大型管節(jié)浮運關鍵技術分析

朱建國,倫燦章

(上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125)

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大型管節(jié)浮運關鍵技術分析

朱建國,倫燦章

(上海振華重工(集團)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)海上長距離浮運的方法，分析浮運方案設計的關鍵技術，探討浮運阻力確定、時間窗口確定以及拖輪編隊等問題，并確定最終方案。

沉管隧道；管節(jié)浮運；模型試驗；拖輪編隊

港珠澳大橋島隧工程總長7 440.5 m，其中沉管隧道長5 664 m，由33個管節(jié)E1～E33組成，管節(jié)寬37.95 m、高11.4 m、長112.5 m(E1、E2、E32、E33)和180 m(E3～E31)，最重達7.8萬t，建成將成為世界范圍內最長、埋置最深、單孔跨度最寬、單節(jié)柔性管節(jié)最長、規(guī)模最大的海底公路沉管隧道[1]。管節(jié)預制廠位于桂山島，距離安裝現(xiàn)場約13 km。該工程管節(jié)浮運距離遠，時間長，水深淺，航道窄，流態(tài)復雜，航道交通繁忙，需避免浮運過程中的擱淺、碰撞等風險，對浮運編隊的拖力、操縱性、協(xié)同性提出了較高的要求。因此如何將管節(jié)安全地從預制廠運輸至沉放水域，是沉管隧道施工的首要任務，也是該工程必須解決的關鍵技術問題。

目前，國內對管節(jié)浮運的研究主要集中在浮運阻力方面，而在時間窗口和拖輪編隊方面，相關文獻報道不多，系統(tǒng)性研究較少。因此，考慮從浮運阻力確定、時間窗口確定以及拖輪編隊方案3方面對管節(jié)浮運技術開展分析。

1 關鍵技術

1.1 浮運阻力確定

港珠澳大橋島隧工程的管節(jié)需在海上浮運，受到風、浪、流等荷載的綜合作用，航道相對內河的環(huán)境因素更加復雜，管節(jié)從航道浮運到基槽的過程中，流向角、水深及流速的變化，使管節(jié)的阻力產(chǎn)生變得非常復雜。管節(jié)的阻力特性將影響到浮運方案中的作業(yè)時間窗口以及拖輪編隊方案等關鍵問題，因此在進行海上長距離管節(jié)浮運前，對管節(jié)的阻力大小及影響因素進行深入研究，最終得到準確的數(shù)據(jù)來指導管節(jié)浮運方案的設計[2]。

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

從理論上來講，管節(jié)在水中的受力是一個鈍體在限制區(qū)域的粘性興波問題。物體在無限介質中的粘性繞流問題僅在小雷諾數(shù)時才有滿意的解析解或數(shù)值解。然而，大型管節(jié)所涉及的內容除了鈍體和介質的雷諾數(shù)大，還有限制邊界及自由表面的影響等因素，十分復雜：①當管節(jié)與沉放駁、拖船組合在一起時，整個編隊的形狀極不規(guī)則。②浮運航道水深較淺，浮運時的淺水效應比較明顯。③航道中存在波浪，也會產(chǎn)生一定的附加阻力。

因此，就目前掌握的資料及研究成果，通過數(shù)值模型試的方式來準確估算管節(jié)浮運阻力，還存在很大的困難，普遍認為最可靠的方法是物理模型試驗。由于管節(jié)是方形鈍體，流動分離點穩(wěn)定，為試驗研究中實現(xiàn)自相似創(chuàng)造了條件。因此，從理論上來說試驗研究可獲得較滿意的結果[4]。

管節(jié)浮運包括航道浮運及基槽浮運2個階段。物模試驗分別考慮這2個階段的實際情況，設計相應的試驗。航道浮運階段流向與管節(jié)浮運方向的夾角(下稱流向角)較小，基本屬于順流或逆流狀態(tài)，此階段進行了0°，12°，18°和30°流向角的試驗工況。同時，為了研究水流對浮運阻力的影響，設置了靜水拖航和逆流拖航2種對比工況，用于分析相同的相對航速下靜水與逆流的浮運阻力數(shù)據(jù)。另外，由于航道水深較淺，浮運時淺水效應明顯，試驗還需考慮水深對浮運阻力的影響，因此，試驗分別模擬了14.4、16.0和25.0 m水深，得到不同水深下的浮運阻力數(shù)據(jù)。

管節(jié)浮運并非簡單的一個管節(jié)在海上拖航，而是以編隊的形式浮運。除了管節(jié)，浮運編隊還包括2艘沉放駁和4艘拖船。為了定量分析其對浮運編隊阻力的影響，模型試驗加入了沉放駁與拖船的模型(見圖1)，并結合實際浮運作業(yè)可能的編隊形式，分別進行不含拖輪、4艘拖船順靠和2艘拖船順靠2艘拖船頂靠3種試驗工況。

圖1 模型試驗現(xiàn)場

管節(jié)從航道浮運至基槽時，需90°轉向，將承受橫向水流作用。由于流向角較大，水流對浮運編隊的作用力也較大，因此需要拖船頂靠在沉放駁上抵抗橫向水流，保持浮運方向。為分析大流向角水流對浮運編隊的作用力，此階段試驗將模型靜置于流向角為60°和90°的水流中，測量整個浮運編隊承受的水流力。

另外，浮運時海面的上波浪也會對浮運阻力產(chǎn)生影響，應考慮波浪產(chǎn)生的附加作用力。因此，模型試驗設置了0.8 m有義波高的規(guī)則波作用下的浮運阻力工況，并與沒有波浪作用的數(shù)據(jù)對比，分析波浪增阻系數(shù)。

試驗結果表明：

1)拖船的靠泊方式對整個編隊的阻力影響較大，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，拖航波浪增阻效應顯著，增阻系數(shù)最高可達到18%。

1.2 時間窗口確定

確定時間窗口時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)生概率之間的關系。

浮運作業(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，對應的流速有4個峰值，各個峰值相差不大。而日潮通常有一個明顯的主峰、主谷，同時，主谷與主峰之間有一個次峰和次谷。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，潮差越大，流速峰值越大，所以理想的浮運時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)浮運從開始帶纜到基槽處錨泊，作業(yè)時間超過12 h，將至少跨越2個流速峰值。因此，作業(yè)時間窗口可定為連續(xù)2個流速峰值小于0.6 m/s，且第3個流速峰值小于0.8 m/s的時間，如圖2所示的流速峰值二、三和四。該作業(yè)時間窗口全年平均保證率達到70%。最大保證率在7月達到97%，而最小保證率的9月也達到55%。0.6及0.8 m/s這2個界限流速是確定時間窗口的關鍵。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)濟性較差；取值太小則時間窗口保證率降低，難以確保隧道施工進度。

圖2 流速、流向和潮位

時間窗口確定后，每次浮運之前，都應根據(jù)天文、氣象及江河流量等預報資料制定出詳細的作業(yè)時間安排，確保在用現(xiàn)有的拖船配置情況下按計劃到達基槽錨泊處。為了使作業(yè)計劃具有足夠的靈活性，詳細作業(yè)時間安排中應包括一些臨時停留的地點，這樣就可對潮汐條件的變化作出機動調整。浮運過程應特別注意如航道變換，尤其是大角度轉向的關鍵地段，這些地段必須選擇在有利的潮汐條件時刻通過。

1.3 拖船編隊方案

港珠澳大橋島隧工程的管節(jié)浮運作業(yè)在交通繁忙的水域，同時由于管節(jié)巨大體積與重量會產(chǎn)生相當大的阻力和慣性，導致管節(jié)操縱響應滯后，操縱難度較大[7]，這對拖輪編隊的拖力、操縱性、協(xié)同性等都提出了較高的要求。為避免浮運過程中管節(jié)擱淺、碰撞等風險，必須對拖船的數(shù)量、布置，以及連接方式等進行研究，并結合管節(jié)的阻力特性、作業(yè)時間窗口這2個關鍵因素，找出合理的拖輪編隊方案。

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

方案1(見圖3)。4艘拖船吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮運時，1、2號拖船在前方領拖，提供浮運向前主動力；3、4號拖船在后方反拖，用于制動、轉向；5、6、7、8號拖船并靠沉放駁兩舷，控制管節(jié)浮運姿態(tài)。如出現(xiàn)較大的橫流，5、6號拖船則由順靠改為頂靠提高橫向控制能力?；蹆雀∵\時，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 拖船編隊方案1

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

圖4 拖船編隊方案2

方案3(見圖5)。2艘大功率拖船在艏艉龍須纜吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮運時1號拖船提供向前拖力；2號拖船提供制動力；4艘傍拖拖船與方案1類似。

圖5 拖船編隊方案3

方案1動用8艘拖船，總功率超過29 600 kW。該方案的優(yōu)點是總拖力大、控制能力強。但是需要的拖船較多，成本高，指揮協(xié)調難。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，各個拖船受力清晰，分工明確，有利于浮運編隊的指揮，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。該方案對管節(jié)姿態(tài)的控制能力較強，但向前總拖力較差，遭遇大流速時容易失速甚至倒退。

綜合比較以上3種編隊方案，結合本工程的實際情況，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)模型試驗結果總拖力已滿足浮運要求，在高效、合理的指揮協(xié)調下，可確保管節(jié)浮運的安全。另外，由于浮運的管節(jié)數(shù)量較多，隨著浮運次數(shù)的增加，方案2的經(jīng)濟性優(yōu)勢將突顯。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拖航阻力的影響。

2 結束語

1)拖船靠泊方式對阻力影響較大；淺水效應，波浪增阻效應顯著，設計時應給予充分考慮。

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

3)拖船編隊方案需要考慮拖船尾流對阻力的影響。

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

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

[2] 呂衛(wèi)清，應宗權，蘇林王，等.沉管管節(jié)浮運過程中波浪附加阻力的水動力學分析[J].水運工程，2013(11):1-5.

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

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

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

[6] 詹德新，王興權，劉祖源，等.沉管隧道及其相關模型試驗[J].武漢交通科技大學學報，2000，24:488-492.

[7] 王海峰.大型沉管管節(jié)浮運的阻力計算及方案研究[D].大連：大連理工大學，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(1967—)，男，碩士，高級工程師

U695.2

A

1671-7953(2016)05-0157-04

修回日期：2016-05-30

研究方向:重大件海上運輸與安裝設計

E-mail:zhujianguo@zpmc.net