朱建國(guó),倫燦章

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

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大型管節(jié)浮運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)分析

朱建國(guó),倫燦章

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

以港珠澳大橋島隧工程為例，介紹大型管節(jié)海上長(zhǎng)距離浮運(yùn)的方法，分析浮運(yùn)方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，探討浮運(yùn)阻力確定、時(shí)間窗口確定以及拖輪編隊(duì)等問(wèn)題，并確定最終方案。

沉管隧道；管節(jié)浮運(yùn)；模型試驗(yàn)；拖輪編隊(duì)

港珠澳大橋島隧工程總長(zhǎng)7 440.5 m，其中沉管隧道長(zhǎng)5 664 m，由33個(gè)管節(jié)E1～E33組成，管節(jié)寬37.95 m、高11.4 m、長(zhǎng)112.5 m(E1、E2、E32、E33)和180 m(E3～E31)，最重達(dá)7.8萬(wàn)t，建成將成為世界范圍內(nèi)最長(zhǎng)、埋置最深、單孔跨度最寬、單節(jié)柔性管節(jié)最長(zhǎng)、規(guī)模最大的海底公路沉管隧道[1]。管節(jié)預(yù)制廠位于桂山島，距離安裝現(xiàn)場(chǎng)約13 km。該工程管節(jié)浮運(yùn)距離遠(yuǎn)，時(shí)間長(zhǎng)，水深淺，航道窄，流態(tài)復(fù)雜，航道交通繁忙，需避免浮運(yùn)過(guò)程中的擱淺、碰撞等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)浮運(yùn)編隊(duì)的拖力、操縱性、協(xié)同性提出了較高的要求。因此如何將管節(jié)安全地從預(yù)制廠運(yùn)輸至沉放水域，是沉管隧道施工的首要任務(wù)，也是該工程必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)管節(jié)浮運(yùn)的研究主要集中在浮運(yùn)阻力方面，而在時(shí)間窗口和拖輪編隊(duì)方面，相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道不多，系統(tǒng)性研究較少。因此，考慮從浮運(yùn)阻力確定、時(shí)間窗口確定以及拖輪編隊(duì)方案3方面對(duì)管節(jié)浮運(yùn)技術(shù)開(kāi)展分析。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 浮運(yùn)阻力確定

港珠澳大橋島隧工程的管節(jié)需在海上浮運(yùn)，受到風(fēng)、浪、流等荷載的綜合作用，航道相對(duì)內(nèi)河的環(huán)境因素更加復(fù)雜，管節(jié)從航道浮運(yùn)到基槽的過(guò)程中，流向角、水深及流速的變化，使管節(jié)的阻力產(chǎn)生變得非常復(fù)雜。管節(jié)的阻力特性將影響到浮運(yùn)方案中的作業(yè)時(shí)間窗口以及拖輪編隊(duì)方案等關(guān)鍵問(wèn)題，因此在進(jìn)行海上長(zhǎng)距離管節(jié)浮運(yùn)前，對(duì)管節(jié)的阻力大小及影響因素進(jìn)行深入研究，最終得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)管節(jié)浮運(yùn)方案的設(shè)計(jì)[2]。

管節(jié)浮運(yùn)阻力通常采用經(jīng)驗(yàn)公式，如《港口工程荷載規(guī)范》中推薦的公式進(jìn)行估算。但上述規(guī)范中沒(méi)有針對(duì)大型鈍體水流阻力的計(jì)算公式[3]，由于大型管節(jié)的阻力系數(shù)難以確定，因而經(jīng)驗(yàn)估算值與實(shí)際值的偏差較大，僅適用于浮運(yùn)施工方案的初步評(píng)估。在詳細(xì)施工方案階段，需根據(jù)浮運(yùn)作業(yè)的實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的模型試驗(yàn)，以確定管節(jié)在各種工況下的浮運(yùn)阻力。

從理論上來(lái)講，管節(jié)在水中的受力是一個(gè)鈍體在限制區(qū)域的粘性興波問(wèn)題。物體在無(wú)限介質(zhì)中的粘性繞流問(wèn)題僅在小雷諾數(shù)時(shí)才有滿意的解析解或數(shù)值解。然而，大型管節(jié)所涉及的內(nèi)容除了鈍體和介質(zhì)的雷諾數(shù)大，還有限制邊界及自由表面的影響等因素，十分復(fù)雜：①當(dāng)管節(jié)與沉放駁、拖船組合在一起時(shí)，整個(gè)編隊(duì)的形狀極不規(guī)則。②浮運(yùn)航道水深較淺，浮運(yùn)時(shí)的淺水效應(yīng)比較明顯。③航道中存在波浪，也會(huì)產(chǎn)生一定的附加阻力。

因此，就目前掌握的資料及研究成果，通過(guò)數(shù)值模型試的方式來(lái)準(zhǔn)確估算管節(jié)浮運(yùn)阻力，還存在很大的困難，普遍認(rèn)為最可靠的方法是物理模型試驗(yàn)。由于管節(jié)是方形鈍體，流動(dòng)分離點(diǎn)穩(wěn)定，為試驗(yàn)研究中實(shí)現(xiàn)自相似創(chuàng)造了條件。因此，從理論上來(lái)說(shuō)試驗(yàn)研究可獲得較滿意的結(jié)果[4]。

管節(jié)浮運(yùn)包括航道浮運(yùn)及基槽浮運(yùn)2個(gè)階段。物模試驗(yàn)分別考慮這2個(gè)階段的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)。航道浮運(yùn)階段流向與管節(jié)浮運(yùn)方向的夾角(下稱流向角)較小，基本屬于順流或逆流狀態(tài)，此階段進(jìn)行了0°，12°，18°和30°流向角的試驗(yàn)工況。同時(shí)，為了研究水流對(duì)浮運(yùn)阻力的影響，設(shè)置了靜水拖航和逆流拖航2種對(duì)比工況，用于分析相同的相對(duì)航速下靜水與逆流的浮運(yùn)阻力數(shù)據(jù)。另外，由于航道水深較淺，浮運(yùn)時(shí)淺水效應(yīng)明顯，試驗(yàn)還需考慮水深對(duì)浮運(yùn)阻力的影響，因此，試驗(yàn)分別模擬了14.4、16.0和25.0 m水深，得到不同水深下的浮運(yùn)阻力數(shù)據(jù)。

管節(jié)浮運(yùn)并非簡(jiǎn)單的一個(gè)管節(jié)在海上拖航，而是以編隊(duì)的形式浮運(yùn)。除了管節(jié)，浮運(yùn)編隊(duì)還包括2艘沉放駁和4艘拖船。為了定量分析其對(duì)浮運(yùn)編隊(duì)阻力的影響，模型試驗(yàn)加入了沉放駁與拖船的模型(見(jiàn)圖1)，并結(jié)合實(shí)際浮運(yùn)作業(yè)可能的編隊(duì)形式，分別進(jìn)行不含拖輪、4艘拖船順靠和2艘拖船順靠2艘拖船頂靠3種試驗(yàn)工況。

圖1 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

管節(jié)從航道浮運(yùn)至基槽時(shí)，需90°轉(zhuǎn)向，將承受橫向水流作用。由于流向角較大，水流對(duì)浮運(yùn)編隊(duì)的作用力也較大，因此需要拖船頂靠在沉放駁上抵抗橫向水流，保持浮運(yùn)方向。為分析大流向角水流對(duì)浮運(yùn)編隊(duì)的作用力，此階段試驗(yàn)將模型靜置于流向角為60°和90°的水流中，測(cè)量整個(gè)浮運(yùn)編隊(duì)承受的水流力。

另外，浮運(yùn)時(shí)海面的上波浪也會(huì)對(duì)浮運(yùn)阻力產(chǎn)生影響，應(yīng)考慮波浪產(chǎn)生的附加作用力。因此，模型試驗(yàn)設(shè)置了0.8 m有義波高的規(guī)則波作用下的浮運(yùn)阻力工況，并與沒(méi)有波浪作用的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析波浪增阻系數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)拖船的靠泊方式對(duì)整個(gè)編隊(duì)的阻力影響較大，拖船由順靠改為頂靠后，阻力明顯增大。

2)流向角增加，阻力顯著增大。

3)在相同的相對(duì)航速下，逆流拖航的阻力比靜水中的大。

4)水深增加，阻力明顯下降，淺水效應(yīng)比較顯著。

5)0°，60°和90°浪向的波浪作用下，拖航波浪增阻效應(yīng)顯著，增阻系數(shù)最高可達(dá)到18%。

1.2 時(shí)間窗口確定

確定時(shí)間窗口時(shí)需深入研究潮汐的周期性變化規(guī)律，分析不同的潮汐、流速，以及其發(fā)生概率之間的關(guān)系。

浮運(yùn)作業(yè)區(qū)域的潮汐屬于不正規(guī)半日潮類型[6]，潮流為周期性南-北向的往復(fù)流，其中大潮期間日潮現(xiàn)象較明顯，小潮期間半日潮現(xiàn)象顯著，中潮介于2者之間。半日潮期間，潮水2漲2落，潮位曲線具有2峰2谷，對(duì)應(yīng)的流速有4個(gè)峰值，各個(gè)峰值相差不大。而日潮通常有一個(gè)明顯的主峰、主谷，同時(shí)，主谷與主峰之間有一個(gè)次峰和次谷。不管是日潮還是半日潮，落潮流速一般都要大于漲潮流速，流速峰值一般出現(xiàn)在最高、最低潮前1～2 h。流速峰值與潮差相關(guān)，潮差越大，流速峰值越大，所以理想的浮運(yùn)時(shí)間窗口一般都在小潮汛期間。

分析該區(qū)域的歷史水文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，0.6及0.8 m/s的流速具有較典型的界限性。而管節(jié)浮運(yùn)從開(kāi)始帶纜到基槽處錨泊，作業(yè)時(shí)間超過(guò)12 h，將至少跨越2個(gè)流速峰值。因此，作業(yè)時(shí)間窗口可定為連續(xù)2個(gè)流速峰值小于0.6 m/s，且第3個(gè)流速峰值小于0.8 m/s的時(shí)間，如圖2所示的流速峰值二、三和四。該作業(yè)時(shí)間窗口全年平均保證率達(dá)到70%。最大保證率在7月達(dá)到97%，而最小保證率的9月也達(dá)到55%。0.6及0.8 m/s這2個(gè)界限流速是確定時(shí)間窗口的關(guān)鍵。雖然，取值太大保證率高，但拖航阻力大，所需配置的拖輪馬力大大增加，經(jīng)濟(jì)性較差；取值太小則時(shí)間窗口保證率降低，難以確保隧道施工進(jìn)度。

圖2 流速、流向和潮位

時(shí)間窗口確定后，每次浮運(yùn)之前，都應(yīng)根據(jù)天文、氣象及江河流量等預(yù)報(bào)資料制定出詳細(xì)的作業(yè)時(shí)間安排，確保在用現(xiàn)有的拖船配置情況下按計(jì)劃到達(dá)基槽錨泊處。為了使作業(yè)計(jì)劃具有足夠的靈活性，詳細(xì)作業(yè)時(shí)間安排中應(yīng)包括一些臨時(shí)停留的地點(diǎn)，這樣就可對(duì)潮汐條件的變化作出機(jī)動(dòng)調(diào)整。浮運(yùn)過(guò)程應(yīng)特別注意如航道變換，尤其是大角度轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵地段，這些地段必須選擇在有利的潮汐條件時(shí)刻通過(guò)。

1.3 拖船編隊(duì)方案

港珠澳大橋島隧工程的管節(jié)浮運(yùn)作業(yè)在交通繁忙的水域，同時(shí)由于管節(jié)巨大體積與重量會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的阻力和慣性，導(dǎo)致管節(jié)操縱響應(yīng)滯后，操縱難度較大[7]，這對(duì)拖輪編隊(duì)的拖力、操縱性、協(xié)同性等都提出了較高的要求。為避免浮運(yùn)過(guò)程中管節(jié)擱淺、碰撞等風(fēng)險(xiǎn)，必須對(duì)拖船的數(shù)量、布置，以及連接方式等進(jìn)行研究，并結(jié)合管節(jié)的阻力特性、作業(yè)時(shí)間窗口這2個(gè)關(guān)鍵因素，找出合理的拖輪編隊(duì)方案。

目前，國(guó)內(nèi)外大型沉管隧道的管節(jié)浮運(yùn)多數(shù)采用大馬力全回轉(zhuǎn)拖船吊拖的編隊(duì)方式，如丹麥厄勒海峽隧道、韓國(guó)釜山-巨濟(jì)沉管隧道管和上海外環(huán)隧道管節(jié)浮運(yùn)[8]都采用了4艘拖船吊拖的編隊(duì)方式。但是對(duì)于環(huán)境載荷更加復(fù)雜的海上浮運(yùn)，此編隊(duì)方式難以滿足本工程對(duì)拖力和操縱性的要求，需采用吊拖與傍拖組合的編隊(duì)方式。根據(jù)上述編隊(duì)方案的設(shè)計(jì)原則以及模型試驗(yàn)的阻力數(shù)據(jù)，從可行性分析得到3種編隊(duì)方案。

方案1(見(jiàn)圖3)。4艘拖船吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮運(yùn)時(shí)，1、2號(hào)拖船在前方領(lǐng)拖，提供浮運(yùn)向前主動(dòng)力；3、4號(hào)拖船在后方反拖，用于制動(dòng)、轉(zhuǎn)向；5、6、7、8號(hào)拖船并靠沉放駁兩舷，控制管節(jié)浮運(yùn)姿態(tài)。如出現(xiàn)較大的橫流，5、6號(hào)拖船則由順靠改為頂靠提高橫向控制能力?；蹆?nèi)浮運(yùn)時(shí)，4艘傍拖拖船頂靠沉放駁，共同抵抗橫流和控制管節(jié)姿態(tài)。

圖3 拖船編隊(duì)方案1

方案2(見(jiàn)圖4)。4艘拖船吊拖、2艘拖船傍拖。1、2、3、4號(hào)吊拖拖船與方案1類似；5、6號(hào)拖船并靠沉放駁兩舷，逆流時(shí)協(xié)助提供向前拖力，順流時(shí)協(xié)助控制管節(jié)姿態(tài)。

圖4 拖船編隊(duì)方案2

方案3(見(jiàn)圖5)。2艘大功率拖船在艏艉龍須纜吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮運(yùn)時(shí)1號(hào)拖船提供向前拖力；2號(hào)拖船提供制動(dòng)力；4艘傍拖拖船與方案1類似。

圖5 拖船編隊(duì)方案3

方案1動(dòng)用8艘拖船，總功率超過(guò)29 600 kW。該方案的優(yōu)點(diǎn)是總拖力大、控制能力強(qiáng)。但是需要的拖船較多，成本高，指揮協(xié)調(diào)難。方案2只需6艘拖船，總功率約25 160 kW。該方案拖船數(shù)量少，成本低，各個(gè)拖船受力清晰，分工明確，有利于浮運(yùn)編隊(duì)的指揮，但是拖力較小富裕量不多。方案3所用拖船的數(shù)量與總功率與方案2相同。該方案對(duì)管節(jié)姿態(tài)的控制能力較強(qiáng)，但向前總拖力較差，遭遇大流速時(shí)容易失速甚至倒退。

綜合比較以上3種編隊(duì)方案，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，方案2最優(yōu)。與方案1相比，雖然方案2總拖力較小，但根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果總拖力已滿足浮運(yùn)要求，在高效、合理的指揮協(xié)調(diào)下，可確保管節(jié)浮運(yùn)的安全。另外，由于浮運(yùn)的管節(jié)數(shù)量較多，隨著浮運(yùn)次數(shù)的增加，方案2的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將突顯。與方案3相比，雖然拖船總功率一樣，但方案2的向前總拖力較大，而且吊拖時(shí)拖纜與管節(jié)軸向約呈30°夾角，不但能提高操縱性，還能有效降低拖輪尾流對(duì)拖航阻力的影響。

2 結(jié)束語(yǔ)

1)拖船靠泊方式對(duì)阻力影響較大；淺水效應(yīng)，波浪增阻效應(yīng)顯著，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分考慮。

2)理想的浮運(yùn)時(shí)間窗口一般在小潮汛期間。確定時(shí)間窗口的限制環(huán)境參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮保證率與經(jīng)濟(jì)性的平衡。

3)拖船編隊(duì)方案需要考慮拖船尾流對(duì)阻力的影響。

4)吊拖與傍拖組合方式可提高浮運(yùn)編隊(duì)的拖力和操縱性，但拖輪數(shù)量較多，編隊(duì)的指揮協(xié)調(diào)難度較大，需要在施工過(guò)程中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，提高熟練程度。

[1] 呂衛(wèi)清，吳衛(wèi)國(guó)，蘇林王，等.港珠澳大橋沉管隧道長(zhǎng)大管節(jié)水動(dòng)力性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014(3):138-144.

[2] 呂衛(wèi)清，應(yīng)宗權(quán)，蘇林王，等.沉管管節(jié)浮運(yùn)過(guò)程中波浪附加阻力的水動(dòng)力學(xué)分析[J].水運(yùn)工程，2013(11):1-5.

[3] 潘永仁.上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運(yùn)方法[J].施工技術(shù)，2004，33(5):52-54.

[4] 高衛(wèi)平.沉管隧道浮運(yùn)與沉放階段受力性態(tài)研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

[5] 林祖亨,梁舜華.珠江口水域的潮流分析[J].海洋通報(bào), 1996,15(2):11-22.

[6] 詹德新，王興權(quán)，劉祖源，等.沉管隧道及其相關(guān)模型試驗(yàn)[J].武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，24:488-492.

[7] 王海峰.大型沉管管節(jié)浮運(yùn)的阻力計(jì)算及方案研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2015.

Analysis on the Key Technologies of Floating Transport for Large Tunnel Elements

ZHU Jian-guo, LUN Can-zhang

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Taking the immersed tube tunnel project of Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge as example, the long distance sea transportation method for large tunnel elements was presented, and the key technologies in the floating transport plan were analyzed, such as the determination of resistance, time window and tug formation, etc. The final transportation plan was introduced.

immersed tube tunnel; tunnel element towing; model test; tug formation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.039

2016-05-04

朱建國(guó)(1967—)，男，碩士，高級(jí)工程師

U695.2

A

1671-7953(2016)05-0157-04

修回日期：2016-05-30

研究方向:重大件海上運(yùn)輸與安裝設(shè)計(jì)

E-mail:zhujianguo@zpmc.net