深中通道西人工岛大直径钢圆筒拆除施工技术

岳远征，柳阳，李文祥，郑伟涛

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

深中通道西人工岛岛壁采用大直径钢圆筒及副格围护结构形式，钢圆筒及副格之间通过宽榫槽连接。为提供首节沉管与岛上暗埋隧道对接条件，岛隧结合部二次止水体系施工完成并经过检验后，拆除岛头X03—X07号钢圆筒及两侧副格[1-2]，见图1。待拆除的钢圆筒顶标高+3.0 m，嵌入海床面约24 m，筒体直径28 m，筒壁厚19 mm，Q345B材质；钢圆筒顶部1 m范围内板厚25 mm，单个圆筒共计48道T肋，副格钢板厚14 mm，设置11道T肋[3]，如图2所示。

图1 岛隧结合部平面位置图Fig.1 Location plan of island tunnel junction

图2 钢圆筒及副格结构图Fig.2 Structure drawing of steel cylinder and sub grid

钢圆筒内填充中粗砂，并在后续依次施打排水板进行筒内软基处理和施工高压旋喷桩进行隧道地基处理。筒体拆除标高范围以上包含高压旋喷桩返浆水泥块及部分排水板遗留。

2 施工工况分析

钢圆筒拆除施工共分为筒内挖砂、水下切割以及钢圆筒吊运3个作业工序。结合各施工工序，针对4种工况进行应力及结构变形分析。具体为：

工况一：钢圆筒开挖至-3 m。

工况二：打开钢圆筒，确保圆筒及副格内水位与海平面相通，筒内挖砂至设计标高；其中X03、X07号钢圆筒开挖至-12 m，剩余筒体开挖至-16 m。

工况三：钢圆筒及副格整体切割至设计标高，其中X03、X07钢圆筒切割至-11 m，剩余筒体切割至-15 m；筒壁切割完成后，保留吊点位置的竖肋及副格顶部1.5 m位置不切割，竖肋保留数量为8根，同时竖肋两侧各保留1 m宽钢圆筒筒壁不切割。

工况四：钢圆筒及两侧副格按照8点吊形式，分组进行起吊。

钢圆筒拆除作业集中在12月至翌年2月期间，施工地处珠江口伶仃洋，受人工岛岛形及自然条件等影响，钢圆筒拆除过程中，受波浪力、水流力、风荷载、静水压力共同作用[4]，受力工况复杂。为此，将钢圆筒及副格仓平面简化为矩形平面，通过有效分布宽度将岸壁简化为悬臂梁进行分析计算，计算采用模型如图3所示。计算时均按正面迎水、迎风、迎浪的不利情况考虑[5]。

图3 模型示意图Fig.3 Model diagram

2.1 波浪力

施工海域全年以风浪为主，涌浪少见；海域较大波浪主要是由台风引起，年平均波高为0.2 m，年平均周期为3.1 s；结合西人工岛2 a重现期分析，11月至翌年2月期间，以NE向、N向、NW向波为正常施工工况的波浪，以NNW向为强浪向[5]。波高玫瑰图见图4。

图4 波高玫瑰图Fig.4 Wave height rose map

2.2 水流力

对西人工岛岛隧结合部在大潮和小潮涨潮和落潮期间特征流场进行数值模拟[5]，并综合现场实测流速，待拆除钢圆筒在各时间段的流速分布范围如下：

1）大潮涨潮和落潮期间，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范围为0.3～0.9 m/s。

2）小潮涨潮和落潮期间，施工位置水面以下10 m平均流速的最大值分布范围为0.3～0.8 m/s。

作用于筒壁上的水流力标准值计算结果见表1。

表1 水流力标准值计算结果Table 1 Calculation results of flow force standard value

2.3 风荷载

按围护结构计算钢圆筒水面以上部分承受的风荷载标准值[5]，计算结果见表2。

表2 风荷载标准值计算结果Table 2 Calculation results of standard value of wind load

2.4 静水压力

根据水文资料，设计高水位取1.89 m。静水压力引起的单位宽度弯矩标准值为199.76 kN·m/m；T肋间距宽度弯矩标准值为549.11 kN·m[5]。

3 施工情况

3.1 工艺流程

钢圆筒拆除是对整体围堰结构的破坏，拆除前对岛隧结合部二次止水体系与待拆除钢圆筒之间区域进行回水，验证二次止水体系止水效果并确保钢圆筒内外侧水头基本持平[4]。施工流程见图5。

图5 施工流程图Fig.5 Construction process

3.2 开挖及切割标高

钢圆筒内开挖及水下切割标高以沉管底标高进行推算，其中X04、X05、X06三组开挖标高为-16 m，切割标高为-15 m，两侧X03、X07两组开挖标高-12 m，切割标高为-11 m。

3.3 拆除顺序制定

结合西人工岛海域相关波浪、潮汐资料，落潮流对钢圆筒稳定性有较大影响。施工水域涨落潮时，受岛体阻水影响在岛头形成绕流，位于中间的X05号钢圆筒与水流流向基本平行，两侧钢圆筒的遮挡能够有效降低岛隧结合部的回淤量及水流冲击作用，故首先拆除X05号钢圆筒；同时，优先拆除落潮流下游X04、X05钢圆筒，北侧X06、X07钢圆筒其后拆除，可略微减弱已切割但尚未吊离钢圆筒所受的波浪力及动水压力。因此，最终确定钢圆筒施工拆除顺序为X05→X04→X06→X07→X03。以上钢圆筒按照流水作业进行拆除作业，并适当压缩流水步距，避免已切除的钢圆筒长时间搁置形成安全隐患。

3.4 钢圆筒工况分析及稳定性验算

在钢圆筒拆除过程中受多种作用力耦合，不同施工状况下，钢圆筒整体受力情况各不相同。筒内开挖阶段，内部砂土标高下降，自身抗倾覆能力下降。水下切割阶段破坏钢结构完整性，造成自身应力传递不均，易发生应力集中，进而造成局部变形失稳。另外，吊装拆除期间，吊装方式及吊点选择极为重要，控制吊索具与铅垂方向夹角，可防止水平拉应力过大造成筒体椭圆度变化过大，避免丧失结构整体性。因而，需通过对施工各阶段进行理论分析，评估施工各阶段钢圆筒受力情况。主要进行以下工况受力稳定性验算，见表3。

表3 各阶段受力组合及验算结果Table 3 Stress combination and checking results of each stage

4 施工技术保障措施

根据理论计算结果，针对各工况下所存在的安全风险，制定相应的技术保障措施，以确保施工过程安全顺利进行。

4.1 筒内开挖技术

钢圆筒拆除作业前首先需对筒内砂进行挖除。开挖作业采取分段作业方式[4]，第一段采用陆上干法开挖，利用挖掘机开挖，自卸车出运。结合稳定性验算结果，该阶段开挖深度不超过6.1 m。干法开挖阶段同步进行钢结构锈蚀情况的评估，并对筒体制作阶段保留的吊耳进行加固。

第二段开挖采用大型抓斗船开挖至设计底标高。为防止静水压力过大造成筒体变形，开挖前将圆筒内外联通，保持内外水压力一致。副格仓最大宽度不足10 m，最小宽度仅为2 m，选用伸缩臂蚌式液压抓斗挖机进行垂直开挖，并对前期施工的高压旋喷桩桩头进行破碎。该阶段开挖为水下切割前置工序，结合潜水人员水下检查筒壁情况，在满足开挖水深的基础上，利用抓斗有针对性的敲击圆筒筒壁，震落粘结的砂土、水泥块，方便后续切割并防止切割过程中掉落伤人。

4.2 钢圆筒及副格水下切割技术

钢圆筒拆除稳定性验算工况中，水下切割阶段使钢圆筒由完整结构发展为不完整结构，易发生不均匀变形或破坏。根据计算结果，施工过程中以风速≤13.6 m/s（6级），波高H13%≤0.7 m，流速≤0.9 m/s等气象指标作为作业许可标准。同时严格控制切割标高、预留结构尺寸及数量。为降低起吊作业安全风险，水下切割阶段遵守以下作业要点：

1）清楚预留部分结构位置，严禁超割或者欠割。

2)测定圆筒顶面标高，测绳悬吊弧形标尺确定切割标高，保证切割标高及割缝顺直度。

3）切割前清理割缝内外筒壁黏着物，避免切割铁水回流粘连，并用薄铁片进行贯通检查。

4）整体割缝呈环形，切割作业对称进行，且均匀分组分段作业，避免视线不明重复切割。

未开挖前大直径钢圆筒处于多种外力共同作用下，外海一侧受力要大于岛内侧，钢圆筒内的回填砂类似有一定刚度的弹簧，吸取部分变形[6]。而在开挖作业期间，圆筒内土体高度下降，开挖高度范围内圆筒变形持续发生，因而切割期间严格按照稳定性验算结果进行预防倾覆的结构预留，待圆筒起吊前司索完毕后再行切除。

4.3 水上吊装技术

钢圆筒水上吊装依照风速、水位及流速等气象条件进行作业窗口规划，结合当日的潮汐情况一般选择在平潮期进行吊装。

起吊作业各细部工序需保证连贯完成，并严格按照钢圆筒稳定性验算结果准确布置吊索具。吊索具布置完成后，起重船竖向施加提升力拉直钢丝绳，但不对钢圆筒施加提升力。潜水人员水下完成预留防倾覆T肋切割。切割顺序自内而外，最后切割海侧预留T形肋。过程中仔细检查割缝，避免发生粘连。

待拆除钢圆筒单组吊重约380 t，起吊吊点采用制作时自带吊点，每个吊点计算承受荷载1 000 kN。结合每组钢圆筒的重量，吊装方式采用8点同步起吊，采用具有两主钩、两副钩大型起重船进行作业。其中，两主副钩各系挂直径86 mm，长25 m的钢丝绳共8根，用120 t卸扣与钢圆筒相邻8个吊点连接。司索布置如图6所示。

图6 司索布置图Fig.6 Cable layout

通过对吊点起吊时所受的拉应力、剪应力及T形肋所受的正应力和剪应力的计算复核得出[7]，吊索具与铅垂方向的夹角不超过15°，确保在起吊转运的过程中钢圆筒不发生变形。

起吊过程中按照起重作业相关规程，采取试吊校验设备运行状态。正式起吊后，逐级加载，施加起重力至理论吊重。无法起吊后继续施加起重力，但不超出理论吊重的10%。仍无法起吊则逐级降低起重力，由潜水人员检查割缝粘连情况，确认割缝贯通后再次尝试起吊。起吊作业过程中，起重船施加竖向提升力，禁止越钩及偏心起吊，主副钩同时提升，起吊出水后，绞锚移船至安全距离后开启动力吊运至指定地点。

5 结语

大直径薄壁筒体海上拆除作业在国内的相关施工经验较少。深中通道西人工岛岛壁结构钢圆筒直径大，受岛体形状及自然条件影响，拆除作业筒体受力工况复杂，且对周边已施工的现浇隧道构成较大安全风险。通过简化受力模型，分解受力工况，对钢圆筒拆除全过程安全风险较高的阶段进行受力分析，并制定有针对性的技术安全措施，有效保障了工程安全顺利推进，可为类似工程提供参考。