大型管节浮运关键技术分析

朱建国,伦灿章

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)



大型管节浮运关键技术分析

朱建国,伦灿章

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

以港珠澳大桥岛隧工程为例，介绍大型管节海上长距离浮运的方法，分析浮运方案设计的关键技术，探讨浮运阻力确定、时间窗口确定以及拖轮编队等问题，并确定最终方案。

沉管隧道；管节浮运；模型试验；拖轮编队

港珠澳大桥岛隧工程总长7 440.5 m，其中沉管隧道长5 664 m，由33个管节E1～E33组成，管节宽37.95 m、高11.4 m、长112.5 m(E1、E2、E32、E33)和180 m(E3～E31)，最重达7.8万t，建成将成为世界范围内最长、埋置最深、单孔跨度最宽、单节柔性管节最长、规模最大的海底公路沉管隧道[1]。管节预制厂位于桂山岛，距离安装现场约13 km。该工程管节浮运距离远，时间长，水深浅，航道窄，流态复杂，航道交通繁忙，需避免浮运过程中的搁浅、碰撞等风险，对浮运编队的拖力、操纵性、协同性提出了较高的要求。因此如何将管节安全地从预制厂运输至沉放水域，是沉管隧道施工的首要任务，也是该工程必须解决的关键技术问题。

目前，国内对管节浮运的研究主要集中在浮运阻力方面，而在时间窗口和拖轮编队方面，相关文献报道不多，系统性研究较少。因此，考虑从浮运阻力确定、时间窗口确定以及拖轮编队方案3方面对管节浮运技术开展分析。

1 关键技术

1.1 浮运阻力确定

港珠澳大桥岛隧工程的管节需在海上浮运，受到风、浪、流等荷载的综合作用，航道相对内河的环境因素更加复杂，管节从航道浮运到基槽的过程中，流向角、水深及流速的变化，使管节的阻力产生变得非常复杂。管节的阻力特性将影响到浮运方案中的作业时间窗口以及拖轮编队方案等关键问题，因此在进行海上长距离管节浮运前，对管节的阻力大小及影响因素进行深入研究，最终得到准确的数据来指导管节浮运方案的设计[2]。

管节浮运阻力通常采用经验公式，如《港口工程荷载规范》中推荐的公式进行估算。但上述规范中没有针对大型钝体水流阻力的计算公式[3]，由于大型管节的阻力系数难以确定，因而经验估算值与实际值的偏差较大，仅适用于浮运施工方案的初步评估。在详细施工方案阶段，需根据浮运作业的实际情况进行针对性的模型试验，以确定管节在各种工况下的浮运阻力。

从理论上来讲，管节在水中的受力是一个钝体在限制区域的粘性兴波问题。物体在无限介质中的粘性绕流问题仅在小雷诺数时才有满意的解析解或数值解。然而，大型管节所涉及的内容除了钝体和介质的雷诺数大，还有限制边界及自由表面的影响等因素，十分复杂：①当管节与沉放驳、拖船组合在一起时，整个编队的形状极不规则。②浮运航道水深较浅，浮运时的浅水效应比较明显。③航道中存在波浪，也会产生一定的附加阻力。

因此，就目前掌握的资料及研究成果，通过数值模型试的方式来准确估算管节浮运阻力，还存在很大的困难，普遍认为最可靠的方法是物理模型试验。由于管节是方形钝体，流动分离点稳定，为试验研究中实现自相似创造了条件。因此，从理论上来说试验研究可获得较满意的结果[4]。

管节浮运包括航道浮运及基槽浮运2个阶段。物模试验分别考虑这2个阶段的实际情况，设计相应的试验。航道浮运阶段流向与管节浮运方向的夹角(下称流向角)较小，基本属于顺流或逆流状态，此阶段进行了0°，12°，18°和30°流向角的试验工况。同时，为了研究水流对浮运阻力的影响，设置了静水拖航和逆流拖航2种对比工况，用于分析相同的相对航速下静水与逆流的浮运阻力数据。另外，由于航道水深较浅，浮运时浅水效应明显，试验还需考虑水深对浮运阻力的影响，因此，试验分别模拟了14.4、16.0和25.0 m水深，得到不同水深下的浮运阻力数据。

管节浮运并非简单的一个管节在海上拖航，而是以编队的形式浮运。除了管节，浮运编队还包括2艘沉放驳和4艘拖船。为了定量分析其对浮运编队阻力的影响，模型试验加入了沉放驳与拖船的模型(见图1)，并结合实际浮运作业可能的编队形式，分别进行不含拖轮、4艘拖船顺靠和2艘拖船顺靠2艘拖船顶靠3种试验工况。

图1 模型试验现场

管节从航道浮运至基槽时，需90°转向，将承受横向水流作用。由于流向角较大，水流对浮运编队的作用力也较大，因此需要拖船顶靠在沉放驳上抵抗横向水流，保持浮运方向。为分析大流向角水流对浮运编队的作用力，此阶段试验将模型静置于流向角为60°和90°的水流中，测量整个浮运编队承受的水流力。

另外，浮运时海面的上波浪也会对浮运阻力产生影响，应考虑波浪产生的附加作用力。因此，模型试验设置了0.8 m有义波高的规则波作用下的浮运阻力工况，并与没有波浪作用的数据对比，分析波浪增阻系数。

试验结果表明：

1)拖船的靠泊方式对整个编队的阻力影响较大，拖船由顺靠改为顶靠后，阻力明显增大。

2)流向角增加，阻力显著增大。

3)在相同的相对航速下，逆流拖航的阻力比静水中的大。

4)水深增加，阻力明显下降，浅水效应比较显著。

5)0°，60°和90°浪向的波浪作用下，拖航波浪增阻效应显著，增阻系数最高可达到18%。

1.2 时间窗口确定

确定时间窗口时需深入研究潮汐的周期性变化规律，分析不同的潮汐、流速，以及其发生概率之间的关系。

浮运作业区域的潮汐属于不正规半日潮类型[6]，潮流为周期性南-北向的往复流，其中大潮期间日潮现象较明显，小潮期间半日潮现象显著，中潮介于2者之间。半日潮期间，潮水2涨2落，潮位曲线具有2峰2谷，对应的流速有4个峰值，各个峰值相差不大。而日潮通常有一个明显的主峰、主谷，同时，主谷与主峰之间有一个次峰和次谷。不管是日潮还是半日潮，落潮流速一般都要大于涨潮流速，流速峰值一般出现在最高、最低潮前1～2 h。流速峰值与潮差相关，潮差越大，流速峰值越大，所以理想的浮运时间窗口一般都在小潮汛期间。

分析该区域的历史水文数据发现，0.6及0.8 m/s的流速具有较典型的界限性。而管节浮运从开始带缆到基槽处锚泊，作业时间超过12 h，将至少跨越2个流速峰值。因此，作业时间窗口可定为连续2个流速峰值小于0.6 m/s，且第3个流速峰值小于0.8 m/s的时间，如图2所示的流速峰值二、三和四。该作业时间窗口全年平均保证率达到70%。最大保证率在7月达到97%，而最小保证率的9月也达到55%。0.6及0.8 m/s这2个界限流速是确定时间窗口的关键。虽然，取值太大保证率高，但拖航阻力大，所需配置的拖轮马力大大增加，经济性较差；取值太小则时间窗口保证率降低，难以确保隧道施工进度。

图2 流速、流向和潮位

时间窗口确定后，每次浮运之前，都应根据天文、气象及江河流量等预报资料制定出详细的作业时间安排，确保在用现有的拖船配置情况下按计划到达基槽锚泊处。为了使作业计划具有足够的灵活性，详细作业时间安排中应包括一些临时停留的地点，这样就可对潮汐条件的变化作出机动调整。浮运过程应特别注意如航道变换，尤其是大角度转向的关键地段，这些地段必须选择在有利的潮汐条件时刻通过。

1.3 拖船编队方案

港珠澳大桥岛隧工程的管节浮运作业在交通繁忙的水域，同时由于管节巨大体积与重量会产生相当大的阻力和惯性，导致管节操纵响应滞后，操纵难度较大[7]，这对拖轮编队的拖力、操纵性、协同性等都提出了较高的要求。为避免浮运过程中管节搁浅、碰撞等风险，必须对拖船的数量、布置，以及连接方式等进行研究，并结合管节的阻力特性、作业时间窗口这2个关键因素，找出合理的拖轮编队方案。

目前，国内外大型沉管隧道的管节浮运多数采用大马力全回转拖船吊拖的编队方式，如丹麦厄勒海峡隧道、韩国釜山-巨济沉管隧道管和上海外环隧道管节浮运[8]都采用了4艘拖船吊拖的编队方式。但是对于环境载荷更加复杂的海上浮运，此编队方式难以满足本工程对拖力和操纵性的要求，需采用吊拖与傍拖组合的编队方式。根据上述编队方案的设计原则以及模型试验的阻力数据，从可行性分析得到3种编队方案。

方案1(见图3)。4艘拖船吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮运时，1、2号拖船在前方领拖，提供浮运向前主动力；3、4号拖船在后方反拖，用于制动、转向；5、6、7、8号拖船并靠沉放驳两舷，控制管节浮运姿态。如出现较大的横流，5、6号拖船则由顺靠改为顶靠提高横向控制能力。基槽内浮运时，4艘傍拖拖船顶靠沉放驳，共同抵抗横流和控制管节姿态。

图3 拖船编队方案1

方案2(见图4)。4艘拖船吊拖、2艘拖船傍拖。1、2、3、4号吊拖拖船与方案1类似；5、6号拖船并靠沉放驳两舷，逆流时协助提供向前拖力，顺流时协助控制管节姿态。

图4 拖船编队方案2

方案3(见图5)。2艘大功率拖船在艏艉龙须缆吊拖，4艘拖船傍拖。航道浮运时1号拖船提供向前拖力；2号拖船提供制动力；4艘傍拖拖船与方案1类似。

图5 拖船编队方案3

方案1动用8艘拖船，总功率超过29 600 kW。该方案的优点是总拖力大、控制能力强。但是需要的拖船较多，成本高，指挥协调难。方案2只需6艘拖船，总功率约25 160 kW。该方案拖船数量少，成本低，各个拖船受力清晰，分工明确，有利于浮运编队的指挥，但是拖力较小富裕量不多。方案3所用拖船的数量与总功率与方案2相同。该方案对管节姿态的控制能力较强，但向前总拖力较差，遭遇大流速时容易失速甚至倒退。

综合比较以上3种编队方案，结合本工程的实际情况，方案2最优。与方案1相比，虽然方案2总拖力较小，但根据模型试验结果总拖力已满足浮运要求，在高效、合理的指挥协调下，可确保管节浮运的安全。另外，由于浮运的管节数量较多，随着浮运次数的增加，方案2的经济性优势将突显。与方案3相比，虽然拖船总功率一样，但方案2的向前总拖力较大，而且吊拖时拖缆与管节轴向约呈30°夹角，不但能提高操纵性，还能有效降低拖轮尾流对拖航阻力的影响。

2 结束语

1)拖船靠泊方式对阻力影响较大；浅水效应，波浪增阻效应显著，设计时应给予充分考虑。

2)理想的浮运时间窗口一般在小潮汛期间。确定时间窗口的限制环境参数时，需要综合考虑保证率与经济性的平衡。

3)拖船编队方案需要考虑拖船尾流对阻力的影响。

4)吊拖与傍拖组合方式可提高浮运编队的拖力和操纵性，但拖轮数量较多，编队的指挥协调难度较大，需要在施工过程中不断积累经验，提高熟练程度。

[1] 吕卫清，吴卫国，苏林王，等.港珠澳大桥沉管隧道长大管节水动力性能试验研究[J].土木工程学报，2014(3):138-144.

[2] 吕卫清，应宗权，苏林王，等.沉管管节浮运过程中波浪附加阻力的水动力学分析[J].水运工程，2013(11):1-5.

[3] 潘永仁.上海外环沉管隧道大型管段浮运方法[J].施工技术，2004，33(5):52-54.

[4] 高卫平.沉管隧道浮运与沉放阶段受力性态研究[D].上海：同济大学，2004.

[5] 林祖亨,梁舜华.珠江口水域的潮流分析[J].海洋通报, 1996,15(2):11-22.

[6] 詹德新，王兴权，刘祖源，等.沉管隧道及其相关模型试验[J].武汉交通科技大学学报，2000，24:488-492.

[7] 王海峰.大型沉管管节浮运的阻力计算及方案研究[D].大连：大连理工大学，2015.

Analysis on the Key Technologies of Floating Transport for Large Tunnel Elements

ZHU Jian-guo, LUN Can-zhang

(Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co. Ltd., Shanghai 200125, China)

Taking the immersed tube tunnel project of Hong Kong-Zhuhai-Macao bridge as example, the long distance sea transportation method for large tunnel elements was presented, and the key technologies in the floating transport plan were analyzed, such as the determination of resistance, time window and tug formation, etc. The final transportation plan was introduced.

immersed tube tunnel; tunnel element towing; model test; tug formation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.039

2016-05-04

朱建国(1967—)，男，硕士，高级工程师

U695.2

A

1671-7953(2016)05-0157-04

修回日期：2016-05-30

研究方向:重大件海上运输与安装设计

E-mail:zhujianguo@zpmc.net