大型沉管与沉放驳摩擦型连接受力分析

苏长玺，冯海暴，2*

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

大型沉管与沉放驳摩擦型连接受力分析

苏长玺1，冯海暴1，2*

（1.中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222）

大型沉放驳与沉管连接方式通常采用绳索拉紧、木墩支撑、钢结构支撑、混凝土墩等方式，在沉管管节进入基槽系泊等待期间，当管节遇到横流或波浪时，由于管节和沉放驳之间采用了连接的方式，可避免沉管与船舶之间发生撞击。文中结合港珠澳大桥沉管管节与沉放驳之间的摩擦性钢支墩连接方式，对管节在基槽处系泊等待安装期间受到波浪和水流作用时，进行了沉管管节与沉放驳之间连接的受力分析，得出了受力传递的趋势和途径，并提出了相应的预控措施，为大型沉管管节沉放安装提供了理论分析依据，可为类似工程施工分析借鉴。

大型沉管；摩擦性连接；受力传递；抵抗波流力

1 工程概况

港珠澳大桥沉管隧道工程穿越珠江口广州、深圳西部港区出海主航道，是我国重大基础设施项目，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一，沉管隧道（含暗埋段）全长5 990 m，沉管段长5 664 m，共有管节33节，每节标准管节重量约8万t，长×宽×高=180 m×37.95 m× 11.4 m，是世界上总长度和断面尺寸最大、埋深达45 m以上的六线行车的先铺法沉管隧道的代表性工程。

港珠澳大桥沉管隧道施工隧址处受径流影响比较明显，表现为洪水季流速大于枯水季流速、落潮流速大于涨潮流速，根据实测资料，隧址处大潮表层最大流速达到1.93 m/s，垂线平均流速达到1.51 m/s。按照确定的管节沉放作业窗口（流速≤1.3 m/s、波高≤0.8 m、波周期T=6 s），综合物模试验结果、数模计算结果和有关分析研究，管节沉放定位期间可能受到的波流力Fw将达到3 000 kN，如果采用沉管上安装缆抵抗此波流力，沉管顶部系缆桩、导向滑轮等舾装件结构将超出常规设计，实现非常困难，同时安装缆直径太大时带缆作业难度加大。因此通过综合分析影响因素，需对沉管在沉放系泊等待期间，抵抗波浪和水流作用力情况进行分析研究，根据分析结果做出预控措施，为大型沉管安装施工提供技术依据。

2 沉管沉放前抗浪流调研

国内外沉管隧道施工中，多采用沉放驳船进行沉管的沉放安装，沉管在基槽处系泊等待安装期间，抵抗波浪和水流联合作用的方式通常采用2种方式[1]，第1种方式为利用沉管上锚缆抵抗波浪和水流力的作用，第2种方式为利用沉放驳上的锚缆抵抗波浪和水流力的作用。第1种抗浪流的方式受力明确便于操作和控制，但送缆和布设缆绳较为困难，适用于水流力较小的施工环境；第2种抵抗浪流的方式便于送缆作业，可减少管节顶部舾装件数量或减小舾装件规格，但操作要求比较高，适用于水流力较大的施工环境[1]。

结合港珠澳大桥沉管隧道施工的特点，沉管在基槽内系泊等待期间，可能会出现流速和波浪联合作用且自然条件相对较差的情况，因此为了能够实现安全保证在自然条件相对较差的情况下实现沉管系泊等待，第2种方式利用沉放驳上的锚缆抵抗波浪和水流力的作用较为符合工程实际施工条件，对于操作要求上，施工中严格控制操作程序和人员的培训，做到精细化施工完全可以实现。

经过综合分析，沉管在基槽内系泊等待期间抵抗水流和波浪作用，从自然条件和操作上初步选取第2种方式作为本工程中沉管的抗浪流的方法，但对于受力情况需要通过计算分析确定。

3 沉管与沉放驳连接受力分析

3.1 连接方式分析

结合本工程实际情况，利用沉放驳上的锚缆抵抗波浪和水流力作用的方式，需要分析沉管和沉放驳之间的连接受力情况，通过研究分析沉放驳和沉管之间连接分为以下2种方式即方案1和方案2，两个方案在墩的数量、吊索预拉力、波浪力、水流力完全一致，每个沉放驳各设置4个钢支墩和2个吊点（2个沉放驳钢支墩为8个，吊点4个）[2-3]，沉放驳与沉管之间通过吊点施加预拉力为10 000 kN，水流作用力Fw为3 000 kN。

方案1为沉管管节顶部预设混凝土支墩8个，在2个沉放驳上设置钢支墩8个（每个沉放驳4个钢支墩），通过沉放驳注水降低干弦坐落于沉管上，进行刚性支撑和限位，并利用2个沉放驳4个吊点在沉管和沉放驳之间预加10 000 kN总拉力，通过该方式抵抗沉管定位时的波流力，沉放驳总体结构布置见图1。

图1 方案1沉放驳结构布置示意图Fig.1 The structural layout plan of sinking barge of scheme 1

方案2和方案1基本相同，不同之处为沉管和沉放驳之间通过端部镶入橡胶板的钢支墩连接，进行半刚性支撑和摩擦型限位[2]，并利用吊索在沉管和沉放驳之间预加10 000 kN拉力（内力），使钢支墩与沉管产生的摩擦力传递给沉放驳，再由沉放驳传递给系泊缆的方式抵抗沉管系泊等待时的波流力。

3.2 方案1连接方式受力分析

1）连接设计

沉管顶部设置的8个长1 m宽1 m高0.3 m混凝土墩和2个沉放驳上的8个钢支墩进行套接，将沉管转向或将系泊时受到的波流力通过混凝土墩传递给钢支墩，再由钢支墩传递给沉放驳，通过沉放驳的系驳缆抵抗波流力，局部大样见图2。

图2 方案1局部大样图Fig.2 The local drawing of scheme 1

2）混凝土支墩抵抗水平剪力（水流力）分析

沉管上部的混凝土支墩与沉放驳钢支墩连接通过套接抗剪，根据文献[4-5]考虑结构不均匀受力的不利情况下，每个沉放驳上的4个钢支墩中2个支墩共同受力（由于两船之间为柔性连接，因此每个沉放驳可实现2个支墩共同受力），则沉管上4个钢筋混凝土墩可共同受力，根据分析受到的水平剪力（水流力）按3 000 kN计算，则每个钢筋混凝土墩承受水平剪力为3 000/4=750 kN。

根据文献[6]混凝土抗剪强度为抗压强度的1/12～1/10，沉管混凝土标号为C45，抗剪强度最小为45÷12=3.75 MPa，每个混凝土墩面积为1 m2，可承受水平剪力约为3 750 kN，安全系数为3 750÷ 750≈5，满足抗剪要求。

3）支墩承受竖向力（波浪力）受力分析

结合工程施工流程，管节在基槽内系泊等待期间应预先消除干舷，管节消除干舷过程中，沉放驳与管节保持固结在一起，每个吊点2 500 kN拉力，此时受到的最大浪高为Hs=0.8 m，由于沉放驳与管节不可能完全同步浮沉，沉放驳浮力会产生变化，吊放钢丝绳拉力将随之变化，沉放驳浮箱长40.2 m宽7.2 m，最不利状态下为沉管静止在水中，沉放驳上浮增加沉管和沉放驳之间的吊索拉力，而沉放驳的浮箱正处于两个波峰处。最不利情况下每个吊点拉力增加值F=40.2×7.2× 0.4×10.25≈1 200 kN，此时每个吊点的拉力为1 200+2 500=3 700 kN，而沉管的吊点设计允许荷载值为4 500 kN[3]，吊点力在最不利状态下留有的安全系数为4 500÷3 700=1.22，实际工程施工时将会适当减小沉管与沉放驳之间的拉力。

当沉管在上述状态遇到波谷时，沉管保持不变的情况下，沉管与管节之间吊力会相应减小1 200 kN，而沉管和沉放驳之间的拉力为2 500 kN，此时沉管和沉放驳之间保持的拉力为1 300 kN，仍然不会使得沉管和沉放驳之间脱离，则此时混凝土支墩会实现抵抗水流力的作用，满足沉管在系泊等待期间的波流力联合作用的要求。

3.3 方案2连接方式受力分析

1）连接设计

方案2与方案1钢支墩设置方式相同，方案2中每个沉放驳设置4个钢支墩，在钢支墩端部镶入橡胶板加大摩擦系数[2-3]，并利用吊索在沉管和沉放驳之间预加10 000 kN拉力（内力），使钢支墩与沉管产生的摩擦力传递给沉放驳，再由沉放驳传递给系泊缆的方式抵抗沉管系泊等待时波流力。局部大样图见图3。

图3 方案2局部大样图Fig.3 The local drawing of scheme 2

2）水平剪力（水流力）分析

钢支墩和沉管接触的端部镶入橡胶板，根据试验混凝土和橡胶之间的摩擦系数可以达到0.75～0.8[7-8]，按照最小摩擦系数0.75取值，则10 000 kN拉力的情况下，可以产生摩擦力f=10000×0.75= 7 500 kN，在压力满足的条件下水流力全部传递为3 000 kN，安全系数达到7 500/3 000=2.5，满足设计要求。

3）系泊等待波浪影响下时水平剪力

管节定位等待期间应预先消除干舷，此时沉放驳与管节连接在一起，此时每个吊点2 500 kN拉力，此时受到浪高Hs=0.8 m波浪时，沉放驳与管节不可能完全同步浮沉，吊放钢丝绳拉力将随之变化，根据方案1分析结果，最不利情况下每个吊点拉力将增加1 200 kN，单个吊点最大拉力将增加到3 700 kN＜4 500 kN，满足沉管吊点容许荷载值。

在波谷时钢支墩和沉管之间的压力会随之减少1 200 kN，此时由于水流力即水平方向的传递力由摩擦力传递，所以剩余部分的压力值产生的摩擦力应不小于水流力3 000 kN，波谷时剩余压力为10 000-1 200×4=5 200 kN，摩擦力f= 5 200×0.75=3 900 kN＞3 000 kN，此时摩擦力大于水流作用力，可以实现水流力完全传递的要求，在最不利工况下沉管和沉放驳之间不会产生滑移。

4 连接方式选择

根据沉管与沉放驳的两种连接方式计算分析，在沉管在基槽内系泊等待期间，方案1和方案2的连接方式都可以满足沉管与沉放驳之间的稳定性控制要求。

方案1与方案2连接方式相比，虽然都可以满足抵抗沉管系泊等待期间的波浪与水流力联合作用，但第一种连接方式属于纯刚性接触，当船舶出现振动或偶然的船舶间碰撞时，将产生巨大的荷载，对沉管和沉放驳都会造成较大的破坏和影响，而且方案1属于“嵌入式”连接，在沉管和沉放驳连接时，船管的相对位置及姿态需要精确调整，给施工操作带来一定的困难，因此方案1不作为沉管与沉放驳连接方式的推荐方案。

方案2沉管与沉放驳之间的半刚性连接方式则会在偶然的船舶碰撞时[2]，由于船舶和沉管之间的橡胶可出现横向的剪切微量变形吸收碰撞荷载产生的能量[9]，因此不会对沉管和沉放驳造成较大的影响，可以实现沉管与沉放驳之间的紧密连接，同时方案2的连接方式在船管连接时无需精确对扣，只需要将钢支墩按规定位置压在沉管表面通过吊索预拉固定即可，操作方便快捷，因此推荐方案2作为沉管与沉放驳之间的连接方式。

经过综合分析，结合工程的实际情况经过比选，沉管与沉放驳之间的连接方式选取方案2半刚性连接方式。

5 结语

通过对港珠澳大桥现场施工条件分析和计算对比，在沉管进入基槽系泊等待期间，采取以下方式进行抵抗波浪和水流力的作用。

1）推荐选取利用沉放驳上的锚缆抵抗波浪和水流的联合作用力，可减少管节顶部舾装件数量或减小舾装件规格；

2）沉管与沉放驳之间的连接方式中，采用混凝土支墩与钢支墩套接连接的方式抵抗水流和波浪的作用，虽可满足沉管稳定性要求，但刚性连接存在船舶间碰撞时会产生巨大的荷载，对沉管和沉放驳都会造成损坏的风险，而且属于“嵌入式”连接，在沉管和沉放驳连接时船管的相对位置及姿态需要精确调整，给施工操作带来一定的困难，因此不推荐采用；

3）沉管与沉放驳之间的连接推荐采用半刚性连接方式，即采用在钢支墩上镶嵌橡胶板与沉管之间进行拉压连接，可有效避免船舶碰撞损坏沉管和装备的风险。在船管连接时无需精确对扣，只需将钢支墩按规定定位在沉管表面通过吊索预拉力紧固即可，操作方便快捷。

4）沉管与沉放驳之间的连接方式中，不推荐采用钢丝绳吊索直接连接的完全柔性的固定方式，该连接方式虽然可以满足吊点的容许荷载值，但无法满足沉管的稳定性控制。

港珠澳大桥沉管隧道工程施工时，在沉管进入基槽系泊等待和浮运期间，选取了沉放驳抵抗波浪和水流力作用的方式，沉管与沉放驳之间的连接方式也采用了半刚性连接，目前工程已成功完成了28节管节的浮运沉放安装，实际验证了该抗浪流的方式选取是正确的。

综上所述，本文详细分析了沉管在进入基槽时的抗浪方式与沉管和沉放驳的连接方式，可为我国以后类似大型沉管安装中抗浪流的方式分析提供参考数据。

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Force analysis of friction type connection for large immersed tube and sinking barge

SU Chang-xi1,FENG Hai-bao1,2*
（1.No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China; 2.Key Laboratory of Coastal Engineering Hydrodynamics,CCCC,Tianjin 300222,China）

The connection type between Large sinking barge and immersed tube usually use taut rope,wooden pier support, steel structure support,concrete pier,etc.The immersed tube section into the trench mooring waiting period,when the pipe section met cross flow or wave,due to the connection type between pipe section and sinking barge,avoid impact between tube and vessel.According to the friction steel buttress connection between the immersed tube pipe section and sinking barge in the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project,when the pipe section into the trench mooring waiting for installation period by waves and currents,we carried the force analysis on the connection between immersed tube and sinking barge,obtained the trends and ways of stress transfer,and put forward the corresponding preventive measures,provided the basis of theory analysis for large immersed tube section installation,which can be used for similar engineering construction analysis.

large immersed tube;friction type connection;stress transfer;resistance wave force

U615.351

A

2095-7874（2016）12-0019-04

10.7640/zggwjs201612004

2016-07-30

2016-08-17

苏长玺（1965— ），男，山东青岛人，高级工程师，港口航道及治河工程专业。

*通讯作者：冯海暴，E-mail：351515258@qq.com