基于模拟试验的超大型沉管浮运航道宽度研究

岳远征，周伟

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

1 工程概况

深中通道是连接广东省深圳市和中山市的大桥，是世界级超大的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程，路线起于广深沿江高速机场互通立交，与深圳侧连接线对接，向西跨越珠江口，在中山市翠亨新区马鞍岛上岸，终于横门互通。主体工程全长约24 km，沉管隧道段全长6 845 m，采用双向8车道，设计时速100 km[1]。其中，预制沉管段长5 035 m，采用钢壳混凝土结构，由32节管节和1个最终接头组成。其中，E1～E22管节由桂山岛预制场完成预制，采用浮运安装一体船浮运安装[2]。标准段管节尺寸为165 m×46 m×10.6 m，舾装完成后自重约72 000 t，浮运吃水10.4 m。本文主要进行一体船带165 m管节状态模拟试验，论证新建浮运航道宽度。

2 浮运船舶

浮运船舶为世界首艘自航式浮运安装一体船（以下简称：一体船），该船舶特点如下：

1）一体船主船体采用双体船船型设计，两侧片体由4个箱型跨梁连接而成。

2）一体船本身具有自航功能，可满足带标准沉管浮运下深水静水航速5 kn要求，并具备DP-1动力定位功能，能够在带沉管工况下抗1.6 kn横流，最不利的情况可以抵御1.4 kn水流。

3）一体船动力定位系统具备航迹追踪及偏移纠偏功能，辅助保持航迹。

一体船尺度及性能参数见表1，三维效果图如图1所示。浮运作业时一体船带沉管状态总排水量约为10万t。

表1 一体船尺度及性能参数Table 1 The size and performance parameters of integrated vessel

图1 一体船三维效果图Fig.1 The 3D effect graph of integrated vessel

3 浮运航道

沉管在桂山岛二次舾装完成后，通过一体船拖航至隧道基槽进行沉放安装，沉管浮运线路为：桂山预制场→榕树头航道→港珠澳出运航道→伶仃航道→新建浮运航道→安装航道→隧道基槽处，航道总长约50 km[3]。

沉管浮运编队在受限航道内浮运时，尽量减小航道与主流向的夹角，减少水阻力提高沉管操控安全度。根据港珠澳大桥施工经验，航道轴线与流向夹角小于15°时沉管操控安全度高。新建浮运航道中滩区域受水深影响航道浮运难度较大。因此，该段区域浮运航道轴线与流向夹角需要控制在15°以内，经过对新建浮运航道区域流向监测，涨潮流期间流向为352°，为保证夹角在15°以内，中滩区域航道方位角选择5°，东槽、西槽航道方位角选择根据中滩确定。新建浮运航道平面布置如图2所示。

图2 新建浮运航道平面布置图Fig.2 Plane layout of new floating channel

4 模拟试验

4.1 试验工况

根据所在航道的风流情况设计试验工况，即：根据自然环境及浮运作业窗口条件，以及该水域常风速、常风向确定试验风速和风向；航道涨落潮方向，确定试验流速和流向，模拟试验工况见表2。

表2 模拟试验工况Table 2 Simulation test conditions

4.2 试验步骤

1）根据本工程浮运线路方案及设计尺度要求，制作本工程所需要的航道、基槽和相关水域的电子海图信息数据库。

2）根据一体船性能资料，构建一体船操纵运动数学模型，进行模型校验和精度分析。

3）设计一体船操纵模拟系统，进行一体船在航道内不同风、浪、流组合条件下的操控模拟试验。

4）根据数模试验结果论证新建浮运航道宽度合理性，分析航道浮运作业环境条件及航行速度等。

4.3 试验轨迹

按照试验工况，设置模拟试验环境参数，开展模拟试验。选择具有相应等级船舶操纵资质的引航员或实船驾驶经验的驾驶员，作为船舶模拟操纵人员[4]，开展所有工况组合模拟试验。采集模拟试验数据，绘制模拟试验航迹线，分析模拟试验结果，为新建浮运航道设计和一体船浮运操控提供参考。采用船舶操纵模拟器进行试验，获得不同工况组合的模拟试验轨迹,模拟试验轨迹如图3所示。

图3 新建浮运航道模拟轨迹Fig.3 Simulated trajectory of new floating channel

4.4 试验结果

采集模拟试验过程数据，每6 s采样1次，采集450组数据，绘制模拟试验进程曲线（图4），反应试验过程中船速、舵角和风流压差角变化，综合反映船舶操纵难度。根据模拟试验可知，工况一、工况四时，风流相互叠加，风流压差角大，此时曲线变化明显，一体船航行时操舵频繁，操纵难度更大；工况二、工况三时，风流相互抵消，风流压差角小，此时曲线变化较小，一体船航行时操舵较少，操纵难度更小。

图4 新建浮运航道工况三进程曲线Fig.4 Process curve of new floating channel condition 3

模拟试验进程数据见表3，新建浮运航道航行时，在涨潮流条件下，一体船平均航速可以保持在4.3 kn左右，平均风流压差角范围为6.7°～6.9°，平均舵角在 5.3°～7.3°。正确操纵船舶，可以顺利通过该水域；在落潮流条件下，水流阻力较大，同时，船舶在该时段通过浅水区的搁浅风险加大，因此，建议涨潮时通过新建浮运航道。

表3 新建浮运航道模拟试验进程数据Table 3 Process data of simulation test for new floating channel

同时考虑风流压差角和航速要求，则顶风涨潮流为最佳工况，此时，船舶风流压差角相对不大，平均为6.7°，可以在保持航速的同时，比较好的控制船舶位置，考虑浅水区水流阻力较大，推荐在工况二（顶风涨潮流）条件下通过新建浮运航道。

5 浮运航道宽度分析

参考JTS 165—2013《海港总体设计规范》[5]，单线航道宽度相关计算公式如下：

式中：W为航道宽度，m；A为航迹带宽度，m；c为船舶与航道底边线之间的富裕宽度，m；n为船舶漂移倍数；L为设计船长，m；γ为风、流压偏角，（°）；B为设计船宽，m。

考虑一体船操纵性能特殊，规范对其航迹带宽度尚不明确，其航行时的船舶漂移倍数和风、流压偏角等参数均无法确定。因此，本文采用模拟试验获得航迹带宽度A，然后再计算所需航道宽度W。

根据模拟试验结果，不同风、流工况条件下的最大航迹带宽度为112 m，考虑左右两侧富裕宽度合计为1倍船宽，则对应所需航道宽度为187 m，新建浮运航道最窄段为200 m，能够满足一体船通航需要。其航迹带宽度数据见表4。

表4 新建浮运航道模拟试验航迹带宽度数据Table 4 Track bandwidth data of new floating channel simulation test

6 施工安全保障措施

1）沉管浮运作业前，按要求检查一体船设备，确保一体船船机设备及助导航设备能够正常运转，避免出现舵机、主机、侧推等动力设备故障，造成船舶失控风险。同时，更新最新海图资料，提高船舶导航定位精度，确保船舶正确航行在预订航线上。

2）根据沉管浮运作业要求，严格选择浮运作业窗口时段并制定计划，避免在风、浪、流超过限制以及不利组合的情况下进行浮运。同时，按要求配备经验丰富驾驶员，保持良好船艺，谨慎驾驶船舶，安全通过连续转弯及浅水区域等危险航段。

3）按预先制定的浮运计划，做好浮运计划演练，熟悉整个浮运过程，落实人员责任，做好指挥协调，保证整个浮运过程顺利进行。同时，加强人员安全教育，梳理其中可能遭遇的危险，做好安全防范工作[6]。

4）遵守所在水域的通航管理规定，按照海事主管机构要求，申请进行交通管制。严格按照预定计划，进入预定航道。同时，安排拖轮及海巡艇进行清道护航，保障水域通航秩序，确保浮运过程不受到其它船干扰。同时，在通过相应航道后，及时解除封航，恢复水域秩序。

5）制定船舶搁浅、失控等应急预案，做好应急资源配备，在突发情况出现时，立即启动应急反应流程，采取措施将损失降到最小[7]。应急反应结束后，调查事故原因，总结经验教训，做好以后的安全防范工作[8]。

7 结语

通过模拟试验方法，获得一体船进行超大型沉管浮运时航迹带宽度，进而论证超大型沉管浮运所需航道宽度，为超大型沉管浮运航道宽度设计提供科学依据，同时通过制定浮运演练计划、应急预案等，为保障超大型沉管浮运安全做好充分准备。