沉管安装船受力特征及模型分析

冷艺，董美余

（1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

沉管隧道施工技术发展始于1810年，首次成功应用于1910年，至今已108 a。传统的沉管安装装备包括起重船吊浮安装法、两艘方驳抬吊安装法、具有支腿的平台船沉放安装法等[1-2]，上述方法存在施工效率低、精度差、费用高等问题，随着科学技术的发展，上述方法也在不断的优化改进。杠吊法的发展随着新装备的开发，应用越来越广泛，具有代表性的工程为韩国釜山巨济沉管隧道工程，采用的装备为沉管安装船。国内沉管隧道施工中，广州珠江隧道采用了起重船辅助安装的分吊法[3]，上海外环沉管隧道和宁波常洪沉管隧道采用了浮式驳船和钢浮箱辅助安装的简易杠吊法[3-4]，虽然采用了类似的施工方法，但没有先进的沉管安装船，安装方法主要包括起重船吊沉法、浮箱吊沉法、扛吊法、骑吊法、拉沉法等。国内外调研具有代表性的沉管隧道沉放方法中，广州珠江、香港西区公路沉管隧道、宁波常洪隧道、上海外环沉管隧道等采用了浮吊吊沉法。釜山巨济沉管隧道、博斯普鲁斯沉管隧道采用了双驳扛吊的方法。

依托于港珠澳大桥沉管隧道工程，隧道海底段长5 664 m，由33节大型管节组成，标准管节质量80 000 t，尺寸为长×宽×高=180 m×37.95 m×11.4 m，最大沉放水深约50 m，且处于外海复杂环境条件。对现有的工况条件和施工条件分析论证，采用已经应用的传统技术和装备无法满足该工程的施工要求，具有类似功能应用于韩国釜山巨济的沉管安装船虽然具有一定的优势，但对本项目中的管节尺寸、沉放水深和外海复杂工况条件施工，却没有类似的施工经验，且没有可参考的技术资料，因此研究新型的沉管安装船满足本项目的施工要求是面临的难题。沉管安装船的研究除功能方面，在技术方面也存在诸多的技术难题尚待解决，尤其是沉管安装船进行沉管沉放和安装时的受力特征[5-6]，在国内外文献中均没有类似的参考依据。

结合沉管施工现场的工况条件和关键技术参数，对沉管安装船作业时的受力特征分析研究，采用数值模拟与解析计算相结合的方法，对安装船的吊力和整体的结构受力等进行了分析研究，找出装备运行过程中的受力优化关键参数，完成设备的研发与应用，为工程施工提供装备技术保障。

1 工况条件与技术参数

沉管安装船的外形尺寸需满足沉管尺度和水深条件要求，结构的受力特征和原理是需要解决的技术难题，也是本文的重点研究内容。沉管作业工况条件流速分析中，根据港珠澳大桥桥位现场波浪观测水文观测，0.6 m/s及0.8 m/s流速具有较突出的界限性，在小潮汛期间并未有流速峰值超过1.3 m/s的设计限制流速。月度流速、流向统计分析，涨潮的最大流速为1.35 m/s，各月最大平均流速为0.47 m/s；落潮的最大流速为2.22 m/s，各月最大平均流速为0.66 m/s。另外，各月涨潮和落潮平均流速均较小，其中涨潮时最大平均流速为0.47 m/s，落潮最大平均流速为0.66 m/s。将平均流速以0.8 m/s、0.6 m/s及1.3 m/s的设计限制流速为上限，进行流速的频率分部统计。连续18～24 h流速所占比例变化较大，连续6～12 h流速及连续24～36 h所占比例变化较小。1.3 m/s的设计限制流速保证率较高，全年平均流速仅有2个点超出设计限制值。平均流速0.6 m/s每月持续18 h的次数，若以平均流速V≤0.6 m/s作为施工流速条件，则1个月中至少保证1次连续48 h作业窗口，连续18 h最少月份为2008年2月，有7次窗口满足关键作业的作业时间。满足0.6 m/s平均流速及0.8 m有效波高的窗口统计，满足流速0.6 m/s和波高0.8 m叠加最小的作业窗口48 h的持续时间中，全年的统计数据可以满足每月1个作业窗口的要求，如果大于该叠加窗口的作业工况，则无法满足要求，因此，结合沉管的现有技术参数，从几何尺寸上，确定了沉管安装船的主要技术参数[7]，见表1，其示意图见图1。

表1 沉管安装作业工况及条件Table 1 Working conditionsand conditionsof immersed tube installation

图1 沉管安装船方案示意图Fig.1 Schematic diagram of a immersed tunnel installation vessel

沉管安装船技术参数为型长40.2 m，型宽56.4 m，型深9.0 m，作业水深10～50 m，轻载吃水4.9 m，满载吃水7.3 m。

该沉放船是一种特殊的双体结构，国内无相似船舶，主要用作浮运、抛锚定位及安装海底沉管隧道管节。通过该沉放系统，可实现隧道管节的定位和精准沉放，能很好地控制隧道管节的位移。并能在沉放过程中抵抗波浪和水流引发的外力，庇护沉放过程所需的所有设备和人员，用作浮运和沉放上述的标准管节，并具有一定的裕度，经改造后，可用于大多数海底特大型结构物的沉放安装工作。

2 受力特征研究

沉管安装船研发过程中，根据施工工序和流程，其主要受力技术参数包括沉放吊力与整体强度的校核研究，该参数取值的偏差直接影响船舶的总体结构[8]。

2.1 沉放吊力取值分析

沉管沉放时负浮力的确定，根据海水密度变化值、沉管重量和施工验证得出，负浮力通常取沉管总重量1%～2%[9-10]。国内外沉管隧道的管节沉放负浮力取值中，日本多摩川隧道沉放负浮力约1%，宁波常虹隧道沉放对接阶段负浮力取1%，韩国沉管隧道沉放时负浮力约为1.5%，土耳其沉管隧道沉放时负浮力取2%。结合本项目的特点，通过监测现场密度的变化值，初步将负浮力控制在管节总重量的1.5%即12 000 kN，沉管按照4个吊点沉放，则每个吊点力为3 000 kN，通过数值模拟和试验得出沉放吊力受力特征。沉管现场系泊采用沉放驳8缆系驳抗流，沉管5缆辅助安装的方式，如图2所示。

图2 沉管安装缆系布置图Fig.2 Layout of cablesystem for immersed tubeinstallation

2.2 数值模拟分析

沉管模型建立通过时域耦合计算使用DeepC、GHS软件计算[10]，横轴位于船舶纵中线上，向左舷Y值为正，4根吊缆连接沉管与船体的垂向缆绳，系泊缆将沉管安装船与海底锚点连接，使沉管安装船在沉放作业时保持精确定位，缆系建模模型同图2，时域动态分析采用OrcaFlex软件。

安装船和沉管的局部坐标系统定义参考传统船舶坐标系统X自尾垂线向首部为正；Y自船中心线至左舷为正；Z自基线向上为正。全局坐标和局部坐标都是右手坐标系。

分析采用势流理论（非黏性），首先在GHS中调整安装船和沉管的装载状态，然后将装载状态导入AQWA进行衍射分析。下沉时域分析采用Orcaflex进行。在AQWA中生成三维势流模型，通过水动力分析可得到附加质量、阻尼值、波浪扰动力等数据，直接导入到Orcaflex程序中。在沉管全部浸没状态下，AQWA会自动考虑一个接近0的水线面面积，因此水线面区域不需要再建立网格。

仿真模拟的持续时间应根据具体状态的实际操作时间来确定。由于目前尚无相关数据，因此每个工况均按典型的3 h进行模拟，不同吃水沉管横摇曲线如图3所示。RAO曲线（即Response Amplitude Operator）是传递函数，用来计算船舶在海中工作时的行为。RAO单位幅值响应是指运动响应即载荷响应，指构件或船舶不同频率下单位波高时的运动响应值，即6个自由度。

图3 不同吃水下沉管横摇RAO曲线Fig.3 The RAO curve of immersed tube rolling under different draft

数值模拟主要为了控制单缆的受力不得超过设计值，因此控制单缆缆力的最大值较为安全，通过数值模拟可以得出，沉放过程中吊缆受力在干舷消除的工况条件下单缆吊力值最大为3 932 kN，管底与基槽顶部原泥面齐平时，虽然受到的水流力较大，但此时波浪力影响较小，此时单缆吊缆最大缆力为2 820 kN，管底距离基床2 m即将要着床时，受到基槽底部海水与泥沙密度变大的影响，吊缆的最大值仅为1 932 kN，见表2。由此可以分析得出海水密度的变化对沉管的吊力具有较大的影响，因此，在吊力取值时，要考虑安全系数的取值原则，保障沉管的顺利沉放。

表2 沉管沉放模拟单缆吊力最大值Table 2 The maximum value of single cable lifting force for immersed tubesinking simulation

2.3 沉管安装船结构受力分析

沉管安装船在不同工况条件下的吊力确定后，即可进行船舶的沉放系统与总体结构的设计研究，由于船舶属于双浮体结构，且需要在水动力条件下满足其结构的受力，在静态耦合受力状态下无法得出最不利工况，因此需要采用数值模拟分析的方法进行结构的配置与模拟。采用SESAM中的模块Geni E对沉管安装船进行结构建模，采用MSC公司的Patran/Nastran对吊点支架以及相连船体结构进行强度校核，船舶的整体建模参数同第1章，结构模型重量为2 656 t[1]，重心位置根据设计取值。

上部建筑通过重量加载的方式实现同质量的转换，沉管安装船加载工况同第1章。

根据沉管安装的工序，在沉放作业、沉放等待条件下横流和纵流条件下计算结果见表3。

通过表3可知，沉管安装船的整体强度在沉管安装期间的设计工况条件下，其受到的应力均小于规范值[11]，满足结构强度的要求。

每艘沉放驳上配有4套系泊缆索系统，管节沉放前后控制沉放驳的水平位移[12]，保证沉放驳能够牢牢稳定在管节上方的固定位置，缆索均与海床上的预埋锚相连。配有2套吊索缆索系统，其中心距离由与管节吊点开档尺寸决定。吊索缆索系统主要是用来控制管节的垂直位移，并且把负浮力传递到沉放驳上。配有2套安装缆索，分别穿过导缆架、开口滑车和钳式导缆器，组成沉放缆索系统。安装缆索由绞车引导，穿过一个连通管节甲板和沉放驳的中央穿索孔，从卷扬机导向至隧道管节的顶部，再由管节顶部的导向滑轮导向与海床上的预埋锚相连。

表3 各工况计算结果汇总Table 3 Summary of calculation resultsof various working conditionsMPa

2.4 现场应用

研发制造完成的新型沉管安装船，自2013年5月投入应用，至2017年5月4日成功完成了33节大型沉管的安装，辅助完成了最终接头的沉放安装，创造了1 a 10节的世界纪录，提高了沉管隧道安装质量。通过对已经完成的沉管进行统计分析，新型的沉管安装船可将沉管的安装精度控制在5 cm以内，管节沉放对接时间控制在12 h左右，其施工工效、施工精度等参数均达到了预期的设计研发要求，现场应用实景图如图4。

图4 沉管现场系泊带缆实景图Fig.4 Scene of mooring cable in immersed tube site

3 结语

在综合分析研究国内外沉管安装方法和装备的基础上，提出了沉管安装船的方案，对其关键的沉放系统的受力进行了研究，得出了受力特征及限值，支持了沉管安装船研发设计，得出如下结论：1）研究分析现有的沉管施工技术，提出了新型的沉管安装船的设计方案，得出了受力特征；2）采用数值模拟与解析计算相结合方法，得出不同工况下沉管安装船吊力限值和取值方法；3）通过数值模拟建立了全船的受力模型，进行了全面强度校核，支撑了船舶的设计应用；4）沉管安装船应用精度达到了5 cm，并验证了可靠性，达到预期技术要求。

与国内外同类型的装备和技术相比，该船舶适用于沉管安装，可为深中通道、大连湾海底隧道等沉管隧道的安装装备的设计与改造提供技术和经验，加快船舶设计速度、缩短周期，有效提高了我国沉管隧道建设技术水平，经济效益和社会效益显著，可推广到港口工程、海洋工程等领域水下构件沉放装备的设计及工程施工中借鉴应用，前景广阔。