沉管安裝船受力特征及模型分析

冷藝，董美余

（1.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

沉管隧道施工技術(shù)發(fā)展始于1810年，首次成功應(yīng)用于1910年，至今已108 a。傳統(tǒng)的沉管安裝裝備包括起重船吊浮安裝法、兩艘方駁抬吊安裝法、具有支腿的平臺(tái)船沉放安裝法等[1-2]，上述方法存在施工效率低、精度差、費(fèi)用高等問(wèn)題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上述方法也在不斷的優(yōu)化改進(jìn)。杠吊法的發(fā)展隨著新裝備的開(kāi)發(fā)，應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具有代表性的工程為韓國(guó)釜山巨濟(jì)沉管隧道工程，采用的裝備為沉管安裝船。國(guó)內(nèi)沉管隧道施工中，廣州珠江隧道采用了起重船輔助安裝的分吊法[3]，上海外環(huán)沉管隧道和寧波常洪沉管隧道采用了浮式駁船和鋼浮箱輔助安裝的簡(jiǎn)易杠吊法[3-4]，雖然采用了類似的施工方法，但沒(méi)有先進(jìn)的沉管安裝船，安裝方法主要包括起重船吊沉法、浮箱吊沉法、扛吊法、騎吊法、拉沉法等。國(guó)內(nèi)外調(diào)研具有代表性的沉管隧道沉放方法中，廣州珠江、香港西區(qū)公路沉管隧道、寧波常洪隧道、上海外環(huán)沉管隧道等采用了浮吊吊沉法。釜山巨濟(jì)沉管隧道、博斯普魯斯沉管隧道采用了雙駁扛吊的方法。

依托于港珠澳大橋沉管隧道工程，隧道海底段長(zhǎng)5 664 m，由33節(jié)大型管節(jié)組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)質(zhì)量80 000 t，尺寸為長(zhǎng)×寬×高=180 m×37.95 m×11.4 m，最大沉放水深約50 m，且處于外海復(fù)雜環(huán)境條件。對(duì)現(xiàn)有的工況條件和施工條件分析論證，采用已經(jīng)應(yīng)用的傳統(tǒng)技術(shù)和裝備無(wú)法滿足該工程的施工要求，具有類似功能應(yīng)用于韓國(guó)釜山巨濟(jì)的沉管安裝船雖然具有一定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)本項(xiàng)目中的管節(jié)尺寸、沉放水深和外海復(fù)雜工況條件施工，卻沒(méi)有類似的施工經(jīng)驗(yàn)，且沒(méi)有可參考的技術(shù)資料，因此研究新型的沉管安裝船滿足本項(xiàng)目的施工要求是面臨的難題。沉管安裝船的研究除功能方面，在技術(shù)方面也存在諸多的技術(shù)難題尚待解決，尤其是沉管安裝船進(jìn)行沉管沉放和安裝時(shí)的受力特征[5-6]，在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中均沒(méi)有類似的參考依據(jù)。

結(jié)合沉管施工現(xiàn)場(chǎng)的工況條件和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，對(duì)沉管安裝船作業(yè)時(shí)的受力特征分析研究，采用數(shù)值模擬與解析計(jì)算相結(jié)合的方法，對(duì)安裝船的吊力和整體的結(jié)構(gòu)受力等進(jìn)行了分析研究，找出裝備運(yùn)行過(guò)程中的受力優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，完成設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用，為工程施工提供裝備技術(shù)保障。

1 工況條件與技術(shù)參數(shù)

沉管安裝船的外形尺寸需滿足沉管尺度和水深條件要求，結(jié)構(gòu)的受力特征和原理是需要解決的技術(shù)難題，也是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。沉管作業(yè)工況條件流速分析中，根據(jù)港珠澳大橋橋位現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)水文觀測(cè)，0.6 m/s及0.8 m/s流速具有較突出的界限性，在小潮汛期間并未有流速峰值超過(guò)1.3 m/s的設(shè)計(jì)限制流速。月度流速、流向統(tǒng)計(jì)分析，漲潮的最大流速為1.35 m/s，各月最大平均流速為0.47 m/s；落潮的最大流速為2.22 m/s，各月最大平均流速為0.66 m/s。另外，各月漲潮和落潮平均流速均較小，其中漲潮時(shí)最大平均流速為0.47 m/s，落潮最大平均流速為0.66 m/s。將平均流速以0.8 m/s、0.6 m/s及1.3 m/s的設(shè)計(jì)限制流速為上限，進(jìn)行流速的頻率分部統(tǒng)計(jì)。連續(xù)18～24 h流速所占比例變化較大，連續(xù)6～12 h流速及連續(xù)24～36 h所占比例變化較小。1.3 m/s的設(shè)計(jì)限制流速保證率較高，全年平均流速僅有2個(gè)點(diǎn)超出設(shè)計(jì)限制值。平均流速0.6 m/s每月持續(xù)18 h的次數(shù)，若以平均流速V≤0.6 m/s作為施工流速條件，則1個(gè)月中至少保證1次連續(xù)48 h作業(yè)窗口，連續(xù)18 h最少月份為2008年2月，有7次窗口滿足關(guān)鍵作業(yè)的作業(yè)時(shí)間。滿足0.6 m/s平均流速及0.8 m有效波高的窗口統(tǒng)計(jì)，滿足流速0.6 m/s和波高0.8 m疊加最小的作業(yè)窗口48 h的持續(xù)時(shí)間中，全年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以滿足每月1個(gè)作業(yè)窗口的要求，如果大于該疊加窗口的作業(yè)工況，則無(wú)法滿足要求，因此，結(jié)合沉管的現(xiàn)有技術(shù)參數(shù)，從幾何尺寸上，確定了沉管安裝船的主要技術(shù)參數(shù)[7]，見(jiàn)表1，其示意圖見(jiàn)圖1。

表1 沉管安裝作業(yè)工況及條件Table 1 Working conditionsand conditionsof immersed tube installation

圖1 沉管安裝船方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of a immersed tunnel installation vessel

沉管安裝船技術(shù)參數(shù)為型長(zhǎng)40.2 m，型寬56.4 m，型深9.0 m，作業(yè)水深10～50 m，輕載吃水4.9 m，滿載吃水7.3 m。

該沉放船是一種特殊的雙體結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)無(wú)相似船舶，主要用作浮運(yùn)、拋錨定位及安裝海底沉管隧道管節(jié)。通過(guò)該沉放系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧道管節(jié)的定位和精準(zhǔn)沉放，能很好地控制隧道管節(jié)的位移。并能在沉放過(guò)程中抵抗波浪和水流引發(fā)的外力，庇護(hù)沉放過(guò)程所需的所有設(shè)備和人員，用作浮運(yùn)和沉放上述的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，并具有一定的裕度，經(jīng)改造后，可用于大多數(shù)海底特大型結(jié)構(gòu)物的沉放安裝工作。

2 受力特征研究

沉管安裝船研發(fā)過(guò)程中，根據(jù)施工工序和流程，其主要受力技術(shù)參數(shù)包括沉放吊力與整體強(qiáng)度的校核研究，該參數(shù)取值的偏差直接影響船舶的總體結(jié)構(gòu)[8]。

2.1 沉放吊力取值分析

沉管沉放時(shí)負(fù)浮力的確定，根據(jù)海水密度變化值、沉管重量和施工驗(yàn)證得出，負(fù)浮力通常取沉管總重量1%～2%[9-10]。國(guó)內(nèi)外沉管隧道的管節(jié)沉放負(fù)浮力取值中，日本多摩川隧道沉放負(fù)浮力約1%，寧波常虹隧道沉放對(duì)接階段負(fù)浮力取1%，韓國(guó)沉管隧道沉放時(shí)負(fù)浮力約為1.5%，土耳其沉管隧道沉放時(shí)負(fù)浮力取2%。結(jié)合本項(xiàng)目的特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)密度的變化值，初步將負(fù)浮力控制在管節(jié)總重量的1.5%即12 000 kN，沉管按照4個(gè)吊點(diǎn)沉放，則每個(gè)吊點(diǎn)力為3 000 kN，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)得出沉放吊力受力特征。沉管現(xiàn)場(chǎng)系泊采用沉放駁8纜系駁抗流，沉管5纜輔助安裝的方式，如圖2所示。

圖2 沉管安裝纜系布置圖Fig.2 Layout of cablesystem for immersed tubeinstallation

2.2 數(shù)值模擬分析

沉管模型建立通過(guò)時(shí)域耦合計(jì)算使用DeepC、GHS軟件計(jì)算[10]，橫軸位于船舶縱中線上，向左舷Y值為正，4根吊纜連接沉管與船體的垂向纜繩，系泊纜將沉管安裝船與海底錨點(diǎn)連接，使沉管安裝船在沉放作業(yè)時(shí)保持精確定位，纜系建模模型同圖2，時(shí)域動(dòng)態(tài)分析采用OrcaFlex軟件。

安裝船和沉管的局部坐標(biāo)系統(tǒng)定義參考傳統(tǒng)船舶坐標(biāo)系統(tǒng)X自尾垂線向首部為正；Y自船中心線至左舷為正；Z自基線向上為正。全局坐標(biāo)和局部坐標(biāo)都是右手坐標(biāo)系。

分析采用勢(shì)流理論（非黏性），首先在GHS中調(diào)整安裝船和沉管的裝載狀態(tài)，然后將裝載狀態(tài)導(dǎo)入AQWA進(jìn)行衍射分析。下沉?xí)r域分析采用Orcaflex進(jìn)行。在AQWA中生成三維勢(shì)流模型，通過(guò)水動(dòng)力分析可得到附加質(zhì)量、阻尼值、波浪擾動(dòng)力等數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)入到Orcaflex程序中。在沉管全部浸沒(méi)狀態(tài)下，AQWA會(huì)自動(dòng)考慮一個(gè)接近0的水線面面積，因此水線面區(qū)域不需要再建立網(wǎng)格。

仿真模擬的持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)具體狀態(tài)的實(shí)際操作時(shí)間來(lái)確定。由于目前尚無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)，因此每個(gè)工況均按典型的3 h進(jìn)行模擬，不同吃水沉管橫搖曲線如圖3所示。RAO曲線（即Response Amplitude Operator）是傳遞函數(shù)，用來(lái)計(jì)算船舶在海中工作時(shí)的行為。RAO單位幅值響應(yīng)是指運(yùn)動(dòng)響應(yīng)即載荷響應(yīng)，指構(gòu)件或船舶不同頻率下單位波高時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)值，即6個(gè)自由度。

圖3 不同吃水下沉管橫搖RAO曲線Fig.3 The RAO curve of immersed tube rolling under different draft

數(shù)值模擬主要為了控制單纜的受力不得超過(guò)設(shè)計(jì)值，因此控制單纜纜力的最大值較為安全，通過(guò)數(shù)值模擬可以得出，沉放過(guò)程中吊纜受力在干舷消除的工況條件下單纜吊力值最大為3 932 kN，管底與基槽頂部原泥面齊平時(shí)，雖然受到的水流力較大，但此時(shí)波浪力影響較小，此時(shí)單纜吊纜最大纜力為2 820 kN，管底距離基床2 m即將要著床時(shí)，受到基槽底部海水與泥沙密度變大的影響，吊纜的最大值僅為1 932 kN，見(jiàn)表2。由此可以分析得出海水密度的變化對(duì)沉管的吊力具有較大的影響，因此，在吊力取值時(shí)，要考慮安全系數(shù)的取值原則，保障沉管的順利沉放。

表2 沉管沉放模擬單纜吊力最大值Table 2 The maximum value of single cable lifting force for immersed tubesinking simulation

2.3 沉管安裝船結(jié)構(gòu)受力分析

沉管安裝船在不同工況條件下的吊力確定后，即可進(jìn)行船舶的沉放系統(tǒng)與總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，由于船舶屬于雙浮體結(jié)構(gòu)，且需要在水動(dòng)力條件下滿足其結(jié)構(gòu)的受力，在靜態(tài)耦合受力狀態(tài)下無(wú)法得出最不利工況，因此需要采用數(shù)值模擬分析的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的配置與模擬。采用SESAM中的模塊Geni E對(duì)沉管安裝船進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，采用MSC公司的Patran/Nastran對(duì)吊點(diǎn)支架以及相連船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，船舶的整體建模參數(shù)同第1章，結(jié)構(gòu)模型重量為2 656 t[1]，重心位置根據(jù)設(shè)計(jì)取值。

上部建筑通過(guò)重量加載的方式實(shí)現(xiàn)同質(zhì)量的轉(zhuǎn)換，沉管安裝船加載工況同第1章。

根據(jù)沉管安裝的工序，在沉放作業(yè)、沉放等待條件下橫流和縱流條件下計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)表3可知，沉管安裝船的整體強(qiáng)度在沉管安裝期間的設(shè)計(jì)工況條件下，其受到的應(yīng)力均小于規(guī)范值[11]，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

每艘沉放駁上配有4套系泊纜索系統(tǒng)，管節(jié)沉放前后控制沉放駁的水平位移[12]，保證沉放駁能夠牢牢穩(wěn)定在管節(jié)上方的固定位置，纜索均與海床上的預(yù)埋錨相連。配有2套吊索纜索系統(tǒng)，其中心距離由與管節(jié)吊點(diǎn)開(kāi)檔尺寸決定。吊索纜索系統(tǒng)主要是用來(lái)控制管節(jié)的垂直位移，并且把負(fù)浮力傳遞到沉放駁上。配有2套安裝纜索，分別穿過(guò)導(dǎo)纜架、開(kāi)口滑車和鉗式導(dǎo)纜器，組成沉放纜索系統(tǒng)。安裝纜索由絞車引導(dǎo)，穿過(guò)一個(gè)連通管節(jié)甲板和沉放駁的中央穿索孔，從卷?yè)P(yáng)機(jī)導(dǎo)向至隧道管節(jié)的頂部，再由管節(jié)頂部的導(dǎo)向滑輪導(dǎo)向與海床上的預(yù)埋錨相連。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果匯總Table 3 Summary of calculation resultsof various working conditionsMPa

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研發(fā)制造完成的新型沉管安裝船，自2013年5月投入應(yīng)用，至2017年5月4日成功完成了33節(jié)大型沉管的安裝，輔助完成了最終接頭的沉放安裝，創(chuàng)造了1 a 10節(jié)的世界紀(jì)錄，提高了沉管隧道安裝質(zhì)量。通過(guò)對(duì)已經(jīng)完成的沉管進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，新型的沉管安裝船可將沉管的安裝精度控制在5 cm以內(nèi)，管節(jié)沉放對(duì)接時(shí)間控制在12 h左右，其施工工效、施工精度等參數(shù)均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)研發(fā)要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)景圖如圖4。

圖4 沉管現(xiàn)場(chǎng)系泊帶纜實(shí)景圖Fig.4 Scene of mooring cable in immersed tube site

3 結(jié)語(yǔ)

在綜合分析研究國(guó)內(nèi)外沉管安裝方法和裝備的基礎(chǔ)上，提出了沉管安裝船的方案，對(duì)其關(guān)鍵的沉放系統(tǒng)的受力進(jìn)行了研究，得出了受力特征及限值，支持了沉管安裝船研發(fā)設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：1）研究分析現(xiàn)有的沉管施工技術(shù)，提出了新型的沉管安裝船的設(shè)計(jì)方案，得出了受力特征；2）采用數(shù)值模擬與解析計(jì)算相結(jié)合方法，得出不同工況下沉管安裝船吊力限值和取值方法；3）通過(guò)數(shù)值模擬建立了全船的受力模型，進(jìn)行了全面強(qiáng)度校核，支撐了船舶的設(shè)計(jì)應(yīng)用；4）沉管安裝船應(yīng)用精度達(dá)到了5 cm，并驗(yàn)證了可靠性，達(dá)到預(yù)期技術(shù)要求。

與國(guó)內(nèi)外同類型的裝備和技術(shù)相比，該船舶適用于沉管安裝，可為深中通道、大連灣海底隧道等沉管隧道的安裝裝備的設(shè)計(jì)與改造提供技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，加快船舶設(shè)計(jì)速度、縮短周期，有效提高了我國(guó)沉管隧道建設(shè)技術(shù)水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，可推廣到港口工程、海洋工程等領(lǐng)域水下構(gòu)件沉放裝備的設(shè)計(jì)及工程施工中借鑒應(yīng)用，前景廣闊。