內(nèi)河水域大型沉井浮運(yùn)拖帶作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)研究

涂 彪， 劉敬賢

(1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院， 武漢 430063；2.內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063)

0 引 言

內(nèi)河水域航道寬度較窄，水深較淺，在此類水域進(jìn)行船舶拖帶作業(yè)的難度比在沿海水域大。尤其是在內(nèi)河水域浮運(yùn)拖帶大型結(jié)構(gòu)物時(shí)，易因水深不足而導(dǎo)致船舶擱淺，并因作業(yè)范圍狹窄而增大拖帶難度，從而對(duì)內(nèi)河水域的通航安全構(gòu)成重大威脅。因此，大型結(jié)構(gòu)物浮運(yùn)拖帶作業(yè)一直是內(nèi)河涉水工程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以常泰長(zhǎng)江大橋5#墩沉井出塢和浮運(yùn)拖帶作業(yè)為例，對(duì)大型結(jié)構(gòu)物浮運(yùn)拖帶作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

常泰長(zhǎng)江大橋跨江連接常州和泰興兩市，是長(zhǎng)江上集高速公路、城際鐵路和一級(jí)公路于一體的過江通道。該大橋于2019年開工建設(shè)，主航道采用雙層斜拉橋，橋主墩(編號(hào)5#墩)采用沉井基礎(chǔ)。5#墩沉井由江蘇揚(yáng)子鑫福船廠承建，建成出塢之后先靠泊到該船廠的1#碼頭，2 d之后由6艘大馬力全回式拖船沿長(zhǎng)江上行推薦航路右側(cè)浮運(yùn)拖帶至5#墩施工現(xiàn)場(chǎng)，拖航總里程約為2.9 n mile，拖航速度為1～2 kn，預(yù)計(jì)2 h之內(nèi)可抵達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)交由施工單位定位。

工程拖帶水域?yàn)殚L(zhǎng)江江蘇段主航道，該航段碼頭眾多，船舶進(jìn)出頻繁，為長(zhǎng)江航道中最繁忙的水域之一。該水域船舶交通流密集，在該水域拖帶大型無(wú)動(dòng)力船的各項(xiàng)操作不僅關(guān)系到拖帶船隊(duì)的安全航行，而且關(guān)系到過往船舶的安全性和航道的暢通。為此，在拖帶作業(yè)開始之前，采取封底助浮、疏浚和掃測(cè)等措施確保拖帶水深滿足要求；同時(shí)，針對(duì)出塢、離泊和浮運(yùn)等3個(gè)階段，對(duì)拖船配置、拖帶方式和起拖時(shí)機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)，以及拖航期間的安全保障和拖帶注意事項(xiàng)等進(jìn)行研究，保障此次沉井浮運(yùn)拖帶作業(yè)的安全性，為以后內(nèi)河水域大型構(gòu)件浮運(yùn)拖帶作業(yè)的開展提供參考。

1 沉井基本參數(shù)

5#墩沉井基礎(chǔ)平面呈圓端型，立面為臺(tái)階型；沉井底面尺寸為95.0 m×57.8 m，圓端半徑為28.9 m；沉井頂面尺寸為77.0 m×39.8 m，圓端半徑為19.9 m；臺(tái)階寬度為9.0 m。該沉井分36個(gè)隔艙，外壁厚1.8 m，內(nèi)隔艙夾壁厚1.4 m和2.0 m。

沉井建造示意見圖1，其設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1) 沉井底節(jié)高為39 m(浮運(yùn)至橋位處部分高度)。

2) 沉井浮拖部分重量為20 130 t。

3) 考慮封閉中間16個(gè)隔艙，自浮吃水為6.85 m。

4) 沉井縱向拖航時(shí)，迎水面寬58.2 m，平行水流方向長(zhǎng)95.4 m；沉井在橋位處掉頭時(shí)，迎水面寬95.4 m，平行水流方向長(zhǎng)58.2 m。

2 施工水域水深分析

當(dāng)不對(duì)沉井采取助浮措施時(shí)，其吃水為13.5 m，船塢內(nèi)水深和航道水深均不能滿足其對(duì)吃水的要求，因此需對(duì)沉井采取助浮措施。

2.1 出塢階段階段水深分析

對(duì)沉井36個(gè)井孔中的28個(gè)井孔增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)封艙底板，封艙底板的面板在高度上距離沉井底部約1.1 m。這28個(gè)井孔的底部全部封閉之后，沉井吃水約為6.0 m，塢內(nèi)封艙底板布置圖見圖2。

圖1 沉井建造示意

圖2 塢內(nèi)封艙底板布置圖

封底助浮之后，沉井吃水約為6.0 m，為確保拖帶水深大于沉井吃水，防止沉井浮運(yùn)過程中出現(xiàn)觸底、擱淺風(fēng)險(xiǎn)，考慮留有1.0 m的安全裕度，即要求塢門至1#碼頭區(qū)域的水深至少為7.0 m。為此，于2019年10月27采用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和多波速測(cè)深系統(tǒng)(聲速可根據(jù)水溫和鹽度自動(dòng)修正)對(duì)塢門和碼頭前沿的河床進(jìn)行掃測(cè)，結(jié)果見圖3。根據(jù)河床掃測(cè)結(jié)果，在低平潮期，塢門區(qū)域水深最小僅為5 m左右，在船塢內(nèi)對(duì)沉井采取助浮措施之后，其吃水約為7 m，不能滿足沉井出塢的要求，因此采用挖泥船提前清淤，使河床面與船塢底面(標(biāo)高-6.8 m)基本齊平。

根據(jù)鋼沉井制造進(jìn)度，沉井預(yù)計(jì)在2019年12月下旬出塢。根據(jù)江陰站水位潮汐規(guī)律，結(jié)合船塢內(nèi)實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，推測(cè)2019年12月22日—12月30日船塢內(nèi)水深，具體見表1。

圖3 塢門區(qū)域河床掃測(cè)結(jié)果

表1 2019年12月22日—12月30日船塢內(nèi)水深

沉井起浮之后，其刃腳必須高于船塢內(nèi)，最高塢墩和塢門坎，并留有一定的安全高度，以保證安全出塢。

沉井在船塢內(nèi)起浮時(shí)的吃水為6 m，塢內(nèi)底部為理論高程基準(zhǔn)面，沉井墊墩高度為2.2 m，船塢內(nèi)滿足沉井出塢要求的水位的計(jì)算公式為

=++

(1)

式(1)中:為沉井吃水,=6 m;為船塢內(nèi)最高塢墩的高度,=2.2 m;為安全高度,=0.5 m。由此可得，滿足沉井出塢要求的水位為8.7 m。2019年12月22日—12月30日滿足沉井出塢的時(shí)間段見圖4。

根據(jù)船廠的計(jì)劃，沉井于2019年12月28日16：30—18：30出塢，此時(shí)船塢內(nèi)水深達(dá)10 m以上，滿足沉井出塢對(duì)水深的要求。

2.2 沉井浮運(yùn)拖帶階段水深分析

為增強(qiáng)5#墩沉井的穩(wěn)性，在對(duì)其進(jìn)行浮運(yùn)拖帶之前，需在1#碼頭拆除12個(gè)封艙底板。拆除封艙底板之后，沉井浮運(yùn)助浮井孔布置圖見圖5。

封艙底板拆除之后，沉井吃水為8.5 m，考慮2.0 m的安全裕度，沉井從揚(yáng)子鑫福1#碼頭浮運(yùn)至墩位處的浮運(yùn)拖帶線路水深需超過10.5 m。查閱最新航道圖水深，沉井浮運(yùn)拖帶線路水深約為14.5 m，滿足沉井浮運(yùn)拖帶的要求。

2.3 定位階段水深分析

為便于5#墩沉井定位，將其浮運(yùn)至橋位轉(zhuǎn)纜之后，須拆除封艙底板，最終沉井吃水約為13.5 m。2019年10月27日橋位處河床掃測(cè)結(jié)果見圖6。

根據(jù)河床掃測(cè)結(jié)果，結(jié)合潮位數(shù)據(jù)，在低平潮期，沉井橋位處河床水深為14.5 m，能滿足沉井轉(zhuǎn)纜的要求。

3 浮運(yùn)計(jì)算

沉井在水上拖航過程中受到水流、波浪和風(fēng)等多種環(huán)境因素的影響，為確保其安全性，須在設(shè)計(jì)拖航方案時(shí)考慮沉井拖航阻力特性。針對(duì)沉井拖航阻力問題，可采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等3種方法解決。本文采用《Towing》中的相關(guān)公式對(duì)沉井直航和掉頭時(shí)的阻力進(jìn)行計(jì)算，分析浮運(yùn)過程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 直航時(shí)總阻力計(jì)算

沉井縱向直航時(shí)的吃水為5.35 m，對(duì)水最大拖帶速度為3 m/s。海上被拖航物體所受阻力的估算公式可表示為

=115(+)

(2)

式(2)中：為拖航摩擦阻力；為拖航剩余阻力。圖7為不同水速下單艘拖船阻力。

圖6 2019年10月27日橋位處河床掃測(cè)結(jié)果

圖7 不同水速下單艘拖船阻力RT

1) 《Towing》推薦的拖航摩擦阻力的估算公式為

=3522××××10

(3)

式(3)中：為被拖物的污底系數(shù)，新制鋼沉井可取=04；為被拖物的水下濕表面積，=6 573 m;為拖航速度。由此可得，=83 kN。

2) 《Towing》推薦的拖航剩余阻力的估算公式為

=062×××

(4)

式(4)中：為被拖物的艏部形狀系數(shù)，圓端型圍堰艏部形狀系數(shù)取05；為浸水橫斷面面積，=311 m。由此可得:=869 kN；=1 095 kN。

4 000 HP(1 HP≈0.746 kW)拖船的有效輸出拖力約為360 kN。以2號(hào)拖船為例，3 m/s對(duì)水速度下單艘拖船的阻力為33.02 kN。若配置5艘4 000 HP拖船拖航，則拖航總阻力=1 260.1 kN。5艘拖船的有效輸出拖力=1 800 kN>。

拖船配置5艘4 000 HP拖船拖航，1艘4 000 HP拖船備用，共6艘。

3.2 掉頭之后的阻力計(jì)算

沉井在橋位處掉頭時(shí)，吃水為5.35 m，對(duì)水拖帶橫向速度為1.5 m/s。=6 175 m；=19.6 kN；=712 kN；=841 kN。

為保障沉井拖航作業(yè)的安全性，沉井縱向拖航對(duì)水速度擬控制在3.0 m/s以內(nèi)，沉井在橋位處掉頭時(shí)的拖航對(duì)水速度控制在1.5 m/s以內(nèi)。

3.3 纜繩計(jì)算

纜繩的安全系數(shù)取1.25，其最大拉力按600 kN設(shè)計(jì)。鋼絲繩采用直徑為φ60 mm、抗拉強(qiáng)度=1 870 MPa的鋼芯鋼絲繩，單根鋼絲繩最小破斷拉力=2 000 kN,安全系數(shù)為3.3。

3.4 Y#5紅浮下游掉頭合理性分析

根據(jù)營(yíng)船港專用航道與長(zhǎng)江主航道的平面布置關(guān)系，沉井船隊(duì)從營(yíng)船港專用航道駛?cè)腴L(zhǎng)江主航道可選航線有2條，即：在Y#5紅浮下游掉頭進(jìn)入長(zhǎng)江主航道；在營(yíng)船港專用航道起點(diǎn)(蘇橋#5左右通航浮)掉頭進(jìn)入主航道。最終確定采用在Y#5紅浮下游掉頭進(jìn)入長(zhǎng)江主航道的方案，其合理性主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1) 該方案的轉(zhuǎn)向角比其他方案小，便于掉頭作業(yè)，能降低通航風(fēng)險(xiǎn)；

2) 蘇橋#5左右通航浮距離蘇通大橋較近，距離僅為2 200 m，沉井船隊(duì)距離蘇通大橋較近，且大橋上下游存在專屬區(qū)，因此選擇在Y#5紅浮下游掉頭能降低掉頭風(fēng)險(xiǎn);

3) Y#4紅浮與Y#3紅浮之間存在通常汽渡，若選擇從Y#5紅浮下游掉頭，對(duì)通常汽渡的影響較小。

4 拖船編隊(duì)

4.1 沉井出塢編隊(duì)

1) 揚(yáng)子鑫福船塢門打開以后，2艘5 000 HP拖船先進(jìn)入船塢，用纜繩將拖船與沉井側(cè)面12 m處拉耳連接；

2) 解開沉井圓端面一側(cè)的1根纜繩，進(jìn)入1艘6 000 HP拖船，與沉井圓端面一側(cè)的拉耳連接(見圖8)；

3) 3艘拖船帶纜完成之后，采用吊機(jī)解除其余5根纜繩，完成解纜工作；

4) 沉井解纜作業(yè)完成之后，2艘5 000 HP拖船微微倒拖，1艘6 000 HP拖船控制沉井橫移，確保沉井與船塢側(cè)面保持一定的距離，1艘4 000 HP拖船與沉井圓端面后側(cè)的拉耳連接，完成拖船塢內(nèi)編隊(duì)，見圖9；

5) 在4艘拖船的配合下，沉井緩緩離開船塢，待沉井離開船塢約100 m之后，即完成沉井出塢作業(yè)。

4.2 沉井離泊編隊(duì)

1) 沉井碼頭處的12塊封艙底板拆除完畢之后，解除沉井碼頭靠岸系泊的纜繩；

2) 1#拖船和6#拖船按浮運(yùn)過程中的拖帶隊(duì)形系纜；

3) 2#拖船和4#拖船前面掛纜倒拖；

4) 2#拖船和4#拖船向后拖拽，將沉井拖離1#碼頭50 m之后停止拖帶；

5) 1#拖船、2#拖船、4#拖船和6#拖船臨時(shí)穩(wěn)定沉井；

6) 3#拖船和5#拖船從沉井右后方駛?cè)耄？吭诟∵\(yùn)編隊(duì)位置，并帶纜固定；

7) 2#拖船和4#拖船解纜之后重新按浮運(yùn)編隊(duì)位置帶纜固定。

4.3 沉井浮運(yùn)拖帶編隊(duì)

選用“4艘拖船綁拖，1艘拖船頂拖，1艘拖船倒拖”的拖帶方案，1#拖船前面掛纜倒拖，4#拖船沉井左舷后編隊(duì)(掛帶3纜)，2#拖船(掛帶2纜)左前編隊(duì)，6#拖船解部后頂推；沉井離開碼頭約50 m之后，5#拖船右后編隊(duì)，3#拖船右前帶纜。整體拖船的拖帶寬度為137.4 m，長(zhǎng)度為247.54 m。經(jīng)海事部門確認(rèn)，該方案滿足沉井拖帶要求。編隊(duì)完畢之后，在現(xiàn)場(chǎng)海巡艇和護(hù)航艇的維護(hù)下進(jìn)入推薦航道，進(jìn)行沉井航道浮運(yùn)。沉井拖帶路線見圖10;沉井接纜示意見圖11；沉井離泊編隊(duì)見圖12；拖船參數(shù)見表2；沉井拖船編隊(duì)俯視圖和側(cè)視圖分別見圖13和圖14。

圖10 沉井拖帶路線

表2 拖船參數(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

拖帶是一項(xiàng)很復(fù)雜的作業(yè)，受天氣、拖帶設(shè)備和操作人員熟練程度等外界因素的影響較大。拖帶的關(guān)鍵是合理地完成整個(gè)拖帶過程，在任何情況下都不能使纜繩斷裂。因此，本文結(jié)合此次沉井出塢和浮運(yùn)拖帶作業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)沉井出塢和浮運(yùn)拖帶作業(yè)方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。大型沉井拖帶作業(yè)較為復(fù)雜，需在拖帶之前制訂合理的拖航方案，妥善處理拖帶過程中可能遇到的各種情況，以保證拖帶作業(yè)的安全性。本文的研究可供后續(xù)類似拖帶作業(yè)的開展參考，以盡可能地避免安全事故發(fā)生。