沉管隧道管節拖航受風流影響的安全限制條件

張亞東, 鄒早建, 1b, 劉明俊

(1.上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院；b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；3.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

沉管隧道管節拖航受風流影響的安全限制條件

張亞東1a, 鄒早建1a, 1b, 劉明俊2, 3

(1.上海交通大學 a.船舶海洋與建筑工程學院；b.海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；3.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

為解決沉管隧道管節拖航安全問題，應用船舶操縱理論和數學建模方法，在分析沉管隧道管節拖帶船隊在風、流作用下的運動規律的基礎上，建立船隊在風、流作用下的運動模型。基于該模型和拖航水域的通航環境，提出風、流影響下管節拖航安全限制條件的確定方法。以南昌市紅谷隧道工程為例，驗證該方法的可行性和正確性。

沉管隧道管節；拖航；風；流；安全限制條件

隨著我國國民經濟和交通運輸業迅速發展，跨(穿)越江、河、湖、海的水上(水下)建筑物不斷被興建并發揮著重要的作用。[1]沉管隧道作為一種新型穿越工程，以其獨特的優勢得到廣泛關注和應用。[2-4]沉管隧道以沉管管節為單元，通過預制、出塢與浮運、管節沉放與水力壓接、基礎構筑及覆土等一系列施工工序，形成連接水體兩端陸上交通的水下隧道。[4]這其中，管節的浮運拖航是沉管隧道施工過程中的一項關鍵技術和難點，這是因為管節在浮運過程中(尤其是在拖航通過狹水道、橋區水域等通航環境復雜、交通流密度較大的水域時)，受管節主尺度、吃水及外界的風和流等因素的影響，其通航尺度受到很大限制，拖航安全操作技術要求較高，會對所航行區域的通航環境及其他船舶的安全航行造成一定影響，存在一定的碰撞風險。因此，為保證管節拖航作業安全，避免船-橋、船-船碰撞等事故發生，根據管節拖帶船隊的噸位和尺度的大小、拖航水域水位的高低及風和流等條件，對管節拖航安全限制條件進行研究很有必要。

近年來已有許多學者開展沉管隧道施工安全等方面的理論和試驗研究。郭強等[5]針對沉管浮運過程，采用數值模擬的方法，提出一種管節浮運檢測和監測方法，并實現可視化系統監測；周敏[6]、呂衛清等[7]和ZHOU等[8]運用模型試驗方法研究沉管在浮運過程中的水動力學特征；張敏[3]運用安全與安全管理的基本原理和原則論述濱海新區海河沉管隧道工程項目安全管理系統的建立與運行，總結并提出沉管隧道工程的安全管理體系及較為先進的管理方法；宿發強[9]針對港珠澳大橋沉管隧道的沉管浮運施工提出一系列風險管控方法和措施。

上述研究成果在一定程度上揭示了管節浮運拖航的運動特征和水動力特征，為深入研究管節浮運安全打下了基礎。然而,在限制性航道(尤其是交通流密度較大的橋區水域)進行管節浮運時，其拖航安全保障和定性、定量的安全限制性條件分析方面的研究較少。對此，應用船舶操縱理論和數學建模方法，綜合考慮各類影響因素，提出一種受風、流影響的管節拖航安全限制條件的確定方法，并以南昌市紅谷隧道工程為例，根據其管節拖航的主要技術參數，計算分析管節拖航過程中受風、流影響的通航尺度和操縱控制力，由此確定拖航時的風、流及航速等安全限制條件，為管節安全拖航提供技術參考和理論依據。

1 風、流影響下管節拖航所需航寬計算模型

1.1順直航段所需航寬

在管節拖航過程中，受風、流等自然條件及航道斷面、導助航設施、船舶操縱性和人為因素等因素影響，拖航軌跡會在航道中線左右擺動，很難始終與航道中線保持一致。為保持管節的航向，使其航行軌跡線不至于偏離航道，需參與拖航的拖船協調配合，不斷地使用車和舵，通過拖纜校正管節航向和糾正管節偏航。[10-13]

在風、流作用下將管節拖航通過某航段時，自該航段的起點至終點，船隊左右舷側最外端所劃過水域的寬度稱為航跡帶寬度。管節在拖航通過該航段的過程中，其相鄰2次改向距離之間的航跡帶在航寬方向上的投影與航道富余寬度之和為管節拖航通過該航段所需的航寬(見圖1)。

在風、流影響下，管節拖航通過順直航段所需航寬的計算式[10,12-14]如下。

1) 管節拖航中，若無風、流作用，則通過順直河段所需航寬的計算式為

B1=Lsinα+bcosα

(1)

式(1)中：L為管節拖航船隊長度，m；b為拖航船隊寬度，m；α為管節拖帶船隊偏航角，(°)。

2) 管節拖航中，水流作用下的漂移量(ΔBL)的計算式為

圖1 順直航段管節拖航所需航寬示意

(2)

式(2)中：S為管節拖航船隊相鄰兩次改向之間的距離，m；v為無風、流時的拖帶船隊航行速度，m/s；u為流速，m/s；β為流向角，(°)。

3) 管節拖航中，風作用下的漂移量(ΔBF)的計算式為

(3)

式(3)中：K為系數，一般取0.038～0.041；Ba為管節水線以上側投影面積，m2；Bw為管節水線下側投影面積，m2，取Bw=Ld，其中d為吃水；vs為拖帶船隊風中航速，kn；va為相對風速，m/s；αf為真風作用方向與航道中線的夾角。

由此可得所需航寬為

B=B1+|ΔBL|+|ΔBF|+2|C|

(4)

式(4)中：C為拖航船隊船舷外側與航道邊界的安全距離，根據《內河通航標準》(GB 50139—2014)，可取0.25倍航跡帶寬度。

1.2彎曲航段所需航寬

在彎曲航段，受彎道環流的影響，會形成不同強度的彎道掃彎水，使得航經彎道的船舶的運動變得非常復雜。為便于研究，建模時作出以下假設：

1) 將彎道看成近似圓環形狀，航跡線、流線邊沿及航道中心線等效為同心圓弧。

2) 船舶轉心沿著與航跡一致的同心圓運動。

3) 船舶的船速、漂角及流速都與時間無關。[14]

計算中首先確定無風、流作用時管節拖航通過彎曲河段所需航寬及受風、流作用產生的風致漂移量和流致漂移量，然后根據疊加原理建立有風、流作用時管節過彎所需的航道寬度。[13-14]

1) 管節在無風、流作用下拖航通過彎曲航段所占航寬的計算式為

(5)

式(5)中：K′為修正系數，取0.95；R為航道軸線曲率半徑，m；b為管節寬度，m；SAD為管節轉心至船尾的距離，m，根據管節拖航拖船配置方案確定；v為無風、流作用下的拖帶船隊航行速度，m/s；t為管節拖航時對拖船拖力的響應時間，根據實船操縱情況取值，s。圖2為無風、流下彎道航寬計算示意。

圖2 無風、流下彎道航寬計算示意

2) 管節拖航船隊通過彎道時，在流的作用下產生的橫向漂移見圖3，其中，x軸平行于彎曲航道中線切線，y軸垂直于航道中線切線。

圖3 流致漂移量計算示意圖

將流速u分解到x方向和y方向，uy的存在使得船隊過彎道時會產生y方向上的漂移量，即

(6)

(7)

式(6)和式(7)中：ΔBL1和ΔBL2分別為上行及下行漂移量。

3) 管節拖航通過彎曲航段時，根據其運動特征，風致漂移量的計算式為

(8)

(9)

式(8)和式(9)中：ΔBF1和ΔBF2分別為上行及下行風致漂移量；K為修正系數，一般取0.038～0.041。

至此，可由式(4)計算得到所需航寬。

2 管節拖航風、流合壓力計算模型

根據《港口工程荷載規范》和船舶操縱理論中有關風壓力和流壓力的計算式，對管節在拖航過程中所受到的風、流外力進行分析。

2.1風壓力

管節水線以上受風面積的風壓總和稱為風壓力，其計算式為

(10)

式(10)中：Fa為管節所受的風壓力，N；ρa為空氣密度，kg/m3；Ca為風壓力系數，參照表1取值；va為相對風速，m/s；θ為相對風的風向角，(°)；Aa為管節水線以上正投影面積，m2；Ba為管節水線以上側投影面積，m2。

2.2流壓力

管節水線以下的部分因受水流作用而產生流壓，其所受的流壓力的計算式為

(11)

式(11)中：PN為管節所受的流壓力，N；ρw為水密度，kg/m3，根據實際情況取值；Cw為水動力系數，參照表2取值。

表1 相對風向角θ與風壓力系數Ca對應表

表2 流向角β與水動力系數Cw對應表

2.3風、流合壓力

風、流合壓力的計算比較復雜，這與風、流壓力的大小，風與流的夾角及管節受風面積等因素均有關系。在分析管節拖航過程中所受風、流的影響時，通常根據“最不利原則”來判斷風流合壓力的大小，首先計算管節在不同風、流作用下的受力，在考慮最不利的情況(即出現橫風，且風和流疊加的情況)時，得出管節所受風、流合壓力，其表達式為

(12)

3 工程應用實例及結果分析

3.1工程概況

南昌市紅谷隧道工程位于南昌大橋與八一大橋之間，上距南昌大橋約1.3 km，下距八一大橋約2.3 km，連接南昌市紅谷灘新區與東岸老城區。隧道主線總長約2 650 m，其中工程過江段為直線沉管隧道，沉管段的橫斷面寬30 m，高8.3 m，總長1 329 m，共12節管節。管節長度有90 m，111.5 m及115 m等3種。管節在干塢內預制完成之后，利用開挖的浮運航道由拖船拖帶至隧址處，拖航里程約8 510 m，沿途經過生米大橋、朝陽大橋和南昌大橋等3座大橋。管節拖航航線示意見圖4。

圖4 管節拖航航線示意

3.2管節拖航編隊

管節拖航編隊示意見圖5，在管節前端設置1艘大功率(約2 647 kW)拖船A(配40 m長“八字”纜繩)進行吊拖，管節右舷靠1艘B拖船(約3 088 kW)和1艘C拖船(約3 088 kW)進行旁拖，尾端設1艘D拖船(約2 647 kW)和1艘E拖船(約3 088 kW，配80 m拖纜)拖船進行吊拖。

圖5 管節拖航編隊示意

3.3管節拖航所需航寬計算與分析

3.3.1重點航段的確定

依據順直航道選取航寬較窄的航段，彎曲河段選取航寬較窄、曲率半徑較小的航段，管節拖航重點航段見表3。

表3 管節拖航重點航段

3.3.2計算參數的選取

工程管節拖航通過橋區順直河段航寬計算參數見表4，管節拖航過彎時所需航寬主要計算參數見表5。

表4 工程管節拖航通過橋區順直河段航寬主要計算參數(下水)

表5 工程管節拖航通過彎曲航段時所需航寬主要計算參數

3.3.3管節拖航所需航寬計算結果與適應性分析

利用式(1)～式(9)計算得到不同航速、流速和風速條件下工程管節拖航船隊通過重點橋區水域(順直段)、出塢轉彎段和旋轉調頭區時所需的航寬值(見表6)。

由表6可知，管節拖航船隊通過彎曲航段時，在控制流速為0.6 m/s，航速為0.17～0.8 m/s和實際風力不超過4級的條件下，拖航所需航寬均小于彎曲航段的最大通航寬度(有效航寬)。管節拖航船隊通過不同橋區水域時，在流速為1.0 m/s，航速為0.17～0.8 m/s和實際風力不超過4級條件下，拖航所需航寬均小于橋梁最大通航寬度。然而，在該控制條件下，管節拖航通過南昌大橋時的安全余量略顯不足，應采取加設防撞浮箱等保障措施。

表6 工程管節拖帶通過重點航段所需航寬

由于該方法還不足以準確確定管節拖航受風、流影響下的限制條件，以下將通過對管節拖航受風、流影響時的控制能力進行計算與分析，綜合確定風、流影響下管節拖航的安全限制條件。

3.4管節拖航過程中受風、流影響分析

3.4.1風壓力對管節拖航的影響

根據管節拖帶航線基本走向，正常拖航時相對風的風向角θ取60°，風壓力系數Ca取1.3；管節出塢和調頭區旋轉掉頭時θ取40°，風壓力系數Ca取1.35。利用式(10)得到不同風況下管節拖航所受的風壓力(見表7)。

表7 風級與拖航船隊所受風壓力(kN)對應表

3.4.2流壓力對管節拖航的影響

所考慮的工程管節拖帶航線基本呈西南至東北走向，正常拖航時主要為管節橫截面受流的作用；而在管節出塢和調頭區旋轉掉頭時，整個管節與水流流向基本上處于垂直狀態，此時受流壓作用最大。根據式(11)計算得到管節在不同流速下所受流壓力見表8。

表8 不同流速條件下管節所受水流力

3.4.3風、流合壓力對管節拖航的影響

利用式(12)計算得到管節拖航過程中在不同風、流作用下的受力情況(見表9)。

3.4.4風、流作用下的適應性分析

風、流較大時，管節拖航時所受風、流合壓力較大，風、流外力對船舶操縱能力的影響也較大。因此，在考慮拖船配備時，風、流作用對管節拖航的影響不容忽視。

管節拖航過程中遇較大風、流作用時，尤其是過彎曲航段時，為防止船隊產生較大的偏航，一般采取向上風、上流側采取“掛高”船位的措施，并附以預配風、流壓差角來抵御風、流對管節的作用。

紅谷隧道工程管節浮運配備有3艘約3 88 kW和2艘約2 647 kW的全旋回拖船。根據統計，拖船可提供的拖力的計算式為：拖船功率=系數×拖船拖力，其中系數為7.3～9.2，可得出5艘全回轉拖船可提供的總拖力為2 150～2 700 kN。

通過對表9進行分析得出，在已有的拖帶方案下，流速≤1.4 m/s，實際風力不超過四級的風、流條件可基本滿足管節拖航作業的安全要求。

在實際拖航中，由于拖帶船隊慣性較大，操縱困難，需多艘拖船聯合拖航，拖航船隊所需拖船數量(指保證拖航船隊安全操縱所需的最少拖船數)和功率的確定不僅取決于管節長度、型體尺寸和質量，而且要綜合考慮自然環境條件、拖帶方式、拖船拖力、拖船種類和拖船拖力傳遞效率等多方面的因素。

表9 風、流合壓力計算表

因此，后期可考慮利用計算機數值模擬的方法研究多因素影響下的拖船配置問題。

3.5管節拖航安全限制條件的確定

根據上述對管節拖航船隊通過重點航段時受風、流影響下的定量分析結果，按照限制條件取低值原則，得出管節拖航的風、流限制指標(見表10)。

表10 綜合因素下安全限制條件的確定

理論分析計算結果和已有的拖航實例表明，紅谷隧道工程管節在贛江中水流條件較好的情況下拖航是安全可行的。綜合上述分析結果，得出紅谷隧道工程管節拖航的安全限制條件如下。

1) 白天，天氣晴好，風力不超過四級，能見度>2 000 m。

2) 橋區航段：在控制流速≤1 m/s的情況下，保持航速在0.17～0.8 m/s 或1.0～3.0 km/h。

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

4) 管節拖航通過順直航段和彎曲航段時，應保證在50 m航行距離內及時調整和控制管節位置，并采取“掛高”措施。

5) 管節通過生米大橋和朝陽大橋時，偏航角不得超過5°；通過南昌大橋時，偏航角不得超過2°。

4 結束語

本文應用船舶操縱理論與數學建模方法，提出沉管隧道管節拖航時在風、流影響下安全限制條件的確定方法。以紅谷隧道工程為例，通過計算分析管節拖航通過工程水域時在不同風、流影響下的通航尺度和操縱控制力，按照限制條件取低值的原則，得出紅谷隧道工程管節拖航的安全限制條件，為管節的安全拖航提供理論依據，驗證安全限制條件確定方法的可行性和正確性。該研究對保證管節拖航作業安全、減少通航安全風險及避免船-橋和船-船碰撞等事故的發生有著重要作用。

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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

張亞東(1995—)，男，江蘇徐州人，碩士生，主要從事航海安全保障研究。E-mail：yadongzhang@sjtu.edu.cn

1000-4653(2017)02-0098-06