考虑到实验所用的Y波导消光比ε达50 dB以上，所以本文仅考虑波列.光路中耦合点的功率串扰系数统一表示为ρ，偏振环行器损耗幅值系数与线圈损耗功率系数分别为α、γ.

4 顶推作业保障措施

顶推千斤顶推动节段前移，由于滑移钢轨的反力槽间距为75 cm，故每次顶推75 cm后，前移千斤顶的后端部分至新的反力槽位置，总共需要顶推30次，共计22.5 m，管节节段移出模板区浇筑坑。

4.1 危险因素分析

4.1.1 存在的危险因素

1）未达到管节混凝土抗裂要求进行顶推；

2）支撑系统与滑移轨道间摩擦力过大；

3）管节顶推经过内空狭小的廊道内模，发生刮擦；

4）管节顶推不同步，易出现偏移；

6）电气线路漏电、液压管路接头未拧紧；

7）液压管路耐压值不满足实际油压要求；

8）管节顶面杂物未清理干净，高空落物。

4.1.2 可能导致的安全风险

1） 管节裂缝；

2）管节顶推不能正常启动或同步顶推；

3）管节水平姿态差；

4）管节与内模发生刮擦、碰撞；

5）先浇端顶推出浇筑坑后与后浇端不能良好匹配；

6）支撑千斤顶底座与滑移轨道梁发生刮擦、碰撞；

7）液压管路爆管；

8）电气设备及线路烧坏；

9）物体打击、碰撞、跌倒、触电。

4.2 主要控制措施

1）管段混凝土强度不满足顶推条件（轴心抗压强度标准值fck≥16.7 MPa，轴心抗拉强度标准值ftk≥1.78MPa）时严禁进行顶推作业。

2）管段预制、顶推施工间隔周期长，对滑移轨道及顶推设备的耐久性要求高，应选用能适应现场工况以及蓄油能力好的润滑油，选择性能良好的滑块，同时兼顾经济效益。

3）支撑顶推单元安装前应保持底部PTFE滑块的洁净并均匀涂抹润滑油，同时应对支撑顶推单元安装位置处的钢滑移梁不锈钢表面进行彻底的清洁、抛光处理和保护，并用彩条防雨布等遮盖防尘，在顶推前应仔细清理滑移轨道，并均匀涂抹润滑油。

4）严格控制钢滑移梁标高高差，避免各轨道支撑千斤顶处竖向荷载偏差值过大引起各轨道摩擦力差值过大以及管节顶推的不同步，甚至损伤设备。

5）严格控制钢滑移梁轴线偏差，管节顶推轴线纠偏通过测量纠偏和管节导向装置纠偏结合的方式进行，并应以测量纠偏为主，导向装置纠偏为辅，以减少管节纠偏的次数，提高顶推的施工工效。

6）建立顶推施工专业监控小组，参与管节顶推各项工序，通过高精度的监控仪器和数据分析指导管节顶推施工，持续改进。

7）更换千斤顶和滑板要严格按操作指导书执行，保证千斤顶和滑板更换过程中油路的安全，管节不沉降。

8）控制系统为工业环境应用而设计，对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等措施，设有对电源的掉电保护、存储器内容的保护和自诊断措施，因而具有较强的抗干扰能力。

9）因廊道内模与管段内空间较小，易因管节发生一定偏移后发生刮擦或抵触。管段顶推出模板区时，应提高测量监控频率，及时调整管节姿态，以杜绝上述情况发生。

10）改进及提高控制系统的精度控制，满足在顶推即将结束时对管节姿态的精度，使先浇端顶推即将驻停时能符合管节先、后浇端匹配精度要求，如里程位置、轴线等。

11）在先浇端即将顶推结束的最后几个行程，应加强测量监控与顶推主控制台的联系，以测量监控数据为根据对管节姿态进行调整。

5 管节驻停保障措施

在一个新节段浇筑期间，先浇筑的节段将驻停等待新节段一起往前顶推，在驻停期间支撑千斤顶的压力将一直保持在80%左右，千斤顶的环形螺母要与缸体接触，以避免在压力损失状态时活塞发生移动。

5.1 危险因素分析

5.1.1 存在的危险因素

1）在不利位置如桥架块、短梁段等位置长期驻停；

2）钢滑移梁基础沉降变形过大；

3）支撑千斤顶漏油，压力下降；

4）人为故意破坏顶推设备及电气线路等；

5）安全防护设施不完善。

5.1.2 可能导致的安全风险

1） 管节裂缝；

2）管节水平姿态差；

3）管节受力不均匀；

4）碰撞、跌倒、触电。

5.2 主要控制措施

1）钢闸门附近处滑移轨道梁大多为短梁段，管节驻停在上述位置时易受力集中，对滑移轨道结构受力不利。因此，管节应避免在这些位置驻停时间过长。

2）管节驻停时其自身重量传递给支撑千斤顶承担，再由支撑千斤顶依次传递至滑移轨道基础、地基，驻停时间过长容易引起地基产生不均匀沉降，从而导致管节受力不均匀。因此，为防止出现上述不利状况，在管节驻停期间应加强轨道基础及地基的沉降变形观测。

3） 管节驻停时其自身重量的80%由支撑千斤顶油缸承担，20%的重量由支撑千斤顶锁紧螺母承受，支撑千斤顶漏油时油缸油压下降，管节重量将转移至锁紧螺母，根据设计要求，锁紧螺母能承受100%管节重量。

4）日常加强支撑千斤顶的检查与保养，支撑千斤顶更换应避免在管节混凝土强度早期发展阶段，更换时应对该工况进行必要的验算以确保管节混凝土强度能满足抗裂要求。

5）管节驻停时应该严格按照批准的施工方案进行。

6 浅坞区受力体系转换的保障措施

在管节整体顶推至浅坞后，为防止支撑顶推系统被海水浸泡后腐蚀，管节需要进行体系转换，将支撑和顶推系统置换出来，管节重量由设置在浅坞区的无源支撑承担。

6.1 危险因素分析

6.1.1 存在的危险因素

1）无源支撑安装标高不一致，使管节受力不均匀；

2）部分无源支撑锁紧螺母未锁紧，受力之后荷载转移至邻近的无源支撑上，则该无源支撑被“架空”；

3）管节下降时速度及高度不一致；

4）因无源支撑基础不平整使无源支撑部分受力；

5）无源支撑上方支垫高度不够。6.1.2 可能导致的安全风险

1） 管节裂缝；

2）无源支撑基础损坏；

3） 体系转换后因钢滑移梁局部安装高差过大、基础沉降过大等导致部分顶推支撑单元不能正常脱离；

4）因无源支撑上方支垫高度不够导致顶推设备置换困难。

6.2 主要控制措施

1）受力体系转换前应对所有无源支撑安装标高进行复测，确认所有无源支撑顶面处于同一水平面上，同时应检查确认无源支撑锁紧螺母拧紧无误后方可进入到下道工序。

2）控制无源支撑底部垫梁顶面标高，保证无源支撑有足够的调整高度满足体系转换要求，对无源支撑基础不平整应进行支垫，使无源支撑均衡受力。

3）受力体系转换时管节下降高度应分多步进行，每次下降高度不宜超过3～5mm。管节两侧完成一次下降调整后的高差应控制在1～2 mm，以避免管节受力不均匀、水平姿态差。

4）测量人员应配合进行监测，在进行完一次下降操作并复测达到同步下降的要求后方可进行下一阶段的下降操作，如此循环进行，直至完成体系转换工作。

5）受力体系转换应严格按照批准的施工方案进行。

6） 出现顶推支撑单元不能正常拖出的情况时，可整体将管节顶起一定高度并同时上调无源支撑的顶面标高后再进行管节体系转换。

7 结语

港珠澳大桥岛隧工程沉管顶推设备从策划、设计开始，就为确保超大沉管的顺利顶推，考虑并设置了诸多安全防护设计和安全保障措施，安装、使用过程中又进行了补充和完善，这对于安全完成沉管顶推施工至关重要，不但设备方面需要有安全保障，人为因素同样值得重视。经过两批4个管节的顶推实践，顶推工艺逐步趋于完善，安全保障措施在施工中得到检验，完善后的安全保障措施将为后续的沉管顶推提供保障。

[1] 李惠明，梁杰忠，董政.沉管预制混凝土施工工艺比选[J].中国港湾建设，2013（4）：57-62.LIHui-ming,LIANG Jie-zhong,DONG Zheng.Comparison and selection of technologies for prefabrication of immersed tube sections in factory[J].ChinaHarbour Engineering,2013(4):57-62.

[2]中交股份联合体港珠澳大桥岛隧工程第Ⅲ工区一分区项目经理部.港珠澳大桥岛隧工程沉管预制顶推专项施工方案[R].2013.ProjectManagement Dept.ofWork AreaⅢfor Island and Tunnel ProjectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridge Joint VentureofChina Communications Construction Co.,Ltd.The special pushing construction scheme of prefabricated immersed tube tunnel of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project[R].2013.

[3] 肖晓春.大型沉管隧道管节工厂化预制关键技术[J].隧道建设，2011，31（6）：701-705.XIAOXiao-chun.Key technology formanufactory prefabrication of tube elements of large-scale immersed tunnels[J].Tunnel Construction,2011,31(6):701-705.