岳遠(yuǎn)征，周偉

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.上海海事大學(xué)，上海 201306）

1 工程概況

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級(jí)超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，與深圳側(cè)連接線對(duì)接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區(qū)馬鞍島上岸，終于橫門(mén)互通。主體工程全長(zhǎng)約24 km，沉管隧道段全長(zhǎng)6 845 m，采用雙向8車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km[1]。其中，預(yù)制沉管段長(zhǎng)5 035 m，采用鋼殼混凝土結(jié)構(gòu)，由32節(jié)管節(jié)和1個(gè)最終接頭組成。其中，E1～E22管節(jié)由桂山島預(yù)制場(chǎng)完成預(yù)制，采用浮運(yùn)安裝一體船浮運(yùn)安裝[2]。標(biāo)準(zhǔn)段管節(jié)尺寸為165 m×46 m×10.6 m，舾裝完成后自重約72 000 t，浮運(yùn)吃水10.4 m。本文主要進(jìn)行一體船帶165 m管節(jié)狀態(tài)模擬試驗(yàn)，論證新建浮運(yùn)航道寬度。

2 浮運(yùn)船舶

浮運(yùn)船舶為世界首艘自航式浮運(yùn)安裝一體船（以下簡(jiǎn)稱：一體船），該船舶特點(diǎn)如下：

1）一體船主船體采用雙體船船型設(shè)計(jì)，兩側(cè)片體由4個(gè)箱型跨梁連接而成。

2）一體船本身具有自航功能，可滿足帶標(biāo)準(zhǔn)沉管浮運(yùn)下深水靜水航速5 kn要求，并具備DP-1動(dòng)力定位功能，能夠在帶沉管工況下抗1.6 kn橫流，最不利的情況可以抵御1.4 kn水流。

3）一體船動(dòng)力定位系統(tǒng)具備航跡追蹤及偏移糾偏功能，輔助保持航跡。

一體船尺度及性能參數(shù)見(jiàn)表1，三維效果圖如圖1所示。浮運(yùn)作業(yè)時(shí)一體船帶沉管狀態(tài)總排水量約為10萬(wàn)t。

表1 一體船尺度及性能參數(shù)Table 1 The size and performance parameters of integrated vessel

圖1 一體船三維效果圖Fig.1 The 3D effect graph of integrated vessel

3 浮運(yùn)航道

沉管在桂山島二次舾裝完成后，通過(guò)一體船拖航至隧道基槽進(jìn)行沉放安裝，沉管浮運(yùn)線路為：桂山預(yù)制場(chǎng)→榕樹(shù)頭航道→港珠澳出運(yùn)航道→伶仃航道→新建浮運(yùn)航道→安裝航道→隧道基槽處，航道總長(zhǎng)約50 km[3]。

沉管浮運(yùn)編隊(duì)在受限航道內(nèi)浮運(yùn)時(shí)，盡量減小航道與主流向的夾角，減少水阻力提高沉管操控安全度。根據(jù)港珠澳大橋施工經(jīng)驗(yàn)，航道軸線與流向夾角小于15°時(shí)沉管操控安全度高。新建浮運(yùn)航道中灘區(qū)域受水深影響航道浮運(yùn)難度較大。因此，該段區(qū)域浮運(yùn)航道軸線與流向夾角需要控制在15°以內(nèi)，經(jīng)過(guò)對(duì)新建浮運(yùn)航道區(qū)域流向監(jiān)測(cè)，漲潮流期間流向?yàn)?52°，為保證夾角在15°以內(nèi)，中灘區(qū)域航道方位角選擇5°，東槽、西槽航道方位角選擇根據(jù)中灘確定。新建浮運(yùn)航道平面布置如圖2所示。

圖2 新建浮運(yùn)航道平面布置圖Fig.2 Plane layout of new floating channel

4 模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)工況

根據(jù)所在航道的風(fēng)流情況設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，即：根據(jù)自然環(huán)境及浮運(yùn)作業(yè)窗口條件，以及該水域常風(fēng)速、常風(fēng)向確定試驗(yàn)風(fēng)速和風(fēng)向；航道漲落潮方向，確定試驗(yàn)流速和流向，模擬試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

表2 模擬試驗(yàn)工況Table 2 Simulation test conditions

4.2 試驗(yàn)步驟

1）根據(jù)本工程浮運(yùn)線路方案及設(shè)計(jì)尺度要求，制作本工程所需要的航道、基槽和相關(guān)水域的電子海圖信息數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）根據(jù)一體船性能資料，構(gòu)建一體船操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行模型校驗(yàn)和精度分析。

3）設(shè)計(jì)一體船操縱模擬系統(tǒng)，進(jìn)行一體船在航道內(nèi)不同風(fēng)、浪、流組合條件下的操控模擬試驗(yàn)。

4）根據(jù)數(shù)模試驗(yàn)結(jié)果論證新建浮運(yùn)航道寬度合理性，分析航道浮運(yùn)作業(yè)環(huán)境條件及航行速度等。

4.3 試驗(yàn)軌跡

按照試驗(yàn)工況，設(shè)置模擬試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)，開(kāi)展模擬試驗(yàn)。選擇具有相應(yīng)等級(jí)船舶操縱資質(zhì)的引航員或?qū)嵈{駛經(jīng)驗(yàn)的駕駛員，作為船舶模擬操縱人員[4]，開(kāi)展所有工況組合模擬試驗(yàn)。采集模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制模擬試驗(yàn)航跡線，分析模擬試驗(yàn)結(jié)果，為新建浮運(yùn)航道設(shè)計(jì)和一體船浮運(yùn)操控提供參考。采用船舶操縱模擬器進(jìn)行試驗(yàn)，獲得不同工況組合的模擬試驗(yàn)軌跡,模擬試驗(yàn)軌跡如圖3所示。

圖3 新建浮運(yùn)航道模擬軌跡Fig.3 Simulated trajectory of new floating channel

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

采集模擬試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)，每6 s采樣1次，采集450組數(shù)據(jù)，繪制模擬試驗(yàn)進(jìn)程曲線（圖4），反應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程中船速、舵角和風(fēng)流壓差角變化，綜合反映船舶操縱難度。根據(jù)模擬試驗(yàn)可知，工況一、工況四時(shí)，風(fēng)流相互疊加，風(fēng)流壓差角大，此時(shí)曲線變化明顯，一體船航行時(shí)操舵頻繁，操縱難度更大；工況二、工況三時(shí)，風(fēng)流相互抵消，風(fēng)流壓差角小，此時(shí)曲線變化較小，一體船航行時(shí)操舵較少，操縱難度更小。

圖4 新建浮運(yùn)航道工況三進(jìn)程曲線Fig.4 Process curve of new floating channel condition 3

模擬試驗(yàn)進(jìn)程數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，新建浮運(yùn)航道航行時(shí)，在漲潮流條件下，一體船平均航速可以保持在4.3 kn左右，平均風(fēng)流壓差角范圍為6.7°～6.9°，平均舵角在 5.3°～7.3°。正確操縱船舶，可以順利通過(guò)該水域；在落潮流條件下，水流阻力較大，同時(shí)，船舶在該時(shí)段通過(guò)淺水區(qū)的擱淺風(fēng)險(xiǎn)加大，因此，建議漲潮時(shí)通過(guò)新建浮運(yùn)航道。

表3 新建浮運(yùn)航道模擬試驗(yàn)進(jìn)程數(shù)據(jù)Table 3 Process data of simulation test for new floating channel

同時(shí)考慮風(fēng)流壓差角和航速要求，則頂風(fēng)漲潮流為最佳工況，此時(shí)，船舶風(fēng)流壓差角相對(duì)不大，平均為6.7°，可以在保持航速的同時(shí)，比較好的控制船舶位置，考慮淺水區(qū)水流阻力較大，推薦在工況二（頂風(fēng)漲潮流）條件下通過(guò)新建浮運(yùn)航道。

5 浮運(yùn)航道寬度分析

參考JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，單線航道寬度相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：W為航道寬度，m；A為航跡帶寬度，m；c為船舶與航道底邊線之間的富裕寬度，m；n為船舶漂移倍數(shù)；L為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，m；γ為風(fēng)、流壓偏角，（°）；B為設(shè)計(jì)船寬，m。

考慮一體船操縱性能特殊，規(guī)范對(duì)其航跡帶寬度尚不明確，其航行時(shí)的船舶漂移倍數(shù)和風(fēng)、流壓偏角等參數(shù)均無(wú)法確定。因此，本文采用模擬試驗(yàn)獲得航跡帶寬度A，然后再計(jì)算所需航道寬度W。

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，不同風(fēng)、流工況條件下的最大航跡帶寬度為112 m，考慮左右兩側(cè)富裕寬度合計(jì)為1倍船寬，則對(duì)應(yīng)所需航道寬度為187 m，新建浮運(yùn)航道最窄段為200 m，能夠滿足一體船通航需要。其航跡帶寬度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 新建浮運(yùn)航道模擬試驗(yàn)航跡帶寬度數(shù)據(jù)Table 4 Track bandwidth data of new floating channel simulation test

6 施工安全保障措施

1）沉管浮運(yùn)作業(yè)前，按要求檢查一體船設(shè)備，確保一體船船機(jī)設(shè)備及助導(dǎo)航設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，避免出現(xiàn)舵機(jī)、主機(jī)、側(cè)推等動(dòng)力設(shè)備故障，造成船舶失控風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，更新最新海圖資料，提高船舶導(dǎo)航定位精度，確保船舶正確航行在預(yù)訂航線上。

2）根據(jù)沉管浮運(yùn)作業(yè)要求，嚴(yán)格選擇浮運(yùn)作業(yè)窗口時(shí)段并制定計(jì)劃，避免在風(fēng)、浪、流超過(guò)限制以及不利組合的情況下進(jìn)行浮運(yùn)。同時(shí)，按要求配備經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員，保持良好船藝，謹(jǐn)慎駕駛船舶，安全通過(guò)連續(xù)轉(zhuǎn)彎及淺水區(qū)域等危險(xiǎn)航段。

3）按預(yù)先制定的浮運(yùn)計(jì)劃，做好浮運(yùn)計(jì)劃演練，熟悉整個(gè)浮運(yùn)過(guò)程，落實(shí)人員責(zé)任，做好指揮協(xié)調(diào)，保證整個(gè)浮運(yùn)過(guò)程順利進(jìn)行。同時(shí)，加強(qiáng)人員安全教育，梳理其中可能遭遇的危險(xiǎn)，做好安全防范工作[6]。

4）遵守所在水域的通航管理規(guī)定，按照海事主管機(jī)構(gòu)要求，申請(qǐng)進(jìn)行交通管制。嚴(yán)格按照預(yù)定計(jì)劃，進(jìn)入預(yù)定航道。同時(shí)，安排拖輪及海巡艇進(jìn)行清道護(hù)航，保障水域通航秩序，確保浮運(yùn)過(guò)程不受到其它船干擾。同時(shí)，在通過(guò)相應(yīng)航道后，及時(shí)解除封航，恢復(fù)水域秩序。

5）制定船舶擱淺、失控等應(yīng)急預(yù)案，做好應(yīng)急資源配備，在突發(fā)情況出現(xiàn)時(shí)，立即啟動(dòng)應(yīng)急反應(yīng)流程，采取措施將損失降到最小[7]。應(yīng)急反應(yīng)結(jié)束后，調(diào)查事故原因，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，做好以后的安全防范工作[8]。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬試驗(yàn)方法，獲得一體船進(jìn)行超大型沉管浮運(yùn)時(shí)航跡帶寬度，進(jìn)而論證超大型沉管浮運(yùn)所需航道寬度，為超大型沉管浮運(yùn)航道寬度設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)通過(guò)制定浮運(yùn)演練計(jì)劃、應(yīng)急預(yù)案等，為保障超大型沉管浮運(yùn)安全做好充分準(zhǔn)備。