海水密度对超长距离沉管浮运安全影响分析及应对措施

王明，赫亚锋，宁进进，管泽旭

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

1 工程概况

深中通道沉管隧道采用100 km/h设计时速、双向八车道建设标准，为两孔一管廊横断面结构。隧道全长6 845 m，其中沉管隧道全长5 035 m，由32个管节组成，S09合同段负责E1—E22管节的施工。E1管节为非标准管节，管节长123.5 m、宽46 m、高10.6 m；E2—E21为标准管节，E22为含推出式最终接头的特殊管节，管节长165 m、宽46 m、高10.6 m。采用一体船进行浮运安装，沉管及一体船连接断面见图1。

图1 沉管及一体船连接断面示意图（mm）Fig.1 Connection section of immersed tube and self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel(mm)

深圳至中山跨江通道S09标段管节浮运的起点是珠海市桂山岛镇牛头岛预制场，终点是珠江口西岛基槽区，浮运线路为：预制场支航道→榕树头航道→出运航道一→伶仃航道→新建航道→基槽，总长约50 km。超长距离浮运，施工风险较高，所以研究海水密度变化[1]对管节与一体船间的作用力影响至关重要，尤其遇到丰水期、管节干舷低、风浪流大叠加的恶劣工况，保证管节在浮运过程中的安全至关重要。

深中通道S09标段管节安装始于2020年6月份，管节安装工效为1节/1.5月，管节安装时间段贯穿大径流、丰水期、枯水期、台风季等诸多不利工况。下面将以E1管节为例研究在管节浮运[2-3]过程中海水密度变化对管节浮运的影响。

2020年5—7月观测期间，丰水期桂山岛海水平均密度为1.012×103kg/m3，西岛海水平均密度为1.001×103kg/m3，基槽底部海水密度比表层海水密度大。观测数据见表1。

表1 牛头岛与西岛丰水期实测密度Table 1 Measured density of Niutou Island and West Island in wet season 103 kg/m3

2 船管连接

沉管浮运过程中，为抵抗波浪浮托力，采用支墩底座与吊点系统、船舶压载水系统配合，提供浮运过程中船管间的预紧力[4]。

管节出坞浮运前需要做船管正式连接，E1管顶布置相应基座、抗剪块及拉索吊点，E1管节船管正式连接主要包含4个L缆与管顶吊点连接，单个L缆提供2 940 kN预紧力；浮运安装一体船通过压载给管节提供5 880 kN预压力；6个支墩24个支墩拉索与管顶吊点连接，单个拉索提供294 kN左右预紧力；以上作用力通过一体船支墩传递给管节。

2.1 波浪浮托力计算

风、浪、流是影响管节沉放作业窗口的主要因素，其中风和浪依靠气象预报系统预报，流速依靠现场实时的流速数据进行预测。根据《深圳至中山跨江通道施工图联合设计第三篇隧道第二册沉管隧道第一分册沉管隧道总体设计及技术要求》图纸，管节浮运安装作业窗口如表2所示。

表2 浮运沉放天气窗口Table 2 Weather window of floating and sinking

海况：Hs=0.8 m、Tp=0.6 s。

波浪浮托力由经验公式计算，为27 763.4 kN。

通过数模模拟分析E1管节按照6支墩刚性连接计算后，波浪浮托力F=（320×2+145×2+180×2）×9.8=12 642 kN，近似取值为320×6×9.8=18 816 kN。

结合港珠澳工程中船管连接抵抗波浪浮托力的经验同时综合考虑上述计算数值，E1管节在海况Hs=0.8 m、Tp=0.6 s的情况下，波浪浮托力取值F=18 816 kN。

2.2 E1船管连接情况

一体船长190.4 m，宽75 m，单片体宽9.1 m。E1管节预制长度123.5 m，排水长度121.664 m，宽度46 m。

一体船调平后，一体船吃水为6.96 m，管节调平之后，实测E1管节干舷为28 cm，对应海水密度1.018×103kg/m3，船管间初步接触无作用力。

一体船压载9 212 kN水给E1管节提供5 880 kN预压力，管节剩余18 cm干舷，单个L缆提至2 940 kN预紧力，单个支墩拉索提供约294 kN预紧力，船管间总作用力为24 696 kN，船管连接效果见图2。

图2 船管连接局部实物图Fig.2 Partial physical drawing of ship element connection

3 浮运过程中海水密度变化影响

出坞前：海水密度为1.018×103kg/m3，船管连接后管节干舷为18 cm；西岛基槽安装区：海水密度为1.006×103kg/m3，因海水密度变化船管连接后整体沉降量为11 cm，到达现场管节理论干舷为7 cm；海水密度一直处于变动状态[5-6]，海水密度由1.018×103kg/m3渐变到1.006×103kg/m3，当航速大于2 kn时，浮运过程中管节干舷几乎为0。

为便于分析海水密度变化影响，假设一体船和管节初步接触无作用力，通过浮力计算可以得出海水密度由1.018×103～1.006×103kg/m3过程中，E1管节将整体下沉13 cm，一体船将整体下沉9 cm，管节与一体船存在不同步沉降的情况，沉降量差值为4 cm。在无外力作用的情况下，E1管节与一体船存在脱开趋势。下面通过浮运过程中船管间支墩应力与位移、支墩拉索应力、L缆缆力等监测数据进一步说明。

3.1 浮运过程中支墩监测

船管连接力问题：一体船拖带管节浮运过程中，支墩压力的分布较不均匀，从南向北出现了较为明显的支墩总压力降低的现象，出现这种现象初步分析是一体船压载水箱分布，海水密度变化等因素引起。

支墩压力监测结果：一体船航行时，支墩压力合力为17 365.6～25 607.4 kN。一体船由预制厂支航道进入榕树头航道后，支墩总压力开始明显减小，不同支墩压力分布也逐步趋于均衡；一体船由出运航道一进入伶仃航道后，该现象更加明显。分析原因，总压力减小应与船体（管节）吃水有关，在船管紧密连接下，船管同步加大吃水，管节浮力减小量明显大于船的浮力减小量，直接引起了船管结合力（支墩压力）降低。当一体船进入新建航道后，支墩压力总和逐渐稳定，见图3。

图3 一体船支墩应力监测曲线Fig.3 Stress monitoring curve of pier of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

支墩与管节相对位移：支墩X方向水平位移为-0.1～1.1 mm，Y方向水平位移为-0.7～0.3 mm，除4号支墩外，3号、7号、8号支墩均出现了明显的水平向位移，且位移不能恢复，说明支墩侧向楔型块结构错动明显。支墩的竖向位移为-0.5～0.8 mm，与船速明显相关，逆流加速过程，支墩竖向位移增大（橡胶垫压缩），减速或匀速降低，整体呈弹性变形特性，见图4。

图4 支墩横向位移时程曲线Fig.4 Lateral displacement time history curve of pier

支墩上部舱壁应力监测结果：8号支墩舱壁处主应力和剪应力大小变化趋势与支墩变化趋势相同；其中，相对大主应力变化范围为0～27 MPa，相对剪应力变化范围为2～17.5 MPa，相对小主应力变化范围为0～-10 MPa。8号支墩位置舱壁结构应力最大值出现在一体船逆流航行，相对航速4.5 kn（绝对航速3.2 kn，逆流速0.72 m/s，转弯进入新建浮运航道）时刻，见图5。

图5 支墩上部横舱壁应力时程曲线Fig.5 Stress time history curve of transverse bulkhead above pier

3.2 浮运过程中支墩拉索拉力监测

通过拉索拉力曲线图可以判断一体船由出运航道一进入伶仃航道，拉索拉力整体呈逐渐增加的趋势，与支墩压力总和逐渐减小的趋势相对应；进入新建航道后，拉索拉力继续调整，整体波动情况与支墩压力波动相反。一体船进入系泊点系泊后，拉索拉力趋于平稳。

拉索拉力最大值615 kN，出现在一体船逆流航行、相对航速4.5 kn（绝对航速3.2 kn，逆流速0.72 m/s，转弯进入新建浮运航道）时刻；全过程各拉索拉力最大增幅不超过220 kN，多数情况下拉索拉力普遍在100～615 kN波动，较大程度低于960 kN预警值，一体船6—8号支墩拉索拉力监测曲线见图6。

图6 一体船6—8号支墩拉索拉力监测曲线Fig.6 Cable stress monitoring curve of 6-8 piers of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

3.3 浮运过程中L缆缆力监测

通过提升绞车缆力监测设备可以判断由于浮运航道海水密度的变化以及重载航速、现场风速、海流变化的综合影响，一体船L缆的总合力变化量在49～343 kN之间，整体呈增加趋势，部分航道L缆合力减少受涨落潮影响，涨潮阶段海水密度相对变大，落潮阶段海水密度相对变小，L缆合力变化监测见图7。

图7 浮运过程中一体船L缆合力监测曲线Fig.7 Monitoring curve of L-cable resultant force of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel during floating transportation

综合以上监测数据，由于海水密度变小，管节与一体船存在脱开趋势，会导致管节在浮运过程中支墩拉索拉力出现上升情况，L缆合力整体会有增加趋势，但船管间总作用力减少，抵抗波浪浮托力变小，如果遇到更恶劣海况存在船管脱开的风险[7]。

4 应急预案

在浮运过程中若出现管节干舷太低，需要在浮运期间采取应急措施[8]排出一体船压载水。经过计算对应排水量与管节干舷、内力之间的关系，考虑到拉索为刚性连接，因此将排水产生的内力以作用在拉索上进行计算，应急排水情况见表3。

表3 一体船应急排水情况计算表Table 3 Calculation table of emergency drainage of self-propelled integrated ship for transporting and installing immersed tubes of underwater tunnel

为了同时保证管节有5 cm左右的干舷，并尽量降低内力增加，在排水前需要检查拉索缆力、L缆缆力，如果单个拉索显示数据偏大，需要对该拉索进行部分卸载，综上所述建议在应急情况下一体船排水4 704 kN。

考虑到船管连接主要为抵抗波浪力，如果现场干舷偏低，计划在新建浮运航道合适水域进行排水，建议排水后适当控制浮运航速。

5 结语

管节浮运过程中时刻关注海水密度变化对保证管节浮运安全至关重要，可通过支墩应力、支墩位移监测设备判断船管间作用力是否变化，以此判断抵抗波浪浮托力是否有效；可通过支墩拉索应力监测设备监测浮运过程中拉索受力是否超过其受力极限，避免因密度变化过大支墩拉索受力过大而崩断；通过提升绞车L缆缆力监测设备判断绞车受力情况，保证浮运过程中提升绞车滑轮组受力不超过其动载极限。