外海深水整平船插桩施工工艺

◎李更新 沈阳化工大学经济与管理学院 商丘职业技术学院

毕子杨 沈阳化工大学经济与管理学院 中交一航局第二工程有限公司

依据零丁洋海域地质勘测资料结果显示港珠澳大桥海底隧道勘探海域内的地层主要分布在由燕山期花岗岩、震旦系混合片岩及混合花岗岩等基岩风化层组成的第四系覆盖层（Q）。其中上部为全新统～更新统海相、陆相、河流相、海陆交互相沉积层，直接覆盖于不同岩性的剥蚀面上，其厚度受基岩面标高及海平面侵蚀深度控制。覆盖层按沉积年代、沉积环境区间划分为四大单元层。其地质情况较为复杂，软硬夹层情况较多，为整平船插桩工作带来极大困难与风险。一般情况下，只有当四个桩腿全部处于密实的第四单元层时，整个船体稳固，不会因作业受力等其他情况而导致平台支撑不稳定。若当整平船桩腿位于第一─三单元层或软硬夹层时，即处于不稳定状态，桩腿可能出现突然下沉至中密层，即第四单元层。

图1 港珠澳大桥沉管隧道总览

港珠澳大桥海底隧道沉管段总长5664m，是目前为止世界上最长外海深埋采用“先铺法”施工工艺沉管的海底隧道，隧道由33个管节组成，每个标准管节长180m，其碎石基床共62条垄，需7个船位铺设完成。E1、E2、E32、E33采用人工整平、水下人工整平和机械整平相结合的方法进行碎石基床铺设，其余29个管节基础均由整平船独立完成碎石基床铺设，因此研究抬升系统插拔桩工艺关乎整平作业效率、船舶诱导定位精度及平台安全。

1.整平船升降系统概况

专为港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道碎石垫层铺设设计建造的施工专用性整平船采用自升式平台结构，平台四角分布有4根圆柱型桩腿，每根桩腿筒体外侧对称焊接布置有2排背对背齿条，每侧齿条上均等布置了4套抬升机构，整船共有32套抬升机构。桩尖为半封闭“兴”字形结构，可适合岩石、砂、黏土等不同地质插桩工况。每个桩腿旁各设有1套锁紧系统，对称排列。锁紧系统的目的是在平台主体和桩腿之间提供一个刚性连接，在拖航、恶劣海况和抛石整平作业时，该锁紧系统来实现桩腿与平台之间垂向锁定，保证平台插桩时纵向稳定与力矩平衡。

图2 整平船升降系统示意图

升降控制系统是典型机、电一体化控制系统，逻辑复杂、系统庞大、自动化程度高，是抬升机构最为关键部分，其稳定性是平台顺利实现升降的保证。平台升降过程中，电控驱动单元根据平台实时重量严格控制制动器释放与抱闸，保证平台支撑力前提下驱动电机正反转运动，从而使平台平滑稳定上升或下降。电机直接驱动平行轴减速箱，平行轴减速箱与行星减速箱组成的高速比传动机构，输出高扭矩来驱动爬升齿轮，与桩腿上的齿条进行啮合运动，以此实现船身相对桩腿的上下动作。

桩腿升降系统是碎石铺设整平船的关键设备之一，针对隧道基础复杂的地基条件和作业工况，整套抬升机构的可抬升载荷系数大、自重轻、安全系数高，能确保整个平台稳定在桩腿上，真正的实现“站得住、升得起、拔得出”；同时通过电气系统的控制可实现无级调速，提高系统工作效率，保证平台具有良好的安全性能及操纵性能，为顺利进行碎石基床铺设施工提供了强有力的保障。升降系统以解决港珠澳大桥沉管隧道基础碎石铺设整平关键技术为切入点，依托当今现有碎石铺设施工工艺，研发设计建造具有中交自主知识产权的自升式抛石整平船大载荷抬升机构，攻克若干关键技术，并严格通过船级社等相关认证，最终实现港珠澳外海高精度碎石基床铺设整平作业装备。

2.插桩施工工艺

整平船升降系统的应用主要集中在插桩作业过程中，而整平船插桩作为碎石基床铺设整平前的重要工艺流程，不但是整平铺设高精度保证，更是施工作业过程中制约安全的关键因素。以下就抬升系统插桩工艺流程做具体描述。

2.1 多波束扫测

整平船进场插桩作业前，需要先进行多波束扫测。通过多波束扫测观测整平船作业范围内是否存在大型石块、塌方、淤泥等异物。同时获取该区域的原泥面标高，为整平船插桩提供原始泥面标高数据，提升整平船插桩可预知性与安全性。

2.2 整平船拖航及定位

整平船进场前，需进行船体水平校核、桩腿升降系统校核、抛石管高程校核、大小车轨道校核、抛石管油缸校核、声呐系统校核、料位计校核等。并进行风险自查、船舶试运行检查。整平船拖航期间，桩腿最低点与平台底部基线平齐，采用吊拖为主，傍拖为辅的方式进行拖航进场。吊拖利用设在艏端的smit拖点或船艉的拖力单桩进行牵引，傍拖利用设在船舷双柱带缆桩进行拖带。整平船进场后通过输入目标船位GPS1和GPS2坐标，诱导系统会自动跟踪目标船位与当前船位实施动态并显示偏差角度与需要移动距离，通过收放锚缆完成整平船插桩位置精准定位。目标船体坐标在驾控室船舶诱导定位系统输入，如图3所示。

图3 整平船定位示意图

2.3 整平船调平

船体到达目标位置后，在执行桩腿下降或平台上升命令前，首先需要通过向桩腿四周的压载舱吸排水方式调整压载水量从而将整平船调平，实时观察船体倾斜仪数值的动态变化，倾斜度应始终保持在合理区间内，压载舱吸排水调平过程如图4所示。

图4 整平船调平示意图

图5 对角压载插桩作业示意图

2.4 插桩作业

通过参考比较多波束扫测的原泥面高度，调整四个桩腿下放高度，确保四根桩腿同时入泥。同时执行桩腿下降或平台上升动作，开始插桩。密切注视观察平台倾斜范围，当倾斜仪横倾或纵倾超过0.3°时，应停止当前联动模式插桩而改为对角加载交替插桩。继续观察倾斜仪读数、桩腿下放高度及桩腿载荷和四角吃水变化，当倾斜仪X，Y大于0.3°时，停止对角压载插桩，通过单独下放某一根桩腿进行船体调平。船体平衡后，继续对角插桩，反复过程至某一对角桩腿下放至第四单元层地质安全位置或桩腿受力达1300t-1400t，且桩腿下放长度不再变化，再进行另一对角插桩。

2.5 排水抬升

当四根桩腿都下放至安全位置，且受力达安全值，确认无异常后，转为四角抬升同时排出压载水，四根桩腿同时动作，整平船脱离水面，抬升至施工高度。

整平船从浮态到顶升至水面以上整个过程，要密切关注六根锚缆的松紧程度，顶升过程中如果某根锚缆达到很紧的程度，要适当放松锚缆，必须保持六根锚缆的受力松紧程度大概一致，整平船顶升稳定后锚缆就可以全部放松。

2.6 整平船抬升高度计算

施工时为避免潮水及波浪的影响，整平船需抬升至安全高度，其安全高度值H为：可预测的高潮位+1/2预测最大波高+富余高度(0.5m)，抬升高度示意图见图6所示。

图6 整平船抬升示意图

2.7 地质资料复核

插桩过程中，通过桩腿下放高度和GPS2高程坐标换算桩底标高和桩腿入泥深度，同时参考地质资料情况对插桩过程进行动态监控跟踪。如插桩过程中桩腿偶遇软弱夹层地质层，导致桩腿支撑应力不足而快速下陷，此时采用对角压载的方式使单根桩腿逐一穿过软弱夹层，避免出现严重穿刺而导致平台倾斜。

3.结束语

整平船插桩工艺作为沉管隧道主体施工的首道工序，不但是碎石基床铺设精度及施工安全的重要保障，同时也为沉管安装打下了坚实的基础，其意义尤为重要。本文从港珠澳大桥施工的实践经验中进行总结，介绍了软基条件下整平船的升降系统组成及相应的插桩施工工艺，为国内外外海深水先铺法碎石基床整平设备的插桩工艺积累宝贵经验。