沉管隧道管节拖航受风流影响的安全限制条件

张亚东, 邹早建, 1b, 刘明俊

(1.上海交通大学 a.船舶海洋与建筑工程学院；b.海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；3.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

沉管隧道管节拖航受风流影响的安全限制条件

张亚东1a, 邹早建1a, 1b, 刘明俊2, 3

(1.上海交通大学 a.船舶海洋与建筑工程学院；b.海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2.武汉理工大学 航运学院，武汉 430063；3.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

为解决沉管隧道管节拖航安全问题，应用船舶操纵理论和数学建模方法，在分析沉管隧道管节拖带船队在风、流作用下的运动规律的基础上，建立船队在风、流作用下的运动模型。基于该模型和拖航水域的通航环境，提出风、流影响下管节拖航安全限制条件的确定方法。以南昌市红谷隧道工程为例，验证该方法的可行性和正确性。

沉管隧道管节；拖航；风；流；安全限制条件

随着我国国民经济和交通运输业迅速发展，跨(穿)越江、河、湖、海的水上(水下)建筑物不断被兴建并发挥着重要的作用。[1]沉管隧道作为一种新型穿越工程，以其独特的优势得到广泛关注和应用。[2-4]沉管隧道以沉管管节为单元，通过预制、出坞与浮运、管节沉放与水力压接、基础构筑及覆土等一系列施工工序，形成连接水体两端陆上交通的水下隧道。[4]这其中，管节的浮运拖航是沉管隧道施工过程中的一项关键技术和难点，这是因为管节在浮运过程中(尤其是在拖航通过狭水道、桥区水域等通航环境复杂、交通流密度较大的水域时)，受管节主尺度、吃水及外界的风和流等因素的影响，其通航尺度受到很大限制，拖航安全操作技术要求较高，会对所航行区域的通航环境及其他船舶的安全航行造成一定影响，存在一定的碰撞风险。因此，为保证管节拖航作业安全，避免船-桥、船-船碰撞等事故发生，根据管节拖带船队的吨位和尺度的大小、拖航水域水位的高低及风和流等条件，对管节拖航安全限制条件进行研究很有必要。

近年来已有许多学者开展沉管隧道施工安全等方面的理论和试验研究。郭强等[5]针对沉管浮运过程，采用数值模拟的方法，提出一种管节浮运检测和监测方法，并实现可视化系统监测；周敏[6]、吕卫清等[7]和ZHOU等[8]运用模型试验方法研究沉管在浮运过程中的水动力学特征；张敏[3]运用安全与安全管理的基本原理和原则论述滨海新区海河沉管隧道工程项目安全管理系统的建立与运行，总结并提出沉管隧道工程的安全管理体系及较为先进的管理方法；宿发强[9]针对港珠澳大桥沉管隧道的沉管浮运施工提出一系列风险管控方法和措施。

上述研究成果在一定程度上揭示了管节浮运拖航的运动特征和水动力特征，为深入研究管节浮运安全打下了基础。然而,在限制性航道(尤其是交通流密度较大的桥区水域)进行管节浮运时，其拖航安全保障和定性、定量的安全限制性条件分析方面的研究较少。对此，应用船舶操纵理论和数学建模方法，综合考虑各类影响因素，提出一种受风、流影响的管节拖航安全限制条件的确定方法，并以南昌市红谷隧道工程为例，根据其管节拖航的主要技术参数，计算分析管节拖航过程中受风、流影响的通航尺度和操纵控制力，由此确定拖航时的风、流及航速等安全限制条件，为管节安全拖航提供技术参考和理论依据。

1 风、流影响下管节拖航所需航宽计算模型

1.1顺直航段所需航宽

在管节拖航过程中，受风、流等自然条件及航道断面、导助航设施、船舶操纵性和人为因素等因素影响，拖航轨迹会在航道中线左右摆动，很难始终与航道中线保持一致。为保持管节的航向，使其航行轨迹线不至于偏离航道，需参与拖航的拖船协调配合，不断地使用车和舵，通过拖缆校正管节航向和纠正管节偏航。[10-13]

在风、流作用下将管节拖航通过某航段时，自该航段的起点至终点，船队左右舷侧最外端所划过水域的宽度称为航迹带宽度。管节在拖航通过该航段的过程中，其相邻2次改向距离之间的航迹带在航宽方向上的投影与航道富余宽度之和为管节拖航通过该航段所需的航宽(见图1)。

在风、流影响下，管节拖航通过顺直航段所需航宽的计算式[10,12-14]如下。

1) 管节拖航中，若无风、流作用，则通过顺直河段所需航宽的计算式为

B1=Lsinα+bcosα

(1)

式(1)中：L为管节拖航船队长度，m；b为拖航船队宽度，m；α为管节拖带船队偏航角，(°)。

2) 管节拖航中，水流作用下的漂移量(ΔBL)的计算式为

图1 顺直航段管节拖航所需航宽示意

(2)

式(2)中：S为管节拖航船队相邻两次改向之间的距离，m；v为无风、流时的拖带船队航行速度，m/s；u为流速，m/s；β为流向角，(°)。

3) 管节拖航中，风作用下的漂移量(ΔBF)的计算式为

(3)

式(3)中：K为系数，一般取0.038～0.041；Ba为管节水线以上侧投影面积，m2；Bw为管节水线下侧投影面积，m2，取Bw=Ld，其中d为吃水；vs为拖带船队风中航速，kn；va为相对风速，m/s；αf为真风作用方向与航道中线的夹角。

由此可得所需航宽为

B=B1+|ΔBL|+|ΔBF|+2|C|

(4)

式(4)中：C为拖航船队船舷外侧与航道边界的安全距离，根据《内河通航标准》(GB 50139—2014)，可取0.25倍航迹带宽度。

1.2弯曲航段所需航宽

在弯曲航段，受弯道环流的影响，会形成不同强度的弯道扫弯水，使得航经弯道的船舶的运动变得非常复杂。为便于研究，建模时作出以下假设：

1) 将弯道看成近似圆环形状，航迹线、流线边沿及航道中心线等效为同心圆弧。

2) 船舶转心沿着与航迹一致的同心圆运动。

3) 船舶的船速、漂角及流速都与时间无关。[14]

计算中首先确定无风、流作用时管节拖航通过弯曲河段所需航宽及受风、流作用产生的风致漂移量和流致漂移量，然后根据叠加原理建立有风、流作用时管节过弯所需的航道宽度。[13-14]

1) 管节在无风、流作用下拖航通过弯曲航段所占航宽的计算式为

(5)

式(5)中：K′为修正系数，取0.95；R为航道轴线曲率半径，m；b为管节宽度，m；SAD为管节转心至船尾的距离，m，根据管节拖航拖船配置方案确定；v为无风、流作用下的拖带船队航行速度，m/s；t为管节拖航时对拖船拖力的响应时间，根据实船操纵情况取值，s。图2为无风、流下弯道航宽计算示意。

图2 无风、流下弯道航宽计算示意

2) 管节拖航船队通过弯道时，在流的作用下产生的横向漂移见图3，其中，x轴平行于弯曲航道中线切线，y轴垂直于航道中线切线。

图3 流致漂移量计算示意图

将流速u分解到x方向和y方向，uy的存在使得船队过弯道时会产生y方向上的漂移量，即

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：ΔBL1和ΔBL2分别为上行及下行漂移量。

3) 管节拖航通过弯曲航段时，根据其运动特征，风致漂移量的计算式为

(8)

(9)

式(8)和式(9)中：ΔBF1和ΔBF2分别为上行及下行风致漂移量；K为修正系数，一般取0.038～0.041。

至此，可由式(4)计算得到所需航宽。

2 管节拖航风、流合压力计算模型

根据《港口工程荷载规范》和船舶操纵理论中有关风压力和流压力的计算式，对管节在拖航过程中所受到的风、流外力进行分析。

2.1风压力

管节水线以上受风面积的风压总和称为风压力，其计算式为

(10)

式(10)中：Fa为管节所受的风压力，N；ρa为空气密度，kg/m3；Ca为风压力系数，参照表1取值；va为相对风速，m/s；θ为相对风的风向角，(°)；Aa为管节水线以上正投影面积，m2；Ba为管节水线以上侧投影面积，m2。

2.2流压力

管节水线以下的部分因受水流作用而产生流压，其所受的流压力的计算式为

(11)

式(11)中：PN为管节所受的流压力，N；ρw为水密度，kg/m3，根据实际情况取值；Cw为水动力系数，参照表2取值。

表1 相对风向角θ与风压力系数Ca对应表

表2 流向角β与水动力系数Cw对应表

2.3风、流合压力

风、流合压力的计算比较复杂，这与风、流压力的大小，风与流的夹角及管节受风面积等因素均有关系。在分析管节拖航过程中所受风、流的影响时，通常根据“最不利原则”来判断风流合压力的大小，首先计算管节在不同风、流作用下的受力，在考虑最不利的情况(即出现横风，且风和流叠加的情况)时，得出管节所受风、流合压力，其表达式为

(12)

3 工程应用实例及结果分析

3.1工程概况

南昌市红谷隧道工程位于南昌大桥与八一大桥之间，上距南昌大桥约1.3 km，下距八一大桥约2.3 km，连接南昌市红谷滩新区与东岸老城区。隧道主线总长约2 650 m，其中工程过江段为直线沉管隧道，沉管段的横断面宽30 m，高8.3 m，总长1 329 m，共12节管节。管节长度有90 m，111.5 m及115 m等3种。管节在干坞内预制完成之后，利用开挖的浮运航道由拖船拖带至隧址处，拖航里程约8 510 m，沿途经过生米大桥、朝阳大桥和南昌大桥等3座大桥。管节拖航航线示意见图4。

图4 管节拖航航线示意

3.2管节拖航编队

管节拖航编队示意见图5，在管节前端设置1艘大功率(约2 647 kW)拖船A(配40 m长“八字”缆绳)进行吊拖，管节右舷靠1艘B拖船(约3 088 kW)和1艘C拖船(约3 088 kW)进行旁拖，尾端设1艘D拖船(约2 647 kW)和1艘E拖船(约3 088 kW，配80 m拖缆)拖船进行吊拖。

图5 管节拖航编队示意

3.3管节拖航所需航宽计算与分析

3.3.1重点航段的确定

依据顺直航道选取航宽较窄的航段，弯曲河段选取航宽较窄、曲率半径较小的航段，管节拖航重点航段见表3。

表3 管节拖航重点航段

3.3.2计算参数的选取

工程管节拖航通过桥区顺直河段航宽计算参数见表4，管节拖航过弯时所需航宽主要计算参数见表5。

表4 工程管节拖航通过桥区顺直河段航宽主要计算参数(下水)

表5 工程管节拖航通过弯曲航段时所需航宽主要计算参数

3.3.3管节拖航所需航宽计算结果与适应性分析

利用式(1)～式(9)计算得到不同航速、流速和风速条件下工程管节拖航船队通过重点桥区水域(顺直段)、出坞转弯段和旋转调头区时所需的航宽值(见表6)。

由表6可知，管节拖航船队通过弯曲航段时，在控制流速为0.6 m/s，航速为0.17～0.8 m/s和实际风力不超过4级的条件下，拖航所需航宽均小于弯曲航段的最大通航宽度(有效航宽)。管节拖航船队通过不同桥区水域时，在流速为1.0 m/s，航速为0.17～0.8 m/s和实际风力不超过4级条件下，拖航所需航宽均小于桥梁最大通航宽度。然而，在该控制条件下，管节拖航通过南昌大桥时的安全余量略显不足，应采取加设防撞浮箱等保障措施。

表6 工程管节拖带通过重点航段所需航宽

由于该方法还不足以准确确定管节拖航受风、流影响下的限制条件，以下将通过对管节拖航受风、流影响时的控制能力进行计算与分析，综合确定风、流影响下管节拖航的安全限制条件。

3.4管节拖航过程中受风、流影响分析

3.4.1风压力对管节拖航的影响

根据管节拖带航线基本走向，正常拖航时相对风的风向角θ取60°，风压力系数Ca取1.3；管节出坞和调头区旋转掉头时θ取40°，风压力系数Ca取1.35。利用式(10)得到不同风况下管节拖航所受的风压力(见表7)。

表7 风级与拖航船队所受风压力(kN)对应表

3.4.2流压力对管节拖航的影响

所考虑的工程管节拖带航线基本呈西南至东北走向，正常拖航时主要为管节横截面受流的作用；而在管节出坞和调头区旋转掉头时，整个管节与水流流向基本上处于垂直状态，此时受流压作用最大。根据式(11)计算得到管节在不同流速下所受流压力见表8。

表8 不同流速条件下管节所受水流力

3.4.3风、流合压力对管节拖航的影响

利用式(12)计算得到管节拖航过程中在不同风、流作用下的受力情况(见表9)。

3.4.4风、流作用下的适应性分析

风、流较大时，管节拖航时所受风、流合压力较大，风、流外力对船舶操纵能力的影响也较大。因此，在考虑拖船配备时，风、流作用对管节拖航的影响不容忽视。

管节拖航过程中遇较大风、流作用时，尤其是过弯曲航段时，为防止船队产生较大的偏航，一般采取向上风、上流侧采取“挂高”船位的措施，并附以预配风、流压差角来抵御风、流对管节的作用。

红谷隧道工程管节浮运配备有3艘约3 88 kW和2艘约2 647 kW的全旋回拖船。根据统计，拖船可提供的拖力的计算式为：拖船功率=系数×拖船拖力，其中系数为7.3～9.2，可得出5艘全回转拖船可提供的总拖力为2 150～2 700 kN。

通过对表9进行分析得出，在已有的拖带方案下，流速≤1.4 m/s，实际风力不超过四级的风、流条件可基本满足管节拖航作业的安全要求。

在实际拖航中，由于拖带船队惯性较大，操纵困难，需多艘拖船联合拖航，拖航船队所需拖船数量(指保证拖航船队安全操纵所需的最少拖船数)和功率的确定不仅取决于管节长度、型体尺寸和质量，而且要综合考虑自然环境条件、拖带方式、拖船拖力、拖船种类和拖船拖力传递效率等多方面的因素。

表9 风、流合压力计算表

因此，后期可考虑利用计算机数值模拟的方法研究多因素影响下的拖船配置问题。

3.5管节拖航安全限制条件的确定

根据上述对管节拖航船队通过重点航段时受风、流影响下的定量分析结果，按照限制条件取低值原则，得出管节拖航的风、流限制指标(见表10)。

表10 综合因素下安全限制条件的确定

理论分析计算结果和已有的拖航实例表明，红谷隧道工程管节在赣江中水流条件较好的情况下拖航是安全可行的。综合上述分析结果，得出红谷隧道工程管节拖航的安全限制条件如下。

1) 白天，天气晴好，风力不超过四级，能见度>2 000 m。

2) 桥区航段：在控制流速≤1 m/s的情况下，保持航速在0.17～0.8 m/s 或1.0～3.0 km/h。

3) 弯曲航段：在控制流速≤0.6 m/s的情况下，保持航速在0.17～0.8 m/s或1.0～3.0 km/h。

4) 管节拖航通过顺直航段和弯曲航段时，应保证在50 m航行距离内及时调整和控制管节位置，并采取“挂高”措施。

5) 管节通过生米大桥和朝阳大桥时，偏航角不得超过5°；通过南昌大桥时，偏航角不得超过2°。

4 结束语

本文应用船舶操纵理论与数学建模方法，提出沉管隧道管节拖航时在风、流影响下安全限制条件的确定方法。以红谷隧道工程为例，通过计算分析管节拖航通过工程水域时在不同风、流影响下的通航尺度和操纵控制力，按照限制条件取低值的原则，得出红谷隧道工程管节拖航的安全限制条件，为管节的安全拖航提供理论依据，验证安全限制条件确定方法的可行性和正确性。该研究对保证管节拖航作业安全、减少通航安全风险及避免船-桥和船-船碰撞等事故的发生有着重要作用。

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SafetyLimitationsofTowingImmersedTubeTunnelElementUnderWindandCurrent

ZHANGYadong1a,ZOUZaojian1a,1b,LIUMingjun2,3

(1a.School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering; 1b.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.School of Navigation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China;3.Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology,Wuhan 430063,China)

To solve the problem of towing safety of immersed tube tunnel element,on the basis of analyzing the motion of a fleet towing an immersed tube tunnel element under the influences of wind and current,the mathematical model of the fleet is established by applying ship maneuvering theory and mathematical modeling method.Based on the mathematical model and the navigation environment of the waterway,a method to determine the safety limitations of towing the immersed tube tunnel element under the influence of wind and current is proposed.The feasibility and validity of the method are verified by applying it to the project of Honggu Tunnel in Nanchang.

immersed tube tunnel element; towing; wind; current; safety limitation

U676.1

A

2017-01-05

张亚东(1995—)，男，江苏徐州人，硕士生，主要从事航海安全保障研究。E-mail：yadongzhang@sjtu.edu.cn

1000-4653(2017)02-0098-06