非自浮沉管長距離絞移施工工藝及受力分析

王偉智，姜政遙，陳猛，梁邦炎，甘世行，王華坤，孫陽

（1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510290；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

0 引言

隨著沉管隧道施工技術(shù)的日益成熟，加之其對(duì)軟土地基具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且在抗震方面具備優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)，沉管隧道受到越來越多國家的重視和認(rèn)可[1]。隨著沉管管節(jié)長度的加長，管節(jié)重量的增加，大型沉管隧道管節(jié)的絞移浮運(yùn)也成為整個(gè)沉放施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段已完成或正在施工的沉管隧道工程中，均采用自浮沉管。深圳沿江高速前海段與南坪快速銜接工程項(xiàng)目首次采用非自浮沉管工藝，可減少主體結(jié)構(gòu)體量、減少基槽開挖、簡化管內(nèi)壓載系統(tǒng)及相關(guān)作業(yè)，在造價(jià)、工效等方面較自浮沉管具有一定優(yōu)勢(shì)[2]。非自浮沉管在絞移過程中受到沉管與安裝駁相互作用、現(xiàn)場(chǎng)水流、波浪作用等因素，需根據(jù)非自浮沉管特點(diǎn)對(duì)其在基槽絞移過程中進(jìn)行受力分析，為后續(xù)的沉管絞移施工及受力控制等提供理論分析依據(jù)和技術(shù)保障[3]。

1 工程概況

沿江高速前海段與南坪快速銜接工程沉管施工現(xiàn)場(chǎng)位于深圳市前海灣，沉管采用鋼筋混凝土形式，重約3.5萬t。沉管經(jīng)半潛駁運(yùn)輸?shù)竭_(dá)前海灣下潛坑后，由于拖輪等控制難度較大，施工水域水深較淺等因素，對(duì)沉管基槽浮運(yùn)采用絞移的方式，絞移距離最長約2 000 m。

非自浮沉管標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長80 m，寬42.8 m，管節(jié)高度9.85 m，見圖1。

圖1 沉管標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)橫斷面圖（cm）Fig.1 Cross-sectional view of the structure of the standard section of the immersed tube(cm)

在沉管預(yù)制廠預(yù)制完成后使用45 000DWT半潛駁運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)[4]，專用安裝駁與沉管連接后進(jìn)行出駁與基槽內(nèi)絞移，如圖2所示。

圖2 沉管基槽內(nèi)絞移水域布置圖Fig.2 Layout of the winching water area in the immersed tube foundation trench

2 絞移工藝

為提高沉管安裝效率，結(jié)合前海灣實(shí)際水文條件，研發(fā)了一艘非自浮沉管專用安裝駁。安裝駁長64 m，寬49.8 m，船上布置8臺(tái)定位絞車、4臺(tái)起重絞車和8臺(tái)縱橫調(diào)絞車，通過8臺(tái)定位絞車絞移安裝駁帶動(dòng)沉管移動(dòng)[5]，安裝駁與沉管連接方式見圖3。

圖3 安裝駁與沉管連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of connection between installation barge and immersed tube

在安裝駁與沉管絞移過程中，假定安裝駁與沉管絞移至一定距離，此時(shí)負(fù)責(zé)控制沉管前進(jìn)的1組纜長度不足，需更換前進(jìn)控制纜繩。將2組纜布設(shè)在前方，布設(shè)過程中與現(xiàn)有的1組纜發(fā)生交叉，4組纜布設(shè)在后方，布設(shè)過程中同樣與3組纜發(fā)生交叉，布設(shè)完成后，松開回收1組、3組纜繩，再將3組纜繩牽引布設(shè)在前方，絞移過程重復(fù)此方法控制沉管前進(jìn)。安裝駁與沉管絞移過程纜繩布置如圖4所示。

圖4 沉管絞移纜繩示意圖Fig.4 Schematic diagram of immersed tube winch cable

3 絞移受力分析

3.1 計(jì)算參數(shù)及理論公式

安裝駁絞移過程中，沉管和安裝駁整個(gè)體系主要受風(fēng)浪流阻力。在基槽及下潛坑開挖完成后，在基槽大部分區(qū)域，其最大漲落潮流速在0.1～0.2 m/s之間，基槽局部落潮時(shí)形成急流場(chǎng)，在局部形成了歸槽水流，局部流速超過0.4 m/s。

基槽內(nèi)的絞移不考慮等待平潮期，在基槽內(nèi)按照水流流速0.25 m/s，絞移速度0.15 m/s考慮，匯流區(qū)流速按照0.5 m/s考慮。

3.1.1 船管之間的水平力分析計(jì)算

目前船管之間的水平作用力計(jì)算按照沉管水平方向上所受最大水流力計(jì)算，在水流方向垂直于沉管的對(duì)角線時(shí)，其受流面積投影最大，所受水流力最大，對(duì)角線長度90.7 m。依據(jù)JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》[6]公式13.0.1計(jì)算可得含風(fēng)機(jī)壁龕段的管節(jié)受到的水流力為：Fw=0.5×1.025×2.32×0.5×0.5×（68×9.8+22.7×10.35）=268 kN。

3.1.2 吊纜受力計(jì)算分析

在絞移過程中，沉管吊纜受力主要由以下兩部分組成：1）克服沉管負(fù)浮力所需的吊力；2）波浪作用下增加的吊力。最不利情況0.5 m波高，安裝駁船在波浪作用下產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，此時(shí)吊纜吊力增加。

根據(jù)以上分析，計(jì)算沉管在基槽的絞移過程中，每組吊纜最大吊力如表1所示。

表1 吊纜受力表Table 1 Table of lifting cable force t

3.2 沉管-安裝駁絞移運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬

3.2.1 浮體運(yùn)動(dòng)控制方程

安裝駁-沉管絞移過程中受到風(fēng)、浪、流等諸多載荷作用[7]。本研究基于AQWA軟件，采用三維勢(shì)流理論對(duì)海洋環(huán)境載荷下安裝船-沉管的6-DOF運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩受力進(jìn)行研究，用以確定安全可靠的絞移方案[8]。在多種環(huán)境載荷作用下，浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

式中：M為浮體質(zhì)量矩陣；ΔM為浮體附加質(zhì)量矩陣；Brad為輻射阻尼矩陣；Bvis為黏性阻尼矩陣；Kstillwater為靜水剛度；Kmooring為系泊系統(tǒng)剛度；X為沉管位移矩陣；為沉管速度矩陣；為沉管加速度矩陣；F1為一階波頻載荷；F2Low為二階低頻載荷；F2High為二階高頻載荷；Fwind為風(fēng)載荷；Fcurrent為流載荷；Fothers為其他載荷。

流荷載中流體力系數(shù)通過黏性流體繞流計(jì)算來準(zhǔn)確獲取，CFD數(shù)值模型如圖5所示。

圖5 船管繞流CFD數(shù)值模型圖Fig.5 CFD numerical model diagram of ship-tube winding

3.2.2 沉管-安裝駁運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

安裝駁與沉管建立的數(shù)值模型見圖6。

圖6 船管絞移數(shù)值模型局部放大圖Fig.6 Partial enlargement of numerical model of the ship-tube winching

安裝船設(shè)有8根定位纜，其中首尾4根纜為縱向纜，控制絞移運(yùn)動(dòng)；中間4根纜為橫向纜，控制橫向偏位。具體操作為：以一定速度收緊4號(hào)和5號(hào)纜繩使船管前進(jìn)，其他纜繩均設(shè)定為恒張力，每次向前移動(dòng)距離為80 m。船管之間的鋼支墩通過彈性接觸來模擬，通過設(shè)定吊纜預(yù)應(yīng)力使船管之間產(chǎn)生摩擦以限制兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)[9]。

3.2.3 安裝駁纜繩受力

沉管-安裝駁系統(tǒng)在基槽內(nèi)以0.15 m/s速度向前絞移，起始位置為0 m和80 m處，海洋環(huán)境條件取最不利情況下橫向流速0.5 m/s，波高0.5 m。為避免船管在絞移過程中觸碰到基槽邊壁，通過對(duì)橫向纜和尾纜設(shè)定恒張力使船管橫向偏位限制在2 m以內(nèi)。數(shù)值模式計(jì)算典型工況與結(jié)果如表2所示。

表2 安裝駁-沉管絞移數(shù)值模擬工況與結(jié)果Table 2 Numerical simulation conditions and results of installation barge-immersed tube winching

從纜繩受力變化來看，沉管從靜止?fàn)顟B(tài)加速啟動(dòng)，4號(hào)和5號(hào)纜繩拉力迅速增大，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值后開始下降，經(jīng)過若干次衰減波動(dòng)后趨于穩(wěn)定值，即船管開始勻速前進(jìn)。在絞移運(yùn)動(dòng)后期，由于2根首拉纜與前進(jìn)方向夾角增大，為保持速度不變，需要提供的總拉力逐漸增大。計(jì)算得到單根纜繩收纜力的最大峰值約39 t，最大穩(wěn)定值約27 t。為改善纜繩受力狀態(tài)，沉管在初始階段可緩慢收纜啟動(dòng)[10]。

橫向波流作用下沉管會(huì)發(fā)生橫偏，通過橫拉纜調(diào)控[11]，沉管分別從0 m、80 m處絞移過程中最大偏位分別為1.14 m、1.88 m，滿足2 m限位要求。沉管勻速前進(jìn)時(shí)受到的橫向流體力約32～35 t，比理論計(jì)算值略大。

4 結(jié)語

通過對(duì)深圳前海灣現(xiàn)場(chǎng)施工條件的分析，在沉管基槽內(nèi)長距離絞移期間，合理規(guī)劃絞移纜繩布置，抵抗波浪和水流力的作用。同時(shí)，對(duì)安裝駁和沉管進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，研究了安裝駁與沉管在波浪和水流聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)特性。主要結(jié)論：

1）沉管基槽長距離絞移施工，使用安裝駁8臺(tái)定位絞車進(jìn)行絞移，絞移操作流程簡化，施工效率高，充分利用安裝駁絞車，操作安全性好。

2）沉管與安裝駁之間采用纜繩連接，絞移與安裝使用同一套纜繩，避免了沉管絞移與安裝纜繩更換使用的重復(fù)工作，簡化了施工工序。

3）基于AQWA軟件，采用三維勢(shì)流理論對(duì)海洋環(huán)境載荷下安裝船-沉管的6-DOF運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩受力進(jìn)行研究，具有計(jì)算結(jié)果更為精確的優(yōu)勢(shì)。

4）通過對(duì)安裝駁和沉管的建模及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析，從理論上論證了沉管在絞移過程中的受力情況，對(duì)后續(xù)的纜繩布置、絞車選型及實(shí)際施工具有指導(dǎo)意義。