王明，赫亞鋒，寧進(jìn)進(jìn)，管澤旭

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

1 工程概況

深中通道沉管隧道采用100 km/h設(shè)計時速、雙向八車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，為兩孔一管廊橫斷面結(jié)構(gòu)。隧道全長6 845 m，其中沉管隧道全長5 035 m，由32個管節(jié)組成，S09合同段負(fù)責(zé)E1—E22管節(jié)的施工。E1管節(jié)為非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，管節(jié)長123.5 m、寬46 m、高10.6 m；E2—E21為標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，E22為含推出式最終接頭的特殊管節(jié)，管節(jié)長165 m、寬46 m、高10.6 m。采用一體船進(jìn)行浮運(yùn)安裝，沉管及一體船連接斷面見圖1。

圖1 沉管及一體船連接斷面示意圖（mm）Fig.1 Connection section of immersed tube and self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel(mm)

深圳至中山跨江通道S09標(biāo)段管節(jié)浮運(yùn)的起點是珠海市桂山島鎮(zhèn)牛頭島預(yù)制場，終點是珠江口西島基槽區(qū)，浮運(yùn)線路為：預(yù)制場支航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道一→伶仃航道→新建航道→基槽，總長約50 km。超長距離浮運(yùn)，施工風(fēng)險較高，所以研究海水密度變化[1]對管節(jié)與一體船間的作用力影響至關(guān)重要，尤其遇到豐水期、管節(jié)干舷低、風(fēng)浪流大疊加的惡劣工況，保證管節(jié)在浮運(yùn)過程中的安全至關(guān)重要。

深中通道S09標(biāo)段管節(jié)安裝始于2020年6月份，管節(jié)安裝工效為1節(jié)/1.5月，管節(jié)安裝時間段貫穿大徑流、豐水期、枯水期、臺風(fēng)季等諸多不利工況。下面將以E1管節(jié)為例研究在管節(jié)浮運(yùn)[2-3]過程中海水密度變化對管節(jié)浮運(yùn)的影響。

2020年5—7月觀測期間，豐水期桂山島海水平均密度為1.012×103kg/m3，西島海水平均密度為1.001×103kg/m3，基槽底部海水密度比表層海水密度大。觀測數(shù)據(jù)見表1。

表1 牛頭島與西島豐水期實測密度Table 1 Measured density of Niutou Island and West Island in wet season 103 kg/m3

2 船管連接

沉管浮運(yùn)過程中，為抵抗波浪浮托力，采用支墩底座與吊點系統(tǒng)、船舶壓載水系統(tǒng)配合，提供浮運(yùn)過程中船管間的預(yù)緊力[4]。

管節(jié)出塢浮運(yùn)前需要做船管正式連接，E1管頂布置相應(yīng)基座、抗剪塊及拉索吊點，E1管節(jié)船管正式連接主要包含4個L纜與管頂?shù)觞c連接，單個L纜提供2 940 kN預(yù)緊力；浮運(yùn)安裝一體船通過壓載給管節(jié)提供5 880 kN預(yù)壓力；6個支墩24個支墩拉索與管頂?shù)觞c連接，單個拉索提供294 kN左右預(yù)緊力；以上作用力通過一體船支墩傳遞給管節(jié)。

2.1 波浪浮托力計算

風(fēng)、浪、流是影響管節(jié)沉放作業(yè)窗口的主要因素，其中風(fēng)和浪依靠氣象預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報，流速依靠現(xiàn)場實時的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)《深圳至中山跨江通道施工圖聯(lián)合設(shè)計第三篇隧道第二冊沉管隧道第一分冊沉管隧道總體設(shè)計及技術(shù)要求》圖紙，管節(jié)浮運(yùn)安裝作業(yè)窗口如表2所示。

表2 浮運(yùn)沉放天氣窗口Table 2 Weather window of floating and sinking

海況：Hs=0.8 m、Tp=0.6 s。

波浪浮托力由經(jīng)驗公式計算，為27 763.4 kN。

通過數(shù)模模擬分析E1管節(jié)按照6支墩剛性連接計算后，波浪浮托力F=（320×2+145×2+180×2）×9.8=12 642 kN，近似取值為320×6×9.8=18 816 kN。

結(jié)合港珠澳工程中船管連接抵抗波浪浮托力的經(jīng)驗同時綜合考慮上述計算數(shù)值，E1管節(jié)在海況Hs=0.8 m、Tp=0.6 s的情況下，波浪浮托力取值F=18 816 kN。

2.2 E1船管連接情況

一體船長190.4 m，寬75 m，單片體寬9.1 m。E1管節(jié)預(yù)制長度123.5 m，排水長度121.664 m，寬度46 m。

一體船調(diào)平后，一體船吃水為6.96 m，管節(jié)調(diào)平之后，實測E1管節(jié)干舷為28 cm，對應(yīng)海水密度1.018×103kg/m3，船管間初步接觸無作用力。

一體船壓載9 212 kN水給E1管節(jié)提供5 880 kN預(yù)壓力，管節(jié)剩余18 cm干舷，單個L纜提至2 940 kN預(yù)緊力，單個支墩拉索提供約294 kN預(yù)緊力，船管間總作用力為24 696 kN，船管連接效果見圖2。

圖2 船管連接局部實物圖Fig.2 Partial physical drawing of ship element connection

3 浮運(yùn)過程中海水密度變化影響

出塢前：海水密度為1.018×103kg/m3，船管連接后管節(jié)干舷為18 cm；西島基槽安裝區(qū)：海水密度為1.006×103kg/m3，因海水密度變化船管連接后整體沉降量為11 cm，到達(dá)現(xiàn)場管節(jié)理論干舷為7 cm；海水密度一直處于變動狀態(tài)[5-6]，海水密度由1.018×103kg/m3漸變到1.006×103kg/m3，當(dāng)航速大于2 kn時，浮運(yùn)過程中管節(jié)干舷幾乎為0。

為便于分析海水密度變化影響，假設(shè)一體船和管節(jié)初步接觸無作用力，通過浮力計算可以得出海水密度由1.018×103～1.006×103kg/m3過程中，E1管節(jié)將整體下沉13 cm，一體船將整體下沉9 cm，管節(jié)與一體船存在不同步沉降的情況，沉降量差值為4 cm。在無外力作用的情況下，E1管節(jié)與一體船存在脫開趨勢。下面通過浮運(yùn)過程中船管間支墩應(yīng)力與位移、支墩拉索應(yīng)力、L纜纜力等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明。

3.1 浮運(yùn)過程中支墩監(jiān)測

船管連接力問題：一體船拖帶管節(jié)浮運(yùn)過程中，支墩壓力的分布較不均勻，從南向北出現(xiàn)了較為明顯的支墩總壓力降低的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象初步分析是一體船壓載水箱分布，海水密度變化等因素引起。

支墩壓力監(jiān)測結(jié)果：一體船航行時，支墩壓力合力為17 365.6～25 607.4 kN。一體船由預(yù)制廠支航道進(jìn)入榕樹頭航道后，支墩總壓力開始明顯減小，不同支墩壓力分布也逐步趨于均衡；一體船由出運(yùn)航道一進(jìn)入伶仃航道后，該現(xiàn)象更加明顯。分析原因，總壓力減小應(yīng)與船體（管節(jié)）吃水有關(guān)，在船管緊密連接下，船管同步加大吃水，管節(jié)浮力減小量明顯大于船的浮力減小量，直接引起了船管結(jié)合力（支墩壓力）降低。當(dāng)一體船進(jìn)入新建航道后，支墩壓力總和逐漸穩(wěn)定，見圖3。

圖3 一體船支墩應(yīng)力監(jiān)測曲線Fig.3 Stress monitoring curve of pier of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

支墩與管節(jié)相對位移：支墩X方向水平位移為-0.1～1.1 mm，Y方向水平位移為-0.7～0.3 mm，除4號支墩外，3號、7號、8號支墩均出現(xiàn)了明顯的水平向位移，且位移不能恢復(fù)，說明支墩側(cè)向楔型塊結(jié)構(gòu)錯動明顯。支墩的豎向位移為-0.5～0.8 mm，與船速明顯相關(guān)，逆流加速過程，支墩豎向位移增大（橡膠墊壓縮），減速或勻速降低，整體呈彈性變形特性，見圖4。

圖4 支墩橫向位移時程曲線Fig.4 Lateral displacement time history curve of pier

支墩上部艙壁應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果：8號支墩艙壁處主應(yīng)力和剪應(yīng)力大小變化趨勢與支墩變化趨勢相同；其中，相對大主應(yīng)力變化范圍為0～27 MPa，相對剪應(yīng)力變化范圍為2～17.5 MPa，相對小主應(yīng)力變化范圍為0～-10 MPa。8號支墩位置艙壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值出現(xiàn)在一體船逆流航行，相對航速4.5 kn（絕對航速3.2 kn，逆流速0.72 m/s，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入新建浮運(yùn)航道）時刻，見圖5。

圖5 支墩上部橫艙壁應(yīng)力時程曲線Fig.5 Stress time history curve of transverse bulkhead above pier

3.2 浮運(yùn)過程中支墩拉索拉力監(jiān)測

通過拉索拉力曲線圖可以判斷一體船由出運(yùn)航道一進(jìn)入伶仃航道，拉索拉力整體呈逐漸增加的趨勢，與支墩壓力總和逐漸減小的趨勢相對應(yīng)；進(jìn)入新建航道后，拉索拉力繼續(xù)調(diào)整，整體波動情況與支墩壓力波動相反。一體船進(jìn)入系泊點系泊后，拉索拉力趨于平穩(wěn)。

拉索拉力最大值615 kN，出現(xiàn)在一體船逆流航行、相對航速4.5 kn（絕對航速3.2 kn，逆流速0.72 m/s，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入新建浮運(yùn)航道）時刻；全過程各拉索拉力最大增幅不超過220 kN，多數(shù)情況下拉索拉力普遍在100～615 kN波動，較大程度低于960 kN預(yù)警值，一體船6—8號支墩拉索拉力監(jiān)測曲線見圖6。

圖6 一體船6—8號支墩拉索拉力監(jiān)測曲線Fig.6 Cable stress monitoring curve of 6-8 piers of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

3.3 浮運(yùn)過程中L纜纜力監(jiān)測

通過提升絞車?yán)|力監(jiān)測設(shè)備可以判斷由于浮運(yùn)航道海水密度的變化以及重載航速、現(xiàn)場風(fēng)速、海流變化的綜合影響，一體船L纜的總合力變化量在49～343 kN之間，整體呈增加趨勢，部分航道L纜合力減少受漲落潮影響，漲潮階段海水密度相對變大，落潮階段海水密度相對變小，L纜合力變化監(jiān)測見圖7。

圖7 浮運(yùn)過程中一體船L纜合力監(jiān)測曲線Fig.7 Monitoring curve of L-cable resultant force of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel during floating transportation

綜合以上監(jiān)測數(shù)據(jù)，由于海水密度變小，管節(jié)與一體船存在脫開趨勢，會導(dǎo)致管節(jié)在浮運(yùn)過程中支墩拉索拉力出現(xiàn)上升情況，L纜合力整體會有增加趨勢，但船管間總作用力減少，抵抗波浪浮托力變小，如果遇到更惡劣海況存在船管脫開的風(fēng)險[7]。

4 應(yīng)急預(yù)案

在浮運(yùn)過程中若出現(xiàn)管節(jié)干舷太低，需要在浮運(yùn)期間采取應(yīng)急措施[8]排出一體船壓載水。經(jīng)過計算對應(yīng)排水量與管節(jié)干舷、內(nèi)力之間的關(guān)系，考慮到拉索為剛性連接，因此將排水產(chǎn)生的內(nèi)力以作用在拉索上進(jìn)行計算，應(yīng)急排水情況見表3。

表3 一體船應(yīng)急排水情況計算表Table 3 Calculation table of emergency drainage of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

為了同時保證管節(jié)有5 cm左右的干舷，并盡量降低內(nèi)力增加，在排水前需要檢查拉索纜力、L纜纜力，如果單個拉索顯示數(shù)據(jù)偏大，需要對該拉索進(jìn)行部分卸載，綜上所述建議在應(yīng)急情況下一體船排水4 704 kN。

考慮到船管連接主要為抵抗波浪力，如果現(xiàn)場干舷偏低，計劃在新建浮運(yùn)航道合適水域進(jìn)行排水，建議排水后適當(dāng)控制浮運(yùn)航速。

5 結(jié)語

管節(jié)浮運(yùn)過程中時刻關(guān)注海水密度變化對保證管節(jié)浮運(yùn)安全至關(guān)重要，可通過支墩應(yīng)力、支墩位移監(jiān)測設(shè)備判斷船管間作用力是否變化，以此判斷抵抗波浪浮托力是否有效；可通過支墩拉索應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測浮運(yùn)過程中拉索受力是否超過其受力極限，避免因密度變化過大支墩拉索受力過大而崩斷；通過提升絞車L纜纜力監(jiān)測設(shè)備判斷絞車受力情況，保證浮運(yùn)過程中提升絞車滑輪組受力不超過其動載極限。