沉管安裝船受力特征及模型分析

冷藝，董美余

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

沉管隧道施工技術發展始于1810年，首次成功應用于1910年，至今已108 a。傳統的沉管安裝裝備包括起重船吊浮安裝法、兩艘方駁抬吊安裝法、具有支腿的平臺船沉放安裝法等[1-2]，上述方法存在施工效率低、精度差、費用高等問題，隨著科學技術的發展，上述方法也在不斷的優化改進。杠吊法的發展隨著新裝備的開發，應用越來越廣泛，具有代表性的工程為韓國釜山巨濟沉管隧道工程，采用的裝備為沉管安裝船。國內沉管隧道施工中，廣州珠江隧道采用了起重船輔助安裝的分吊法[3]，上海外環沉管隧道和寧波常洪沉管隧道采用了浮式駁船和鋼浮箱輔助安裝的簡易杠吊法[3-4]，雖然采用了類似的施工方法，但沒有先進的沉管安裝船，安裝方法主要包括起重船吊沉法、浮箱吊沉法、扛吊法、騎吊法、拉沉法等。國內外調研具有代表性的沉管隧道沉放方法中，廣州珠江、香港西區公路沉管隧道、寧波常洪隧道、上海外環沉管隧道等采用了浮吊吊沉法。釜山巨濟沉管隧道、博斯普魯斯沉管隧道采用了雙駁扛吊的方法。

依托于港珠澳大橋沉管隧道工程，隧道海底段長5 664 m，由33節大型管節組成，標準管節質量80 000 t，尺寸為長×寬×高=180 m×37.95 m×11.4 m，最大沉放水深約50 m，且處于外海復雜環境條件。對現有的工況條件和施工條件分析論證，采用已經應用的傳統技術和裝備無法滿足該工程的施工要求，具有類似功能應用于韓國釜山巨濟的沉管安裝船雖然具有一定的優勢，但對本項目中的管節尺寸、沉放水深和外海復雜工況條件施工，卻沒有類似的施工經驗，且沒有可參考的技術資料，因此研究新型的沉管安裝船滿足本項目的施工要求是面臨的難題。沉管安裝船的研究除功能方面，在技術方面也存在諸多的技術難題尚待解決，尤其是沉管安裝船進行沉管沉放和安裝時的受力特征[5-6]，在國內外文獻中均沒有類似的參考依據。

結合沉管施工現場的工況條件和關鍵技術參數，對沉管安裝船作業時的受力特征分析研究，采用數值模擬與解析計算相結合的方法，對安裝船的吊力和整體的結構受力等進行了分析研究，找出裝備運行過程中的受力優化關鍵參數，完成設備的研發與應用，為工程施工提供裝備技術保障。

1 工況條件與技術參數

沉管安裝船的外形尺寸需滿足沉管尺度和水深條件要求，結構的受力特征和原理是需要解決的技術難題，也是本文的重點研究內容。沉管作業工況條件流速分析中，根據港珠澳大橋橋位現場波浪觀測水文觀測，0.6 m/s及0.8 m/s流速具有較突出的界限性，在小潮汛期間并未有流速峰值超過1.3 m/s的設計限制流速。月度流速、流向統計分析，漲潮的最大流速為1.35 m/s，各月最大平均流速為0.47 m/s；落潮的最大流速為2.22 m/s，各月最大平均流速為0.66 m/s。另外，各月漲潮和落潮平均流速均較小，其中漲潮時最大平均流速為0.47 m/s，落潮最大平均流速為0.66 m/s。將平均流速以0.8 m/s、0.6 m/s及1.3 m/s的設計限制流速為上限，進行流速的頻率分部統計。連續18～24 h流速所占比例變化較大，連續6～12 h流速及連續24～36 h所占比例變化較小。1.3 m/s的設計限制流速保證率較高，全年平均流速僅有2個點超出設計限制值。平均流速0.6 m/s每月持續18 h的次數，若以平均流速V≤0.6 m/s作為施工流速條件，則1個月中至少保證1次連續48 h作業窗口，連續18 h最少月份為2008年2月，有7次窗口滿足關鍵作業的作業時間。滿足0.6 m/s平均流速及0.8 m有效波高的窗口統計，滿足流速0.6 m/s和波高0.8 m疊加最小的作業窗口48 h的持續時間中，全年的統計數據可以滿足每月1個作業窗口的要求，如果大于該疊加窗口的作業工況，則無法滿足要求，因此，結合沉管的現有技術參數，從幾何尺寸上，確定了沉管安裝船的主要技術參數[7]，見表1，其示意圖見圖1。

表1 沉管安裝作業工況及條件Table 1 Working conditionsand conditionsof immersed tube installation

圖1 沉管安裝船方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of a immersed tunnel installation vessel

沉管安裝船技術參數為型長40.2 m，型寬56.4 m，型深9.0 m，作業水深10～50 m，輕載吃水4.9 m，滿載吃水7.3 m。

該沉放船是一種特殊的雙體結構，國內無相似船舶，主要用作浮運、拋錨定位及安裝海底沉管隧道管節。通過該沉放系統，可實現隧道管節的定位和精準沉放，能很好地控制隧道管節的位移。并能在沉放過程中抵抗波浪和水流引發的外力，庇護沉放過程所需的所有設備和人員，用作浮運和沉放上述的標準管節，并具有一定的裕度，經改造后，可用于大多數海底特大型結構物的沉放安裝工作。

2 受力特征研究

沉管安裝船研發過程中，根據施工工序和流程，其主要受力技術參數包括沉放吊力與整體強度的校核研究，該參數取值的偏差直接影響船舶的總體結構[8]。

2.1 沉放吊力取值分析

沉管沉放時負浮力的確定，根據海水密度變化值、沉管重量和施工驗證得出，負浮力通常取沉管總重量1%～2%[9-10]。國內外沉管隧道的管節沉放負浮力取值中，日本多摩川隧道沉放負浮力約1%，寧波常虹隧道沉放對接階段負浮力取1%，韓國沉管隧道沉放時負浮力約為1.5%，土耳其沉管隧道沉放時負浮力取2%。結合本項目的特點，通過監測現場密度的變化值，初步將負浮力控制在管節總重量的1.5%即12 000 kN，沉管按照4個吊點沉放，則每個吊點力為3 000 kN，通過數值模擬和試驗得出沉放吊力受力特征。沉管現場系泊采用沉放駁8纜系駁抗流，沉管5纜輔助安裝的方式，如圖2所示。

圖2 沉管安裝纜系布置圖Fig.2 Layout of cablesystem for immersed tubeinstallation

2.2 數值模擬分析

沉管模型建立通過時域耦合計算使用DeepC、GHS軟件計算[10]，橫軸位于船舶縱中線上，向左舷Y值為正，4根吊纜連接沉管與船體的垂向纜繩，系泊纜將沉管安裝船與海底錨點連接，使沉管安裝船在沉放作業時保持精確定位，纜系建模模型同圖2，時域動態分析采用OrcaFlex軟件。

安裝船和沉管的局部坐標系統定義參考傳統船舶坐標系統X自尾垂線向首部為正；Y自船中心線至左舷為正；Z自基線向上為正。全局坐標和局部坐標都是右手坐標系。

分析采用勢流理論（非黏性），首先在GHS中調整安裝船和沉管的裝載狀態，然后將裝載狀態導入AQWA進行衍射分析。下沉時域分析采用Orcaflex進行。在AQWA中生成三維勢流模型，通過水動力分析可得到附加質量、阻尼值、波浪擾動力等數據，直接導入到Orcaflex程序中。在沉管全部浸沒狀態下，AQWA會自動考慮一個接近0的水線面面積，因此水線面區域不需要再建立網格。

仿真模擬的持續時間應根據具體狀態的實際操作時間來確定。由于目前尚無相關數據，因此每個工況均按典型的3 h進行模擬，不同吃水沉管橫搖曲線如圖3所示。RAO曲線（即Response Amplitude Operator）是傳遞函數，用來計算船舶在海中工作時的行為。RAO單位幅值響應是指運動響應即載荷響應，指構件或船舶不同頻率下單位波高時的運動響應值，即6個自由度。

圖3 不同吃水下沉管橫搖RAO曲線Fig.3 The RAO curve of immersed tube rolling under different draft

數值模擬主要為了控制單纜的受力不得超過設計值，因此控制單纜纜力的最大值較為安全，通過數值模擬可以得出，沉放過程中吊纜受力在干舷消除的工況條件下單纜吊力值最大為3 932 kN，管底與基槽頂部原泥面齊平時，雖然受到的水流力較大，但此時波浪力影響較小，此時單纜吊纜最大纜力為2 820 kN，管底距離基床2 m即將要著床時，受到基槽底部海水與泥沙密度變大的影響，吊纜的最大值僅為1 932 kN，見表2。由此可以分析得出海水密度的變化對沉管的吊力具有較大的影響，因此，在吊力取值時，要考慮安全系數的取值原則，保障沉管的順利沉放。

表2 沉管沉放模擬單纜吊力最大值Table 2 The maximum value of single cable lifting force for immersed tubesinking simulation

2.3 沉管安裝船結構受力分析

沉管安裝船在不同工況條件下的吊力確定后，即可進行船舶的沉放系統與總體結構的設計研究，由于船舶屬于雙浮體結構，且需要在水動力條件下滿足其結構的受力，在靜態耦合受力狀態下無法得出最不利工況，因此需要采用數值模擬分析的方法進行結構的配置與模擬。采用SESAM中的模塊Geni E對沉管安裝船進行結構建模，采用MSC公司的Patran/Nastran對吊點支架以及相連船體結構進行強度校核，船舶的整體建模參數同第1章，結構模型重量為2 656 t[1]，重心位置根據設計取值。

上部建筑通過重量加載的方式實現同質量的轉換，沉管安裝船加載工況同第1章。

根據沉管安裝的工序，在沉放作業、沉放等待條件下橫流和縱流條件下計算結果見表3。

通過表3可知，沉管安裝船的整體強度在沉管安裝期間的設計工況條件下，其受到的應力均小于規范值[11]，滿足結構強度的要求。

每艘沉放駁上配有4套系泊纜索系統，管節沉放前后控制沉放駁的水平位移[12]，保證沉放駁能夠牢牢穩定在管節上方的固定位置，纜索均與海床上的預埋錨相連。配有2套吊索纜索系統，其中心距離由與管節吊點開檔尺寸決定。吊索纜索系統主要是用來控制管節的垂直位移，并且把負浮力傳遞到沉放駁上。配有2套安裝纜索，分別穿過導纜架、開口滑車和鉗式導纜器，組成沉放纜索系統。安裝纜索由絞車引導，穿過一個連通管節甲板和沉放駁的中央穿索孔，從卷揚機導向至隧道管節的頂部，再由管節頂部的導向滑輪導向與海床上的預埋錨相連。

表3 各工況計算結果匯總Table 3 Summary of calculation resultsof various working conditionsMPa

2.4 現場應用

研發制造完成的新型沉管安裝船，自2013年5月投入應用，至2017年5月4日成功完成了33節大型沉管的安裝，輔助完成了最終接頭的沉放安裝，創造了1 a 10節的世界紀錄，提高了沉管隧道安裝質量。通過對已經完成的沉管進行統計分析，新型的沉管安裝船可將沉管的安裝精度控制在5 cm以內，管節沉放對接時間控制在12 h左右，其施工工效、施工精度等參數均達到了預期的設計研發要求，現場應用實景圖如圖4。

圖4 沉管現場系泊帶纜實景圖Fig.4 Scene of mooring cable in immersed tube site

3 結語

在綜合分析研究國內外沉管安裝方法和裝備的基礎上，提出了沉管安裝船的方案，對其關鍵的沉放系統的受力進行了研究，得出了受力特征及限值，支持了沉管安裝船研發設計，得出如下結論：1）研究分析現有的沉管施工技術，提出了新型的沉管安裝船的設計方案，得出了受力特征；2）采用數值模擬與解析計算相結合方法，得出不同工況下沉管安裝船吊力限值和取值方法；3）通過數值模擬建立了全船的受力模型，進行了全面強度校核，支撐了船舶的設計應用；4）沉管安裝船應用精度達到了5 cm，并驗證了可靠性，達到預期技術要求。

與國內外同類型的裝備和技術相比，該船舶適用于沉管安裝，可為深中通道、大連灣海底隧道等沉管隧道的安裝裝備的設計與改造提供技術和經驗，加快船舶設計速度、縮短周期，有效提高了我國沉管隧道建設技術水平，經濟效益和社會效益顯著，可推廣到港口工程、海洋工程等領域水下構件沉放裝備的設計及工程施工中借鑒應用，前景廣闊。