0 引言

　　在沉管隧道施工中，管节沉放所使用的方法和设备种类繁多，管节沉放的精确安装是修建沉管隧道的重要一环，涉及对作业窗口期的选择、设备性能的选取、技术人员对设备的操控和管节沉放过程中的动态监测等诸多环节。香港特别行政区地铁工程沙田—中环线过海隧道隧址位于维多利亚港，连接香港九龙与香港岛，项目沉管段全长1.67km，共筑有11条预制管节，标准管节长度156m。本文主要介绍使用香港沙中线过海铁路隧道中实际应用双驳船骑吊沉放对接安装沉管管节的施工技术。

　　1 工艺特点

　　管节沉放采用浮趸吊沉法，根据管段下沉时的负浮力确定管节内压载水箱的储水量，并在浮趸上配备相应的铰车(卷扬机)，施工时将浮趸舾装在管段顶部，浮趸与管节通过沉管管节上的吊点连成一个整体，通过控制绞车下放的速度和深度，配合使用预设的锚碇系统，共同控制沉管管节在水中的下沉速度和位置。沉放所需的浮趸、锚碇系统、测量监控系统、铰车、滑轮组可反复使用，节省成本。

　　使用浮趸吊沉法对沉管隧道进行沉放施工，适合水流流速适中的河海水域大型沉管管节的施工。

　　2 工艺原理

　　沉管管节的沉放对接技术主要依据沉管管节在水中的浮力与压载水箱质量的关系，通过趸船及预设锚碇系统调节沉管管节的水下位置及姿态，并保证了管节下沉过程中的稳定性，利用千斤顶和导向梁进行初步拉合对接后，沉放管节前端的GINA橡胶止水带与已沉管节后端钢封门面接触，GINA橡胶止水带初步压缩，使得两条相连管节的钢封门之间初步密闭，然后利用管节内预装水泵将此部分的水抽至沉放管节的压载水箱内，在管节前后两端的水压差作用下，GINA橡胶止水带将进一步被压缩直至达到设计止水效果，保证了接头的水密性，完成管节间的对接。

　　管节沉放对接的关键技术包括管节沉放方式、锚泊定位、水下测控、导向定位、管节初步拉合对接及管节水压对接等技术。

　　3 施工工艺流程及操作要点

　　3.1 施工工序主要流程

　　沉管管节在将军澳湾完成二次舾装(测量塔、浮趸(吊驳)、纵横调绞车系统、导向架及管节沉放测量安装系统等)后，将浮运至隧址进行沉放。沉放施工工艺流程如下:管节初始定位→管节沉放前准备→管节沉放并初步对接→水压接→管节拉合并验收。

　　3.2 管节初始定位

　　3.2.1 简介

　　管节在出坞后需在将军澳湾临时寄泊位进行二次舾装，于合适的窗口期拖至维多利亚港设计线路位置进行沉放。在管节被拖至初始沉放位置之前，需要完成初始定位，工序包括:制定测量方法、安装测量设备以及确定管节沉放锚碇的布置方式。

　　3.2.2 测量方案

　　为保证沉管沉放精准对接过程，需在隧址两岸的陆地上设置控制点和基站，以便管节上的GPS-RTK设备可通过与基站的无线连接进行全面定位。沙中线项目在每节管顶上设置9个控制点，用于二次舾装时对测量塔的校准及管节三维坐标体系的建立。

　　管节沉放专用的浮趸在管节预设位置就位后，由起重船将测量塔式起重机装在管节预设位置，进行测量塔的安装。沉管对接采用测量塔上的GPS-RTK设备与全站仪相结合的形式，通过“沉管隧道施工综合定位系统”引导定位测量工作，由潜水员进行最终检核。

　　定义已沉放管节对接面的6个角点为1～6，同时，待沉放管节对接面的6个角点为A～F，通过GPS-RTK设备以及沉管管节内的倾斜仪位置，实时监测待沉放管节的相应位置，确定与设计值的差值，并实时显示与相应接触点的距离。

　　3.2.3 沉管隧道施工监测系统

　　应用“沉管隧道施工综合定位系统”软件，通过实时监测水下地形数值线、待沉放管节的设计位置、已沉放管节、待沉放管节、沉管隧道中轴线、测量塔位置等之间的关联，可实时了解施工现场管节沉放情况。同时，“对接定位辅助决策系统”将通过预先建立的管节三维控制点，实时模拟三维的管节水下情况与已沉放管节之间的位置联系(见图1)。

　　

　　图1 沉管隧道施工综合定位系统及对接定位辅助决策系统  

　　 

　　3.2.4 安装测量设备

　　GPS-RTK天线安装在测量塔顶部的设计中心位置。全站仪棱镜安装位于测量塔顶部，通过标定测量GPS天线及棱镜的三维坐标，及已经建立的与待安装沉管管节之间相对坐标系，实时监测管节的空间坐标位置。

　　双轴倾角传感器已经安装于沉管内部(见图2)，并标定好位置，在二次舾装过程中，须保持仪器不动，如需要临时拆卸，应于原位置重新安装。无论是否拆卸，均须检验甚至重新校准。

　　

　　图2 双轴倾角传感器   

　　 

　　在进行沉放测量时，需在岸边设置基站，由基站传输GPS信号至测量塔顶部的GPS-RTK天线后，经过标定测量出GPS天线和全站仪棱镜的三维坐标后，确定沉管位置。管节在沉放过程中，GPS将担负主要的测量工作，但全站仪将全程保持工作并对GPS的测量数据进行对比校准;甚至在需要时代替出现问题的GPS设备完成剩余的测量工作。同时应用水下拉线/声呐测量系统，每5～8s为1个数据采样周期，经由数据中心主机处理，将测量结果通过数据接口及相应的软件直接同步录入主机。当仪器距离主机较远时，通过无线电或者网络传输至主机存储并处理。

　　主机对测量数据进行分类整理，利用数据处理系统进行数据的计算、评查、转换，最后获得管节在水下的水平、倾斜和下沉深度等参数，通过无线电向控制室传输直观、准确的数据和图形(见图3)。

　　在二次舾装时，GPS以及全站仪棱镜均被安装于测量塔塔顶近中心的指定位置。提前校准并定位相关仪器，计算各个控制点与仪器之间的位置关系，通过GPS的三维坐标(或全站仪测量)以模拟定位相应管节控制点的三维坐标，如图4所示。在沉放前，将主要通过GPS指引管节至设计地点准备沉放。

　　

　　图3 控制室内管节沉放实时三维模拟成像 

　　 

　　

　　图4 管节三维控制点  

　　 

　　3.2.5 沉管管节锚碇布置

　　管节沉放时的锚碇布置不仅要考虑管节沉放时纵横向调节系统的使用，还要考虑管节浮运、临时寄泊的使用。

　　根据管节沉放位置的地质环境，可根据实际情况选择合适的锚，如铁锚、锚杆、混凝土锚等。在沙中线项目中，由于靠近既有隧道，且位于繁忙的维多利亚港中，故选用混凝土锚作为沉管管节锚碇的装置。

　　锚碇需准确定位，同时，在锚的受力方向要先进行试拉，以达到设计要求。同时锚碇所需要的缆绳也需要达到受力要求。所有相关器械材料均需要在使用前进行相关质量检验。

　　3.2.6 沉管管节锚碇方式

　　管节定位施工作业与管节沉放、对接施工有着密切的关系，管节定位施工作业主要由锚碇系统完成。锚碇系统的常用方式有“八字形”和“双三角形”，典型管节锚碇的布置如图5所示。

　　3.3 沉放前检查及准备作业

　　3.3.1 管节准备检查

　　检查主要内容为:管节端接触面的清洁、GINA止水带清洁及完整性检查、空气管是否堵塞、已安装在管节上的导向架是否有异物、横纵调缆检查、机械设备检查、管内抽排水系统及机电检查、沉放测量系统校核等。同时在进入管节前要先对管内空气含氧量进行检测，并保持通风，以确保密闭环境工作安全。

　　

　　图5 典型锚碇系统布置  

　　 

　　3.3.2 沉放环境要求

　　沉放前需选择符合沉管沉放要求的天文、海况气象窗口。

　　1)根据潮位预报，选择潮差最小的日期为(暂定)管节沉放日。

　　2)管节的沉放、对接作业要求沉放、对接水域表面流速<0.5m/s，能见度>1.852km，风速<13.9m/s，浪高<1.5m。根据工程所在区域的历史水文、气象资料分析研究或试验研究，综合管节的结构设计，确定管节沉放、对接作业的水流速、波浪、风速标准。

　　3)沉放前需检查基槽开挖是否符合设计要求，检查是否有高点。利用多波束回声探测或人工检查。如发现高点，及时进行清理并复测，保证基槽质量。

　　3.4 管节下沉

　　3.4.1 浮趸吊沉法

　　使用浮趸吊沉法进行管节沉放施工。在沉放过程中，将主要通过实时监测测量塔上两个棱镜的坐标，计算并显示水下管节的几何状态，指挥沉放操作。沉放时，浮趸上设置绞车以连接管节。通过逐渐、平稳地向管节内水箱进行注水压载，使管节受负浮力而逐渐下沉至预定沉放位置并准备对接。对接结束后，待管节稳定，测量其在水下的最终坐标位置，以确定沉放管节与已沉放管节的对接具体情况，完成验收。

　　3.4.2 管节下沉压载系统的操作

　　管节内的压载系统已经于管节预制时提前安装并检验于管节内部。香港隧道沙中线工程中，每条管节内共有10个压载水箱分别位于管节两侧通道，以保证管节沉放时的平衡。压载系统同时配套有离心水泵安装于端封门内部，用于上浮时排水以及沉放时注水。沉放时，将有专业人士根据总指挥的指示操作离心水泵，维持管节匀速缓慢下降，直至沉放至基底指定位置，压载水箱抗浮系数>1.04。管节内整体压载系统布置如图6所示。

　　

　　图6 管节内整体压载系统布置  

　　 

　　3.4.3 管节沉放步骤

　　当管节抵达并锚固在沉放位置后，将根据下列步骤进行沉放。

　　1)检查并预热设备，水平移动管节至已安装管节10m处。准备开始注水至压载水箱进行压载，如图7a所示。

　　2)持续进行压载(注水量约1 200t，使沉管于水中的负浮力约400t)。缓慢沉放管节(沉放速度应控制在0.5m/min之内)，如图7b所示。下沉中需要校正管节斜度以符合隧道整体下降或上扬的坡度，并且派遣潜水员进行水下测量。

　　3)缓慢以“Z”字形方式边下沉边前移管节至距离海床高度1m以内，并且水平移动管节距离已沉管节的600mm范围内。派遣潜水员下水人工检测管节的实际深度和与相邻管节间的距离，以校对GPS定位系统可能存在的误差，如图7c所示。

　　4)定位准确后，沉管头端借助导梁和导梁座定位(已安装沉管)，尾端利用锚缆进行调整，然后下沉着地。测量员检查管节的基准线是否达到设计要求:如果管节基准线达标，则沉放管节的尾端至基底，并检测管节的基准线;如果头端或尾端任意一段与设计基准线不符，则需要再次吊起管节进行调整，并重复此步骤。派遣潜水员下水人工检测管节及止水带的情况并且安装千斤顶、打开人孔准备初步拉合。

　　3.5 管节对接

　　3.5.1 初步拉合(千斤顶拉合GINA止水带)

　　当管节沉放至设计位置时，开始拉合、对接、初步止水。拉合前潜水员需再次用测量卡尺对管节的距离、左右偏移及顶面高差进行测量，并对两管节接触面及两侧检查，对GINA止水带探摸检查，防止有异物被夹。

　　初步拉合主要针对GINA止水带进行，拉合时千斤顶按20,50,75t逐级缓慢施压于GINA止水带，保证GINA止水带均匀压缩且不受到损伤直至止水带压缩至指定厚度，对接拉合速度≤5cm/min。潜水员将在水下测量止水带的厚度，检测拉合效果。止水带拉合要求如图8,9所示。

　　

　　图7 管节沉放步骤  

　　 

　　

　　图8 千斤顶  

　　 

　　

　　图9 GINA止水带前后厚度判断拉合效果 

　　 

　　同时，在拉合过程中测量人员对管节里程进行测量，潜水员亦须对端面间距离进行测量，以辅助判断拉合效果。初步拉合完成后，管节对接剖面如图10所示，准备水压对接。

　　3.5.2 水压对接

　　1)在拉合千斤顶拉合管节接头初步止水完成后，潜水员全面检查GINA止水带的压接情况，并测量两条管节之间的距离、管顶面高差、接头左右偏差，满足要求时后，进行放水压接作业。

　　

　　图1 0 水压对接布置 

　　 

　　2)在已装管节内，打开上部空气阀(见图11)，两侧阀门要求同时打开，将水放在靠端头的第1个水箱内。

　　

　　图1 1 水压对接示意  

　　 

　　3)当空气管没水流出后，启动水泵(见图11a)，将接头空腔内的剩余水排至压载水箱内，进一步实现水压对接。接头空腔水量约200m³,2台水泵同时抽水，约20min可排空接头水。

　　4)在整个过程中，测量人员及潜水员不断测量管节端面之间的距离，随着腔内放水的进行，端头间距离越来越小至距离不变(在设计范围内)，水压对接完成，最后把接头内腔水排干，如图11b所示。水压对接效果如图12所示。

　　

　　图1 2 水压对接效果  

　　 

　　3.5.3 开水密门

　　观察管路上的压力表，判断接头内腔水位是否低于水密门下缘;潜水员对接触面进行检查、测量，满足要求后，可开水密门。开启时要注意:管节内隔舱水被抽走后，在打开水密门前，需对隔舱封闭空间进行测试，确保隔舱封闭空间内无有害、有毒或者易燃气体。如果发现这些气体，应及时处理并确保隔舱封闭空间内安全方可打开水密门，让操作人员进入隔舱内。

　　检查管节对接端GINA橡胶止水带的水密性，如果发现任何漏水情况，应进行适当的处理和修理。

　　3.5.4 管内测量验收

　　从暗埋段内引线到第1管节以及后续管节，利用测量仪器进行精确测量，主要工作包括检测沉放管节的轴线偏差、管节标高、管节左右倾斜度等。因管节数量较多，形状有弯曲，考虑人工测量误差，测量时亦参考大地水准测量方法，以计算机模型模拟结合几何大地测量与物理大地测量，通过多个校正器械的辅助，更加准确地确定管节控制点的空间几何位置。

　　管节安装完成并保证稳定后即可打开水密门进入管内布设全站仪。根据已安装管节的测量数据与坐标，测量并记录待安装管节的轴线、倾角、里程等数据，作为待安装管节对接位置及轴线调整的依据。

　　3.5.5 稳定压载

　　管节对接经测量验收满足要求后，通过管内压载系统，往水箱内增加压载水，进行管节稳定压载。按设计要求，压载量为管节抗浮系数1.04，负浮力(管节重力-管节浮力)约10 000k N。压载时要求两侧水箱同时均匀对称进行，水箱水位也要同高，压载时各箱阀门对称打开，每个箱同时压载。完成后记录水箱水位，关紧所有阀门。

　　3.5.6 沉放完成

　　沉管管节完成沉放、对接、着陆后，拆除吊挂系统、测量塔、其他舾装定位系统以及人孔钢筒并进行管节顶面人孔初始密封处理。潜水员拆除拉合千斤顶(包括拉合装置)、临时垂直支撑装置(包括垂直、水平定位装置)、铰车缆索或水平千斤顶的微调系统以及其他微调系统。拆除完成后，回收部件至工作船舶，船舶离开作业水域。

　　4 材料与设备

　　主要材料与设备如表1～5所示。

　　  

　　表1 水密门材料 

　　 

　　 

　　

　　表1 水密门材料

　　  

　　表2 其他材料 

　　 

　　 

　　

　　表2 其他材料

　　  

　　表3 管节沉放主要机械设备 

　　 

　　 

　　

　　表3 管节沉放主要机械设备

　　  

　　表4 管节拉合主要船只配置 

　　 

　　 

　　

　　表4 管节拉合主要船只配置

　　  

　　表5 测量设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表5 测量设备配置

　　5 质量控制

　　5.1 管节沉放窗口期选择

　　5.1.1 气象条件

　　需要对预定沉放日期前后7～10d时间做出气象预报，确保天气平和，无恶劣天气情况。评估沉放时的可能最大风速，一般应<13.9m/s。为保险起见，沉放时的水上能见度应>1.852km。

　　5.1.2 水文条件

　　需要对沉放日期前后进行详细的水文资料调查，包括但不限于水密度，水温，水流速等。确保相关水文条件符合沉放要求，一般水流速应<0.5m/s，浪高<1.5m，而一般沉放时间宜选在早晨开始，以便有充足的时间于白天海面平稳时完成沉放。

　　5.1.3 基槽检查及清理

　　沉放前须对管节的基槽进行检查，是否有回淤现象，如有高点，必须先进行清理。

　　5.2 管节沉放技术要求

　　1)管节下沉速度≤0.5m/min。

　　2)沉放过程管节的抗浮系数≥1.01。

　　3)管节沉放后稳定压载抗浮系数≥1.04。

　　5.3 管节定位偏差

　　5.3.1 沉放时检查

　　管节沉放过程中，应派遣潜水员不断检测管节实时位置，与GPS及全站仪相互校对。自接近已安装管段10m内开始，分阶段详细检查管节的横倾值、纵倾值、轴线偏差、管节标高以及管节间的相对位置。

　　5.3.2 管节沉放偏差控制

　　管节沉放的偏差主要由测量控制，首先根据GPS读数，将管节沉放至设计位置约3m附近。沉放速度需跟要求控制。

　　将管节缓慢逐渐移至GPS读数的设计位置。保持管节吊运状态，并由潜水员检查是否与已沉管节之间有差距。如有差距，则根据检查结果，重新轻微调整管节位置后进行对接抽水。

　　管节对接完成，实现与前一管节贯通后，应进行隧道内高程测量，根据测量数据，通过调节下一沉放管节基础处理垫层高程实现纠偏。若高程和扭转偏差过大，须松开GINA橡胶止水带、起浮管节，重新整平基础再进行沉放作业。

　　5.3.3 沉放后初步检查

　　沉管管节初步沉放后，需定位测量检测，其初步定位允许偏差范围为:轴线偏差:±50mm;高程偏差:±25mm。

　　5.3.4 预估沉降量控制

　　另外，根据现实基槽的情况，每条管节的预基槽抬高值在15～40mm，以匹配管节的预估沉降量。

　　6 结语

　　香港沙中线沉管隧道是香港第4条过海铁路隧道，也是香港第1条采用抗震设计的沉管隧道。该项目共计沉放沉管管节11条，管节沉放时间为2017年6月—2018年4月，管节最深沉放深度超过水下30m，管节沉放期间经历强热带风暴“苗柏”，超强台风“天鸽”等，最终所有管节沉放顺利，效果理想，为沉管隧道外部回填施工及后续的管节内装修提供了必要条件。通过对其施工控制技术的研究，积累了系统的海底沉管隧道施工技术经验，拓宽了我国沉管隧道的施工领域。