大型沉管與沉放駁摩擦型連接受力分析

蘇長(zhǎng)璽，馮海暴，2*

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

大型沉管與沉放駁摩擦型連接受力分析

蘇長(zhǎng)璽1，馮海暴1，2*

（1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071；2.中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

大型沉放駁與沉管連接方式通常采用繩索拉緊、木墩支撐、鋼結(jié)構(gòu)支撐、混凝土墩等方式，在沉管管節(jié)進(jìn)入基槽系泊等待期間，當(dāng)管節(jié)遇到橫流或波浪時(shí)，由于管節(jié)和沉放駁之間采用了連接的方式，可避免沉管與船舶之間發(fā)生撞擊。文中結(jié)合港珠澳大橋沉管管節(jié)與沉放駁之間的摩擦性鋼支墩連接方式，對(duì)管節(jié)在基槽處系泊等待安裝期間受到波浪和水流作用時(shí)，進(jìn)行了沉管管節(jié)與沉放駁之間連接的受力分析，得出了受力傳遞的趨勢(shì)和途徑，并提出了相應(yīng)的預(yù)控措施，為大型沉管管節(jié)沉放安裝提供了理論分析依據(jù)，可為類似工程施工分析借鑒。

大型沉管；摩擦性連接；受力傳遞；抵抗波流力

1 工程概況

港珠澳大橋沉管隧道工程穿越珠江口廣州、深圳西部港區(qū)出海主航道，是我國(guó)重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一，沉管隧道（含暗埋段）全長(zhǎng)5 990 m，沉管段長(zhǎng)5 664 m，共有管節(jié)33節(jié)，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)重量約8萬(wàn)t，長(zhǎng)×寬×高=180 m×37.95 m× 11.4 m，是世界上總長(zhǎng)度和斷面尺寸最大、埋深達(dá)45 m以上的六線行車的先鋪法沉管隧道的代表性工程。

港珠澳大橋沉管隧道施工隧址處受徑流影響比較明顯，表現(xiàn)為洪水季流速大于枯水季流速、落潮流速大于漲潮流速，根據(jù)實(shí)測(cè)資料，隧址處大潮表層最大流速達(dá)到1.93 m/s，垂線平均流速達(dá)到1.51 m/s。按照確定的管節(jié)沉放作業(yè)窗口（流速≤1.3 m/s、波高≤0.8 m、波周期T=6 s），綜合物模試驗(yàn)結(jié)果、數(shù)模計(jì)算結(jié)果和有關(guān)分析研究，管節(jié)沉放定位期間可能受到的波流力Fw將達(dá)到3 000 kN，如果采用沉管上安裝纜抵抗此波流力，沉管頂部系纜樁、導(dǎo)向滑輪等舾裝件結(jié)構(gòu)將超出常規(guī)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)非常困難，同時(shí)安裝纜直徑太大時(shí)帶纜作業(yè)難度加大。因此通過(guò)綜合分析影響因素，需對(duì)沉管在沉放系泊等待期間，抵抗波浪和水流作用力情況進(jìn)行分析研究，根據(jù)分析結(jié)果做出預(yù)控措施，為大型沉管安裝施工提供技術(shù)依據(jù)。

2 沉管沉放前抗浪流調(diào)研

國(guó)內(nèi)外沉管隧道施工中，多采用沉放駁船進(jìn)行沉管的沉放安裝，沉管在基槽處系泊等待安裝期間，抵抗波浪和水流聯(lián)合作用的方式通常采用2種方式[1]，第1種方式為利用沉管上錨纜抵抗波浪和水流力的作用，第2種方式為利用沉放駁上的錨纜抵抗波浪和水流力的作用。第1種抗浪流的方式受力明確便于操作和控制，但送纜和布設(shè)纜繩較為困難，適用于水流力較小的施工環(huán)境；第2種抵抗浪流的方式便于送纜作業(yè)，可減少管節(jié)頂部舾裝件數(shù)量或減小舾裝件規(guī)格，但操作要求比較高，適用于水流力較大的施工環(huán)境[1]。

結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道施工的特點(diǎn)，沉管在基槽內(nèi)系泊等待期間，可能會(huì)出現(xiàn)流速和波浪聯(lián)合作用且自然條件相對(duì)較差的情況，因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)安全保證在自然條件相對(duì)較差的情況下實(shí)現(xiàn)沉管系泊等待，第2種方式利用沉放駁上的錨纜抵抗波浪和水流力的作用較為符合工程實(shí)際施工條件，對(duì)于操作要求上，施工中嚴(yán)格控制操作程序和人員的培訓(xùn)，做到精細(xì)化施工完全可以實(shí)現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)綜合分析，沉管在基槽內(nèi)系泊等待期間抵抗水流和波浪作用，從自然條件和操作上初步選取第2種方式作為本工程中沉管的抗浪流的方法，但對(duì)于受力情況需要通過(guò)計(jì)算分析確定。

3 沉管與沉放駁連接受力分析

3.1 連接方式分析

結(jié)合本工程實(shí)際情況，利用沉放駁上的錨纜抵抗波浪和水流力作用的方式，需要分析沉管和沉放駁之間的連接受力情況，通過(guò)研究分析沉放駁和沉管之間連接分為以下2種方式即方案1和方案2，兩個(gè)方案在墩的數(shù)量、吊索預(yù)拉力、波浪力、水流力完全一致，每個(gè)沉放駁各設(shè)置4個(gè)鋼支墩和2個(gè)吊點(diǎn)（2個(gè)沉放駁鋼支墩為8個(gè)，吊點(diǎn)4個(gè)）[2-3]，沉放駁與沉管之間通過(guò)吊點(diǎn)施加預(yù)拉力為10 000 kN，水流作用力Fw為3 000 kN。

方案1為沉管管節(jié)頂部預(yù)設(shè)混凝土支墩8個(gè)，在2個(gè)沉放駁上設(shè)置鋼支墩8個(gè)（每個(gè)沉放駁4個(gè)鋼支墩），通過(guò)沉放駁注水降低干弦坐落于沉管上，進(jìn)行剛性支撐和限位，并利用2個(gè)沉放駁4個(gè)吊點(diǎn)在沉管和沉放駁之間預(yù)加10 000 kN總拉力，通過(guò)該方式抵抗沉管定位時(shí)的波流力，沉放駁總體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。

圖1 方案1沉放駁結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig.1 The structural layout plan of sinking barge of scheme 1

方案2和方案1基本相同，不同之處為沉管和沉放駁之間通過(guò)端部鑲?cè)胂鹉z板的鋼支墩連接，進(jìn)行半剛性支撐和摩擦型限位[2]，并利用吊索在沉管和沉放駁之間預(yù)加10 000 kN拉力（內(nèi)力），使鋼支墩與沉管產(chǎn)生的摩擦力傳遞給沉放駁，再由沉放駁傳遞給系泊纜的方式抵抗沉管系泊等待時(shí)的波流力。

3.2 方案1連接方式受力分析

1）連接設(shè)計(jì)

沉管頂部設(shè)置的8個(gè)長(zhǎng)1 m寬1 m高0.3 m混凝土墩和2個(gè)沉放駁上的8個(gè)鋼支墩進(jìn)行套接，將沉管轉(zhuǎn)向或?qū)⑾挡磿r(shí)受到的波流力通過(guò)混凝土墩傳遞給鋼支墩，再由鋼支墩傳遞給沉放駁，通過(guò)沉放駁的系駁纜抵抗波流力，局部大樣見(jiàn)圖2。

圖2 方案1局部大樣圖Fig.2 The local drawing of scheme 1

2）混凝土支墩抵抗水平剪力（水流力）分析

沉管上部的混凝土支墩與沉放駁鋼支墩連接通過(guò)套接抗剪，根據(jù)文獻(xiàn)[4-5]考慮結(jié)構(gòu)不均勻受力的不利情況下，每個(gè)沉放駁上的4個(gè)鋼支墩中2個(gè)支墩共同受力（由于兩船之間為柔性連接，因此每個(gè)沉放駁可實(shí)現(xiàn)2個(gè)支墩共同受力），則沉管上4個(gè)鋼筋混凝土墩可共同受力，根據(jù)分析受到的水平剪力（水流力）按3 000 kN計(jì)算，則每個(gè)鋼筋混凝土墩承受水平剪力為3 000/4=750 kN。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]混凝土抗剪強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/12～1/10，沉管混凝土標(biāo)號(hào)為C45，抗剪強(qiáng)度最小為45÷12=3.75 MPa，每個(gè)混凝土墩面積為1 m2，可承受水平剪力約為3 750 kN，安全系數(shù)為3 750÷ 750≈5，滿足抗剪要求。

3）支墩承受豎向力（波浪力）受力分析

結(jié)合工程施工流程，管節(jié)在基槽內(nèi)系泊等待期間應(yīng)預(yù)先消除干舷，管節(jié)消除干舷過(guò)程中，沉放駁與管節(jié)保持固結(jié)在一起，每個(gè)吊點(diǎn)2 500 kN拉力，此時(shí)受到的最大浪高為Hs=0.8 m，由于沉放駁與管節(jié)不可能完全同步浮沉，沉放駁浮力會(huì)產(chǎn)生變化，吊放鋼絲繩拉力將隨之變化，沉放駁浮箱長(zhǎng)40.2 m寬7.2 m，最不利狀態(tài)下為沉管靜止在水中，沉放駁上浮增加沉管和沉放駁之間的吊索拉力，而沉放駁的浮箱正處于兩個(gè)波峰處。最不利情況下每個(gè)吊點(diǎn)拉力增加值F=40.2×7.2× 0.4×10.25≈1 200 kN，此時(shí)每個(gè)吊點(diǎn)的拉力為1 200+2 500=3 700 kN，而沉管的吊點(diǎn)設(shè)計(jì)允許荷載值為4 500 kN[3]，吊點(diǎn)力在最不利狀態(tài)下留有的安全系數(shù)為4 500÷3 700=1.22，實(shí)際工程施工時(shí)將會(huì)適當(dāng)減小沉管與沉放駁之間的拉力。

當(dāng)沉管在上述狀態(tài)遇到波谷時(shí)，沉管保持不變的情況下，沉管與管節(jié)之間吊力會(huì)相應(yīng)減小1 200 kN，而沉管和沉放駁之間的拉力為2 500 kN，此時(shí)沉管和沉放駁之間保持的拉力為1 300 kN，仍然不會(huì)使得沉管和沉放駁之間脫離，則此時(shí)混凝土支墩會(huì)實(shí)現(xiàn)抵抗水流力的作用，滿足沉管在系泊等待期間的波流力聯(lián)合作用的要求。

3.3 方案2連接方式受力分析

1）連接設(shè)計(jì)

方案2與方案1鋼支墩設(shè)置方式相同，方案2中每個(gè)沉放駁設(shè)置4個(gè)鋼支墩，在鋼支墩端部鑲?cè)胂鹉z板加大摩擦系數(shù)[2-3]，并利用吊索在沉管和沉放駁之間預(yù)加10 000 kN拉力（內(nèi)力），使鋼支墩與沉管產(chǎn)生的摩擦力傳遞給沉放駁，再由沉放駁傳遞給系泊纜的方式抵抗沉管系泊等待時(shí)波流力。局部大樣圖見(jiàn)圖3。

圖3 方案2局部大樣圖Fig.3 The local drawing of scheme 2

2）水平剪力（水流力）分析

鋼支墩和沉管接觸的端部鑲?cè)胂鹉z板，根據(jù)試驗(yàn)混凝土和橡膠之間的摩擦系數(shù)可以達(dá)到0.75～0.8[7-8]，按照最小摩擦系數(shù)0.75取值，則10 000 kN拉力的情況下，可以產(chǎn)生摩擦力f=10000×0.75= 7 500 kN，在壓力滿足的條件下水流力全部傳遞為3 000 kN，安全系數(shù)達(dá)到7 500/3 000=2.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）系泊等待波浪影響下時(shí)水平剪力

管節(jié)定位等待期間應(yīng)預(yù)先消除干舷，此時(shí)沉放駁與管節(jié)連接在一起，此時(shí)每個(gè)吊點(diǎn)2 500 kN拉力，此時(shí)受到浪高Hs=0.8 m波浪時(shí)，沉放駁與管節(jié)不可能完全同步浮沉，吊放鋼絲繩拉力將隨之變化，根據(jù)方案1分析結(jié)果，最不利情況下每個(gè)吊點(diǎn)拉力將增加1 200 kN，單個(gè)吊點(diǎn)最大拉力將增加到3 700 kN＜4 500 kN，滿足沉管吊點(diǎn)容許荷載值。

在波谷時(shí)鋼支墩和沉管之間的壓力會(huì)隨之減少1 200 kN，此時(shí)由于水流力即水平方向的傳遞力由摩擦力傳遞，所以剩余部分的壓力值產(chǎn)生的摩擦力應(yīng)不小于水流力3 000 kN，波谷時(shí)剩余壓力為10 000-1 200×4=5 200 kN，摩擦力f= 5 200×0.75=3 900 kN＞3 000 kN，此時(shí)摩擦力大于水流作用力，可以實(shí)現(xiàn)水流力完全傳遞的要求，在最不利工況下沉管和沉放駁之間不會(huì)產(chǎn)生滑移。

4 連接方式選擇

根據(jù)沉管與沉放駁的兩種連接方式計(jì)算分析，在沉管在基槽內(nèi)系泊等待期間，方案1和方案2的連接方式都可以滿足沉管與沉放駁之間的穩(wěn)定性控制要求。

方案1與方案2連接方式相比，雖然都可以滿足抵抗沉管系泊等待期間的波浪與水流力聯(lián)合作用，但第一種連接方式屬于純剛性接觸，當(dāng)船舶出現(xiàn)振動(dòng)或偶然的船舶間碰撞時(shí)，將產(chǎn)生巨大的荷載，對(duì)沉管和沉放駁都會(huì)造成較大的破壞和影響，而且方案1屬于“嵌入式”連接，在沉管和沉放駁連接時(shí)，船管的相對(duì)位置及姿態(tài)需要精確調(diào)整，給施工操作帶來(lái)一定的困難，因此方案1不作為沉管與沉放駁連接方式的推薦方案。

方案2沉管與沉放駁之間的半剛性連接方式則會(huì)在偶然的船舶碰撞時(shí)[2]，由于船舶和沉管之間的橡膠可出現(xiàn)橫向的剪切微量變形吸收碰撞荷載產(chǎn)生的能量[9]，因此不會(huì)對(duì)沉管和沉放駁造成較大的影響，可以實(shí)現(xiàn)沉管與沉放駁之間的緊密連接，同時(shí)方案2的連接方式在船管連接時(shí)無(wú)需精確對(duì)扣，只需要將鋼支墩按規(guī)定位置壓在沉管表面通過(guò)吊索預(yù)拉固定即可，操作方便快捷，因此推薦方案2作為沉管與沉放駁之間的連接方式。

經(jīng)過(guò)綜合分析，結(jié)合工程的實(shí)際情況經(jīng)過(guò)比選，沉管與沉放駁之間的連接方式選取方案2半剛性連接方式。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)港珠澳大橋現(xiàn)場(chǎng)施工條件分析和計(jì)算對(duì)比，在沉管進(jìn)入基槽系泊等待期間，采取以下方式進(jìn)行抵抗波浪和水流力的作用。

1）推薦選取利用沉放駁上的錨纜抵抗波浪和水流的聯(lián)合作用力，可減少管節(jié)頂部舾裝件數(shù)量或減小舾裝件規(guī)格；

2）沉管與沉放駁之間的連接方式中，采用混凝土支墩與鋼支墩套接連接的方式抵抗水流和波浪的作用，雖可滿足沉管穩(wěn)定性要求，但剛性連接存在船舶間碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的荷載，對(duì)沉管和沉放駁都會(huì)造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而且屬于“嵌入式”連接，在沉管和沉放駁連接時(shí)船管的相對(duì)位置及姿態(tài)需要精確調(diào)整，給施工操作帶來(lái)一定的困難，因此不推薦采用；

3）沉管與沉放駁之間的連接推薦采用半剛性連接方式，即采用在鋼支墩上鑲嵌橡膠板與沉管之間進(jìn)行拉壓連接，可有效避免船舶碰撞損壞沉管和裝備的風(fēng)險(xiǎn)。在船管連接時(shí)無(wú)需精確對(duì)扣，只需將鋼支墩按規(guī)定定位在沉管表面通過(guò)吊索預(yù)拉力緊固即可，操作方便快捷。

4）沉管與沉放駁之間的連接方式中，不推薦采用鋼絲繩吊索直接連接的完全柔性的固定方式，該連接方式雖然可以滿足吊點(diǎn)的容許荷載值，但無(wú)法滿足沉管的穩(wěn)定性控制。

港珠澳大橋沉管隧道工程施工時(shí)，在沉管進(jìn)入基槽系泊等待和浮運(yùn)期間，選取了沉放駁抵抗波浪和水流力作用的方式，沉管與沉放駁之間的連接方式也采用了半剛性連接，目前工程已成功完成了28節(jié)管節(jié)的浮運(yùn)沉放安裝，實(shí)際驗(yàn)證了該抗浪流的方式選取是正確的。

綜上所述，本文詳細(xì)分析了沉管在進(jìn)入基槽時(shí)的抗浪方式與沉管和沉放駁的連接方式，可為我國(guó)以后類似大型沉管安裝中抗浪流的方式分析提供參考數(shù)據(jù)。

[1]朱升.沉管隧道管段浮運(yùn)和沉放過(guò)程中流場(chǎng)和阻力特性的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009. ZHU Sheng.Flow and resistance characteristics of tugging and immersing pipe section in immersed tube tunnel[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2009.

[2]林鳴，關(guān)秋楓，尹海卿，等.用于沉放駁和管節(jié)的連接裝置：中國(guó)，ZL 201320006964.8[P].2013-08-28. LIN Ming,GUAN Qiu-feng,YIN Hai-qing,et al.Used for the connection of sink barge and tube joints:China,ZL 201320006964.8 [P].2013-08-28.

[3]董美余，華曉濤，何可耕.海底隧道管節(jié)沉放船設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].船舶工程，2016，38（S1）：42-45. DONG Mei-yu,HUA Xiao-tao,HE Ke-geng.Design features of subsea tunnel-laying vessel[J].Ship Engineering,2016,38(S1): 42-45.

[4]逯文茹.鋼錨箱式鋼-混組合索塔錨固體系受力性能與設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015. LU Wen-ru.Study on mechanical behavior and design method of steel-concrete composite pylon anchorage system with steel anchor box[D].Xi'an:Chang'an University,2015.

[5]曾新平.抗滑樁與重力式擋土墻聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)受力特性分析[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012. ZENG Xin-ping.Mechanical characteristics of anti-sliding pile and gravity retaining wall joint supporting structure[D].Changsha: Hunan University,2012.

[6]JTS 151—2011，水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 151—2011,Design code for concrete structures of port and waterway engineering[S].

[7]杜明宣，李炎保.橡膠阻滑板與拋石基床摩擦系數(shù)統(tǒng)計(jì)特性與影響因素[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2009（5）：4-6. DU Ming-xuan,LI Yan-bao.Statistical feature of friction coefficient between anti-sliding rubber sheets and rubble mound foundations and its influencing factors[J].China Harbour Engineering, 2009(5):4-6.

[8] 謝善文，李炎保.橡膠阻滑板在我國(guó)水運(yùn)工程中的首次應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2006（S2）：53-57. XIE Shan-wen,LI Yan-bao.First application ofanti-sliding rubber sheet in port and waterway engineering in China[J].Port &Waterway Engineering,2006(S2):53-57.

[9] 馮海暴，徐國(guó)明.深水航道施工船舶間靠泊撞擊力研究與取值分析[J].港工技術(shù)，2015（6）：57-61. FENG Hai-bao,XU Guo-ming.Value analysis and research of percussive force caused by engineering shops berthing between shops in deep-water channel[J].Port Engineering Technology,2015(6): 57-61.

Force analysis of friction type connection for large immersed tube and sinking barge

SU Chang-xi1,FENG Hai-bao1,2*
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China; 2.Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics,CCCC,Tianjin 300222,China）

The connection type between Large sinking barge and immersed tube usually use taut rope,wooden pier support, steel structure support,concrete pier,etc.The immersed tube section into the trench mooring waiting period,when the pipe section met cross flow or wave,due to the connection type between pipe section and sinking barge,avoid impact between tube and vessel.According to the friction steel buttress connection between the immersed tube pipe section and sinking barge in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project,when the pipe section into the trench mooring waiting for installation period by waves and currents,we carried the force analysis on the connection between immersed tube and sinking barge,obtained the trends and ways of stress transfer,and put forward the corresponding preventive measures,provided the basis of theory analysis for large immersed tube section installation,which can be used for similar engineering construction analysis.

large immersed tube;friction type connection;stress transfer;resistance wave force

U615.351

A

2095-7874（2016）12-0019-04

10.7640/zggwjs201612004

2016-07-30

2016-08-17

蘇長(zhǎng)璽（1965— ），男，山東青島人，高級(jí)工程師，港口航道及治河工程專業(yè)。

*通訊作者：馮海暴，E-mail：351515258@qq.com