海水密度對超長距離沉管浮運安全影響分析及應對措施

王明，赫亞鋒，寧進進，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設計時速、雙向八車道建設標準，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合同段負責E1—E22管節(jié)的施工。E1管節(jié)為非標準管節(jié)，管節(jié)長123.5 m、寬46 m、高10.6 m；E2—E21為標準管節(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。采用一體船進行浮運安裝，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標段管節(jié)浮運的起點是珠海市桂山島鎮(zhèn)牛頭島預制場，終點是珠江口西島基槽區(qū)，浮運線路為：預制場支航道→榕樹頭航道→出運航道一→伶仃航道→新建航道→基槽，總長約50 km。超長距離浮運，施工風險較高，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、風浪流大疊加的惡劣工況，保證管節(jié)在浮運過程中的安全至關(guān)重要。

深中通道S09標段管節(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[2-3]過程中海水密度變化對管節(jié)浮運的影響。

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，提供浮運過程中船管間的預緊力[4]。

管節(jié)出塢浮運前需要做船管正式連接，E1管頂布置相應基座、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預緊力；浮運安裝一體船通過壓載給管節(jié)提供5 880 kN預壓力；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、浪、流是影響管節(jié)沉放作業(yè)窗口的主要因素，其中風和浪依靠氣象預報系統(tǒng)預報，流速依靠現(xiàn)場實時的流速數(shù)據(jù)進行預測。根據(jù)《深圳至中山跨江通道施工圖聯(lián)合設計第三篇隧道第二冊沉管隧道第一分冊沉管隧道總體設計及技術(shù)要求》圖紙，管節(jié)浮運安裝作業(yè)窗口如表2所示。

表2 浮運沉放天氣窗口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預壓力，管節(jié)剩余18 cm干舷，單個L纜提至2 940 kN預緊力，單個支墩拉索提供約294 kN預緊力，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，當航速大于2 kn時，浮運過程中管節(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。下面通過浮運過程中船管間支墩應力與位移、支墩拉索應力、L纜纜力等監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步說明。

3.1 浮運過程中支墩監(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。一體船由預制廠支航道進入榕樹頭航道后，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；一體船由出運航道一進入伶仃航道后，該現(xiàn)象更加明顯。分析原因，總壓力減小應與船體（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。當一體船進入新建航道后，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，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

支墩上部艙壁應力監(jiān)測結(jié)果：8號支墩艙壁處主應力和剪應力大小變化趨勢與支墩變化趨勢相同；其中，相對大主應力變化范圍為0～27 MPa，相對剪應力變化范圍為2～17.5 MPa，相對小主應力變化范圍為0～-10 MPa。8號支墩位置艙壁結(jié)構(gòu)應力最大值出現(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)彎進入新建浮運航道）時刻，見圖5。

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

3.2 浮運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航道一進入伶仃航道，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；進入新建航道后，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)彎進入新建浮運航道）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 浮運過程中L纜纜力監(jiān)測

通過提升絞車纜力監(jiān)測設備可以判斷由于浮運航道海水密度的變化以及重載航速、現(xiàn)場風速、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，會導致管節(jié)在浮運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險[7]。

4 應急預案

在浮運過程中若出現(xiàn)管節(jié)干舷太低，需要在浮運期間采取應急措施[8]排出一體船壓載水。經(jīng)過計算對應排水量與管節(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行計算，應急排水情況見表3。

表3 一體船應急排水情況計算表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，需要對該拉索進行部分卸載，綜上所述建議在應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，計劃在新建浮運航道合適水域進行排水，建議排水后適當控制浮運航速。

5 結(jié)語

管節(jié)浮運過程中時刻關(guān)注海水密度變化對保證管節(jié)浮運安全至關(guān)重要，可通過支墩應力、支墩位移監(jiān)測設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；可通過支墩拉索應力監(jiān)測設備監(jiān)測浮運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)測設備判斷絞車受力情況，保證浮運過程中提升絞車滑輪組受力不超過其動載極限。