基于模擬試驗的超大型沉管浮運航道寬度研究

岳遠征，周偉

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.上海海事大學，上海 201306）

1 工程概況

深中通道是連接廣東省深圳市和中山市的大橋，是世界級超大的“橋、島、隧、地下互通”集群工程，路線起于廣深沿江高速機場互通立交，與深圳側連接線對接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新區馬鞍島上岸，終于橫門互通。主體工程全長約24 km，沉管隧道段全長6 845 m，采用雙向8車道，設計時速100 km[1]。其中，預制沉管段長5 035 m，采用鋼殼混凝土結構，由32節管節和1個最終接頭組成。其中，E1～E22管節由桂山島預制場完成預制，采用浮運安裝一體船浮運安裝[2]。標準段管節尺寸為165 m×46 m×10.6 m，舾裝完成后自重約72 000 t，浮運吃水10.4 m。本文主要進行一體船帶165 m管節狀態模擬試驗，論證新建浮運航道寬度。

2 浮運船舶

浮運船舶為世界首艘自航式浮運安裝一體船（以下簡稱：一體船），該船舶特點如下：

1）一體船主船體采用雙體船船型設計，兩側片體由4個箱型跨梁連接而成。

2）一體船本身具有自航功能，可滿足帶標準沉管浮運下深水靜水航速5 kn要求，并具備DP-1動力定位功能，能夠在帶沉管工況下抗1.6 kn橫流，最不利的情況可以抵御1.4 kn水流。

3）一體船動力定位系統具備航跡追蹤及偏移糾偏功能，輔助保持航跡。

一體船尺度及性能參數見表1，三維效果圖如圖1所示。浮運作業時一體船帶沉管狀態總排水量約為10萬t。

表1 一體船尺度及性能參數Table 1 The size and performance parameters of integrated vessel

圖1 一體船三維效果圖Fig.1 The 3D effect graph of integrated vessel

3 浮運航道

沉管在桂山島二次舾裝完成后，通過一體船拖航至隧道基槽進行沉放安裝，沉管浮運線路為：桂山預制場→榕樹頭航道→港珠澳出運航道→伶仃航道→新建浮運航道→安裝航道→隧道基槽處，航道總長約50 km[3]。

沉管浮運編隊在受限航道內浮運時，盡量減小航道與主流向的夾角，減少水阻力提高沉管操控安全度。根據港珠澳大橋施工經驗，航道軸線與流向夾角小于15°時沉管操控安全度高。新建浮運航道中灘區域受水深影響航道浮運難度較大。因此，該段區域浮運航道軸線與流向夾角需要控制在15°以內，經過對新建浮運航道區域流向監測，漲潮流期間流向為352°，為保證夾角在15°以內，中灘區域航道方位角選擇5°，東槽、西槽航道方位角選擇根據中灘確定。新建浮運航道平面布置如圖2所示。

圖2 新建浮運航道平面布置圖Fig.2 Plane layout of new floating channel

4 模擬試驗

4.1 試驗工況

根據所在航道的風流情況設計試驗工況，即：根據自然環境及浮運作業窗口條件，以及該水域常風速、常風向確定試驗風速和風向；航道漲落潮方向，確定試驗流速和流向，模擬試驗工況見表2。

表2 模擬試驗工況Table 2 Simulation test conditions

4.2 試驗步驟

1）根據本工程浮運線路方案及設計尺度要求，制作本工程所需要的航道、基槽和相關水域的電子海圖信息數據庫。

2）根據一體船性能資料，構建一體船操縱運動數學模型，進行模型校驗和精度分析。

3）設計一體船操縱模擬系統，進行一體船在航道內不同風、浪、流組合條件下的操控模擬試驗。

4）根據數模試驗結果論證新建浮運航道寬度合理性，分析航道浮運作業環境條件及航行速度等。

4.3 試驗軌跡

按照試驗工況，設置模擬試驗環境參數，開展模擬試驗。選擇具有相應等級船舶操縱資質的引航員或實船駕駛經驗的駕駛員，作為船舶模擬操縱人員[4]，開展所有工況組合模擬試驗。采集模擬試驗數據，繪制模擬試驗航跡線，分析模擬試驗結果，為新建浮運航道設計和一體船浮運操控提供參考。采用船舶操縱模擬器進行試驗，獲得不同工況組合的模擬試驗軌跡,模擬試驗軌跡如圖3所示。

圖3 新建浮運航道模擬軌跡Fig.3 Simulated trajectory of new floating channel

4.4 試驗結果

采集模擬試驗過程數據，每6 s采樣1次，采集450組數據，繪制模擬試驗進程曲線（圖4），反應試驗過程中船速、舵角和風流壓差角變化，綜合反映船舶操縱難度。根據模擬試驗可知，工況一、工況四時，風流相互疊加，風流壓差角大，此時曲線變化明顯，一體船航行時操舵頻繁，操縱難度更大；工況二、工況三時，風流相互抵消，風流壓差角小，此時曲線變化較小，一體船航行時操舵較少，操縱難度更小。

圖4 新建浮運航道工況三進程曲線Fig.4 Process curve of new floating channel condition 3

模擬試驗進程數據見表3，新建浮運航道航行時，在漲潮流條件下，一體船平均航速可以保持在4.3 kn左右，平均風流壓差角范圍為6.7°～6.9°，平均舵角在 5.3°～7.3°。正確操縱船舶，可以順利通過該水域；在落潮流條件下，水流阻力較大，同時，船舶在該時段通過淺水區的擱淺風險加大，因此，建議漲潮時通過新建浮運航道。

表3 新建浮運航道模擬試驗進程數據Table 3 Process data of simulation test for new floating channel

同時考慮風流壓差角和航速要求，則頂風漲潮流為最佳工況，此時，船舶風流壓差角相對不大，平均為6.7°，可以在保持航速的同時，比較好的控制船舶位置，考慮淺水區水流阻力較大，推薦在工況二（頂風漲潮流）條件下通過新建浮運航道。

5 浮運航道寬度分析

參考JTS 165—2013《海港總體設計規范》[5]，單線航道寬度相關計算公式如下：

式中：W為航道寬度，m；A為航跡帶寬度，m；c為船舶與航道底邊線之間的富裕寬度，m；n為船舶漂移倍數；L為設計船長，m；γ為風、流壓偏角，（°）；B為設計船寬，m。

考慮一體船操縱性能特殊，規范對其航跡帶寬度尚不明確，其航行時的船舶漂移倍數和風、流壓偏角等參數均無法確定。因此，本文采用模擬試驗獲得航跡帶寬度A，然后再計算所需航道寬度W。

根據模擬試驗結果，不同風、流工況條件下的最大航跡帶寬度為112 m，考慮左右兩側富裕寬度合計為1倍船寬，則對應所需航道寬度為187 m，新建浮運航道最窄段為200 m，能夠滿足一體船通航需要。其航跡帶寬度數據見表4。

表4 新建浮運航道模擬試驗航跡帶寬度數據Table 4 Track bandwidth data of new floating channel simulation test

6 施工安全保障措施

1）沉管浮運作業前，按要求檢查一體船設備，確保一體船船機設備及助導航設備能夠正常運轉，避免出現舵機、主機、側推等動力設備故障，造成船舶失控風險。同時，更新最新海圖資料，提高船舶導航定位精度，確保船舶正確航行在預訂航線上。

2）根據沉管浮運作業要求，嚴格選擇浮運作業窗口時段并制定計劃，避免在風、浪、流超過限制以及不利組合的情況下進行浮運。同時，按要求配備經驗豐富駕駛員，保持良好船藝，謹慎駕駛船舶，安全通過連續轉彎及淺水區域等危險航段。

3）按預先制定的浮運計劃，做好浮運計劃演練，熟悉整個浮運過程，落實人員責任，做好指揮協調，保證整個浮運過程順利進行。同時，加強人員安全教育，梳理其中可能遭遇的危險，做好安全防范工作[6]。

4）遵守所在水域的通航管理規定，按照海事主管機構要求，申請進行交通管制。嚴格按照預定計劃，進入預定航道。同時，安排拖輪及海巡艇進行清道護航，保障水域通航秩序，確保浮運過程不受到其它船干擾。同時，在通過相應航道后，及時解除封航，恢復水域秩序。

5）制定船舶擱淺、失控等應急預案，做好應急資源配備，在突發情況出現時，立即啟動應急反應流程，采取措施將損失降到最小[7]。應急反應結束后，調查事故原因，總結經驗教訓，做好以后的安全防范工作[8]。

7 結語

通過模擬試驗方法，獲得一體船進行超大型沉管浮運時航跡帶寬度，進而論證超大型沉管浮運所需航道寬度，為超大型沉管浮運航道寬度設計提供科學依據，同時通過制定浮運演練計劃、應急預案等，為保障超大型沉管浮運安全做好充分準備。