超大型沉管拖航中拖轮的分工作用分析

宁进进，郑秀磊，孙健，王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

目前世界上超大型混凝土构件的浮运中，特别是沉管隧道浮运几乎都是采用4～5艘全回转大马力拖轮吊拖的方式，如国内的广州仑头-生物岛沉管隧道管段浮运考虑过5艘拖轮吊拖的浮运方式[2]，见图1。上海外环隧道管段浮运[1]采用4艘拖轮吊拖，见图2。

图1 广州沉管隧道管段浮运方式Fig.1 Floatingway of immersed tunnel tube in Guangzhou

图2 上海外环沉管隧道管段浮运方式Fig.2 Floatingway of immersed tunnel tube in Shanghai outer-ring

对施工难度更大的有限航区、海况复杂的外海沉管隧道，4艘拖轮拖航的方式存在一定安全风险。国内出现了吊拖+绑拖的8艘拖轮组合的拖带方式，见图3。在降低施工风险和提高沉管姿态控制方面有一定优势。本文以吊拖+绑拖为例，进行拖轮分工作业的分析。

图3 纵拖、横拖示意图Fig.3 Sketch of longitudinal tow ing and horizontal tow ing

1 拖带方式比较

在没有水深条件限制的开阔水域，4艘拖轮吊拖的拖带方式是经济又便于指挥的，但对船长的要求很高，由于沉管艏艉姿态的控制是由拖轮的转速或拖拽角控制，所以拖轮的调整比较频繁。

在有限航区、外海等施工条件恶劣的情况下，吊拖+绑拖的浮运拖带方式的优点在于可以更直接调整沉管艏艉姿态和抵抗侧向水流力，且从拖轮分工和指挥上看，指挥难度相对降低，拖轮调整次数不多。沉管艏艉姿态的调整主要通过绑拖拖轮完成，吊拖拖轮主要作用集中在控制航速上。

2 拖航时机

2.1 顺流拖航

国内某超大型沉管隧道的拖航包括航道区拖航和基槽区拖航，航道区轴线几乎和涨落潮主流向平行，基槽轴线几乎和涨落潮主流向垂直。根据实测资料，浮运区落潮流向（逆流作业）主要有180°和 167°两个方向。

沉管在拖航阶段的拖航阻力[3]：

式中：R为拖航阻力，kN；CW为水阻力系数；ρ为水的密度；A为迎流面积，m2；V为流速，m/s。

沉管纵拖按照流向180°、流速1 kn、绝对航速2 kn计算标准管节纵拖水流力约为50 t，考虑20%的波浪增阻，水流力合计约为60 t；沉管横拖按照流向180°和流速1 kn、绝对航速1 kn计算标准管节横拖水流力约为100 t，考虑20%的波浪增阻，水流力合计为120 t。

纵拖中艏端2艘拖轮主要作用是抗流和提供动力，每艘拖轮提供动力要超过30 t，考虑拖拽角和拖轮主机的功效，估算拖轮的功率要在4 476 kW（6 000 HP）以上。

通过以上计算，如果流向小于180°、流速超过1 kn，首端2艘4 476 kW（6 000 HP）的拖轮极有可能满足不了超过1 kn流速的作业工况，逆流拖航作业难度大。

从传统的船舶作业方式和传统的沉箱拖带方式看，沉管拖航应采用传统的逆流作业方式，沉管的姿态相对比较容易控制。但从超大型管节逆流纵拖受力分析看，与拖轮的拖带能力相比只能牺牲逆流拖航较容易控制的优势而选择顺流拖航。

据了解国内某外海沉管隧道出现过排水量45 000 t的沉管在逆流拖航中有拖不动和倒退的情况。虽然经过前期4次逆流拖航的浮运演练，但在强大的自然条件面前最终选择顺流拖航方式。

2.2 作业时机

作业窗口的选择是一个综合、全面考虑的结果，除了考虑涨落潮、流速的情况还要考虑上下工序的限制条件和各相关工序的作业时间。一般作业时间集中在每月的小潮期，如果当地海况条件比较好也可以考虑选择在中潮期。

根据2.1的计算分析，结合现场施工经验建议纵拖的顺流流速控制在1.4 kn以内，横拖控制在流速1 kn以内。具体情况根据水阻力判断。

3 吊拖+绑拖拖带方式

3.1 吊拖拖拽角

拖轮尾流是由拖轮螺旋桨作用导致的，螺旋桨加速水体运动，通过射流作用给周围水体一个速度。吊拖拖轮如采用直拖方式，缆绳长度为50～100m，通过计算拖轮总尾流力占拖轮系柱拖力的25%～45%[4]，严重影响拖轮工作效率。因此在浮运过程中应避开尾流直接冲击沉管，并且将拖缆延长，但缆绳越长越不容易控制沉管的位置和姿态，故缆绳长度不要超过150m。

根据国内某外海沉管隧道施工经验分析，可以采用艏端1号、2号拖轮的拖带角度30°～45°；拖轮3、拖轮4的拖拽角尽量保持在30°～60°；艏端1号、2号拖缆长度80～120 m、艉端3号、4号拖缆长度60～100m的拖带方式。

3.2 航速控制

航速控制主要是通过4艘吊拖拖轮实现。航道拖航时，艏端1号、2号拖轮提供前进动力，根据现场流速通过调整拖轮转速加速；艉端3号、4号拖轮提供刹车和减速动力，顺流拖航时艉端拖轮处于低转速，逆流拖航时艉端拖轮完全不受力，随沉管向前移动。

在大流速的逆流情况下，可以通过改变绑拖拖轮和艉端拖轮的拖带方式进行抗流和加速。

1） 绑拖拖轮

绑拖拖轮的头缆、腰缆通过拖轮上的卷扬机连接，可以控制缆绳收紧、松开。当需要提供前进动力时，头缆、腰缆都收紧，拖轮轴线与沉管轴线相同，拖轮提供向前的动力。这种拖带方式提速加速时绑拖5号、6号拖轮的尾流全部打在沉管或拖轮上，抵消拖轮拖力，因此一般只采用靠后的7号、8号绑拖拖轮辅助加速。

2） 艉端拖轮

艉端3号、4号拖轮由方向向后改成方向向前，4艘吊拖拖轮呈“出”字形吊拖方式进行辅助提速。

3.3 姿态控制

在有限航区，沉管姿态控制是浮运的关键。

4艘绑拖拖轮的主要作用是控制沉管的艏艉姿态。由于港作拖轮的作业习惯是顶推，拖轮船长更习惯通过顶推控制沉管的“摇头摆尾”，以某沉管隧道为例进行力矩分析得沉管姿态顶推作用产生的沉管轴向、横向力臂比吊拖拖轮（拖拽角度 30°～45°） 的力臂大 25 m、6 m。

3.4 拖航指挥

吊拖拖轮的拖拽角度一般是保持固定角度，只调整拖轮转速，一方面减少缆绳磨损风险，一方面减少指挥难度，指挥口令固定、简化。

绑拖拖轮的指令根据沉管偏离航道轴线的情况进行指挥，而且顶推力直接，避免了传统的通过调整吊拖拖轮角度的操控难度。

3.5 拖轮调整频率

对某沉管隧道标准管节前7次顺流浮运的拖轮使用频率进行统计对比，见表1。统计的浮运过程拖轮调整共计约1 600次。

表1 沉管拖轮的使用频率Table 1 Using frequency of immersed tube tug

从拖轮使用频率上看，5号～8号绑拖拖轮使用频率最高，说明沉管艏艉的姿态调整次数最多；艏端5号、6号拖轮调整次数比艉端7号、8号拖轮调整次数多150余次，说明艏端姿态调整是整个浮运作业过程的重点；4艘绑拖拖轮中同侧的5号、7号绑拖拖轮调整频率比对面的6号、8号绑拖拖轮次数多，主要因为其承担了抗侧向海流的工作。

由于航道浮运大部分时间是顺流拖航，而且随着拖轮操控的不断熟练，1号～4号吊拖拖轮使用情况逐渐固定，调整频率比较少，大部分时间一直处于固定的转速和拖拽角。

4 结语

吊拖+绑拖的拖带方式目前应用仅限于有限航区和海况恶劣的外海隧道，施工经验还相对缺乏，浮运作业认识还不够透彻。在不断积累沉管浮运作业的经验基础上，需要固化、简化拖轮作业模式和拖航指挥，在保证安全的前提下尽量控制拖轮数量，并通过研究改进，更好地控制沉管浮运的速度和姿态。

[1] 潘永仁.上海外环沉管隧道大型管段浮运方法[J].施工技术，2004（3）：52-54.PAN Yong-ren.The floating transportmethod of large elements employed for Shanghaiout-ring immersed tube tunnel[J].Construction technology,2004(3)：52-54.

[2] 彭红霞，王怀东.仑头-生物岛沉管隧道管段浮运方案探讨[J].隧道建设，2007，27（4）：85-88.PENGHong-xia,WANGHuai-dong.Discussionson tube element towingoptions for Luntou-Shengwudao immersed tunnelproject[J].TunnelConstruction,2007,27(4)：85-88.

[3] JTJ215—1998，港口工程荷载规范[S].JTJ215—1998,Load code forharbourengineering[S].

[4] 侯连青，宁进进.拖轮螺旋桨尾流对沉管或沉箱浮运的影响[J].中国港湾建设，2013（1）：5-7.HOU Lian-qing,NING Jin-jin.Influence of tug'propeller slipstream on floating elements caissons[J].China Harbour Engineering,2013(1)：5-7.