于志安

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

深中通道工程橫亙珠江兩岸，東起深圳機(jī)荷高速，西止中山橫門(mén)互通，全長(zhǎng)約24 km。海中隧道全長(zhǎng)6 845 m，其中沉管段長(zhǎng)度5 035 m，共有預(yù)制沉管32個(gè)，采用雙鋼板-混凝土組合結(jié)構(gòu)，其中10個(gè)管節(jié)(E23～E32)在龍穴造船基地完成混凝土澆筑并采用拖輪拖帶的方式出運(yùn)，浮運(yùn)航道由龍穴造船基地至廣州港航道后橫穿珠江至深圳機(jī)場(chǎng)碼頭以南，航道長(zhǎng)度約22 km。航道橫穿珠江段和機(jī)場(chǎng)碼頭附近段水域，天然水深小，開(kāi)挖土層厚度約9 m。合理設(shè)計(jì)航道寬度可以有效減少疏浚量、降低對(duì)施工水域的環(huán)境污染、減小疏浚物處理的壓力，有利于水上施工的順利開(kāi)展。

1 設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計(jì)方法

沉管法隧道是國(guó)內(nèi)水下隧道的重要工法之一，大型跨海沉管隧道工程因管節(jié)預(yù)制數(shù)量多、預(yù)制場(chǎng)地需求高，難以實(shí)現(xiàn)管節(jié)就地預(yù)制，一般需要遠(yuǎn)距離水上浮運(yùn)。拖輪拖帶浮運(yùn)沉管方式是采用拖輪拖帶、頂推等方式控制管節(jié)姿態(tài)、浮運(yùn)速度和轉(zhuǎn)向以實(shí)現(xiàn)管節(jié)水上運(yùn)輸，是沉管浮運(yùn)的重要方法。

關(guān)于沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航道寬度的確定，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可以依據(jù)，一般參考船舶航道設(shè)計(jì)方法，將沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航跡帶寬度及沉管與航道兩側(cè)底邊線(xiàn)間富余寬度的和作為浮運(yùn)航道寬度。

確定拖輪拖帶過(guò)程中的沉管航跡帶寬度是浮運(yùn)航道寬度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，但目前國(guó)內(nèi)見(jiàn)諸于公開(kāi)資料的沉管拖輪拖帶浮運(yùn)的航跡帶寬度設(shè)計(jì)實(shí)踐很少，僅在港珠澳大橋項(xiàng)目中有所應(yīng)用[1-2]，其沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航道設(shè)計(jì)參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)方法，沉管航跡帶寬度A計(jì)算考慮風(fēng)、流壓偏角γ和船舶漂移倍數(shù)n，計(jì)算公式[3]為：

A=n(B+Lsinγ)

(1)

式中：L為沉管長(zhǎng)度；B為沉管寬度。

1.2 設(shè)計(jì)方法的局限性

船舶航跡帶寬度與船舶類(lèi)型及尺寸、船舶操縱性能、航速、船舶操縱人員的經(jīng)驗(yàn)和水平有關(guān)，同時(shí)與航行水域的風(fēng)、水流、波浪、航道水深等因素有關(guān)?！逗８劭傮w設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的航跡帶寬度計(jì)算方法基本適合航速為8～12 kn的情況，船舶低速航行時(shí)的操縱狀況又與設(shè)計(jì)時(shí)速迥然不同。

沉管浮運(yùn)與船舶航行不同，沉管近似為長(zhǎng)方體形狀，水上拖航速度慢，一般不超過(guò)2 kn，沉管本身并無(wú)動(dòng)力系統(tǒng)，而是依托多艘拖輪提供外力，控制水上行進(jìn)路線(xiàn)。沉管航跡帶寬度主要取決于拖輪所能提供的拖力情況和各拖輪間配合的協(xié)調(diào)性。通過(guò)套用自帶動(dòng)力和舵效、單船操控、快速行駛的船舶航跡帶寬度計(jì)算公式確定沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航跡帶寬度具有一定局限性。

自航式一體船浮運(yùn)沉管航道寬度的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有基于船舶操縱模擬試驗(yàn)研究案例[4]，但針對(duì)拖輪拖帶沉管浮運(yùn)航道尚未見(jiàn)基于模擬試驗(yàn)的相關(guān)設(shè)計(jì)。

2 航道寬度設(shè)計(jì)

2.1 管節(jié)尺度及拖輪配置

深中通道的E23～E32管節(jié)在龍穴造船基地完成混凝土澆筑，采用拖輪拖帶的方式出運(yùn)，管節(jié)尺寸見(jiàn)表1。

表1 管節(jié)尺寸

為控制浮運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，管節(jié)浮運(yùn)橫流流速不大于0.6 m/s、有效波高不大于0.8 m、波浪平均周期不大于6 s、風(fēng)速不大于6級(jí)。根據(jù)管節(jié)尺寸和施工組織安排，沉放駁置于沉管頂部固定，兩側(cè)設(shè)突出沉管兩側(cè)的旁拖工裝架。沉管拖帶浮運(yùn)配置2艘前拖輪、2艘尾拖輪，中間配置4艘(標(biāo)準(zhǔn)管節(jié))或2艘(標(biāo)準(zhǔn)管節(jié))旁拖輪，配置2艘應(yīng)急拖輪，沉管糾偏主要依托旁拖輪，其拖力為650 kN/艘。

2.2 沉管航跡帶寬度

沉管航跡帶寬度的確定可供參考的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)很少，為更合理地確定浮運(yùn)航道寬度，對(duì)參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算所得的航跡帶寬度與數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2.1參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算

參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照式(1)計(jì)算橫流速度0.6 m/s時(shí)沉管航跡帶寬度見(jiàn)表2。

表2 參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算沉管航跡帶寬度

2.2.2數(shù)值仿真試驗(yàn)

鑒于以往項(xiàng)目沉管航跡帶寬度確定參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》船舶航道計(jì)算方法具有局限性，深中通道項(xiàng)目開(kāi)展了沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航跡帶寬度的水動(dòng)力數(shù)值仿真試驗(yàn)。數(shù)值仿真試驗(yàn)?zāi)M沉管糾偏過(guò)程，包括發(fā)現(xiàn)偏航警戒、拖輪就位調(diào)整、拖輪啟動(dòng)加力、糾偏等4個(gè)階段。設(shè)定條件如下[5]：1)考慮拖輪作業(yè)需克服自身阻力，試驗(yàn)設(shè)定單條拖輪糾偏作業(yè)時(shí)為克服自身所受阻力發(fā)揮80%的效力，即單輪最大糾偏力F=650 kN×0.8=520 kN；2)根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定拖輪就位后拖力達(dá)到設(shè)定糾偏力的時(shí)間為30 s；3)考慮拖帶浮運(yùn)施工配置精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，偏航警戒值設(shè)為5 m。

試驗(yàn)以旁拖輪就位時(shí)間和糾偏力為變量，計(jì)算允許流速下沉管最大偏移量。試驗(yàn)結(jié)果顯示，橫流、橫浪條件下標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)偏航開(kāi)始后分別在56 s和59 s達(dá)偏航警戒值，警戒發(fā)出后拖輪開(kāi)始響應(yīng)，拖輪就位時(shí)間與沉管最大偏移量的關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 拖輪就位時(shí)間與沉管最大偏移量的關(guān)系

數(shù)值仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，在設(shè)定的參數(shù)下標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的最大偏移量分別為27.441～49.982 m和24.970～39.386 m、沉管航跡帶寬度分別為100.882～145.964 m和105.544～134.372 m。

可見(jiàn)，在特定流速下，數(shù)值仿真試驗(yàn)考慮了拖輪糾偏響應(yīng)因素，沉管的航跡帶寬度具有一定的變化幅度，偏移量隨拖輪就位時(shí)間增加而增加，隨糾偏力增大而變小，而參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算所得為單一數(shù)值。

2.3 沉管與航道底邊線(xiàn)間富余寬度

受水深限制，沉管拖帶浮運(yùn)航道通過(guò)開(kāi)挖形成，沉管偏離航線(xiàn)時(shí)將在兩側(cè)產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)流場(chǎng)，兩側(cè)壓力分布不均，沉管偏航將進(jìn)一步加大。沉管斷面為矩形，岸吸效應(yīng)更接近散貨船，參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，沉管與航道底邊線(xiàn)間單側(cè)富余寬度取0.75倍沉管寬度。

2.4 浮運(yùn)航道寬度取值

沉管浮運(yùn)航道寬度為航跡帶寬度與沉管與航道底邊線(xiàn)間兩側(cè)富余寬度的和，不同的拖輪響應(yīng)下浮運(yùn)航道的寬度見(jiàn)表4。

表4 不同的拖輪響應(yīng)下浮運(yùn)航道寬度

沉管浮運(yùn)配套設(shè)置定位系統(tǒng)具有地形和拖輪實(shí)時(shí)定位、沉管航速、沉管實(shí)時(shí)定位、偏航顯示及報(bào)警功能，沉管和所有拖船均可接收到其他作業(yè)船舶的位置、航向等信息，該系統(tǒng)可以幫助拖輪之間協(xié)調(diào)作業(yè)。根據(jù)施工組織安排和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，沉管偏移量達(dá)到預(yù)警值后，旁拖輪可在50 s以?xún)?nèi)就位。

數(shù)值仿真試驗(yàn)中拖輪最大糾偏力是在考慮了拖輪克服自身阻力之后所能發(fā)揮的效力，因此非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)航道寬度取最大糾偏力下的計(jì)算數(shù)值188.9 m為合適，沉管航跡帶寬度較參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算數(shù)值小17 m；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)在糾偏力發(fā)揮60%時(shí)即可完成糾偏，航道寬度計(jì)算值為169.9 m，沉管航跡帶寬度較參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算數(shù)值小17.8 m，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，如果糾偏力全部發(fā)揮，將進(jìn)一步減小沉管偏移量，浮運(yùn)航道寬度亦可相應(yīng)減小。

綜上，深中通道沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航道寬度由非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)控制，計(jì)算數(shù)值為188.9 m。在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮為拖輪作業(yè)預(yù)留一定富余時(shí)間，航道寬度取值200 m，為最大沉管寬度的3.6倍。

3 結(jié)論

1)深中通道項(xiàng)目基于數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M沉管在不同的拖輪就位時(shí)間組合、不同的糾偏力的情況下沉管的最大偏移量，進(jìn)而計(jì)算了沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航道寬度。試驗(yàn)結(jié)果顯示：沉管偏移量隨拖輪就位時(shí)間增加而增加，隨糾偏力增大而變小，計(jì)算所得沉管的航跡帶寬度具有一定的變化幅度。沉管航跡帶寬度模擬數(shù)值較參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算數(shù)值小約17 m。

2)深中通道沉管拖帶浮運(yùn)航道寬度計(jì)算值由非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)控制，非標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)航道寬度計(jì)算值取188.9 m；標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)在糾偏力發(fā)揮60%時(shí)即可完成糾偏，航道寬度計(jì)算值為169.9 m，如果糾偏力全部發(fā)揮，將進(jìn)一步減小沉管偏移量，浮運(yùn)航道寬度亦可相應(yīng)減小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中考慮為拖輪作業(yè)預(yù)留一定富余時(shí)間，航道寬度取值200 m，為最大沉管寬度的3.6倍。

3)基于數(shù)值仿真的深中通道沉管拖輪拖帶浮運(yùn)航道寬度設(shè)計(jì)，考慮了拖輪操縱和協(xié)作因素，豐富了拖輪拖帶沉管浮運(yùn)航道寬度設(shè)計(jì)的方法，可為類(lèi)似工程提供參考。同時(shí)，沉管航跡帶數(shù)值試驗(yàn)分析結(jié)合經(jīng)驗(yàn)對(duì)拖輪就位后拖力達(dá)到設(shè)定糾偏力的時(shí)間、偏航警戒值進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇了拖輪就位時(shí)間。這些因素是影響沉管航跡帶寬度的關(guān)鍵因素，不同的拖輪配置、環(huán)境條件都將影響上述參數(shù)取值，工程實(shí)施前需要針對(duì)確定的拖輪配置方案開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)取值。