寧進(jìn)進(jìn)，鄭秀磊，孫健，王殿文

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

目前世界上超大型混凝土構(gòu)件的浮運(yùn)中，特別是沉管隧道浮運(yùn)幾乎都是采用4～5艘全回轉(zhuǎn)大馬力拖輪吊拖的方式，如國內(nèi)的廣州侖頭-生物島沉管隧道管段浮運(yùn)考慮過5艘拖輪吊拖的浮運(yùn)方式[2]，見圖1。上海外環(huán)隧道管段浮運(yùn)[1]采用4艘拖輪吊拖，見圖2。

圖1 廣州沉管隧道管段浮運(yùn)方式Fig.1 Floatingway of immersed tunnel tube in Guangzhou

圖2 上海外環(huán)沉管隧道管段浮運(yùn)方式Fig.2 Floatingway of immersed tunnel tube in Shanghai outer-ring

對施工難度更大的有限航區(qū)、海況復(fù)雜的外海沉管隧道，4艘拖輪拖航的方式存在一定安全風(fēng)險。國內(nèi)出現(xiàn)了吊拖+綁拖的8艘拖輪組合的拖帶方式，見圖3。在降低施工風(fēng)險和提高沉管姿態(tài)控制方面有一定優(yōu)勢。本文以吊拖+綁拖為例，進(jìn)行拖輪分工作業(yè)的分析。

圖3 縱拖、橫拖示意圖Fig.3 Sketch of longitudinal tow ing and horizontal tow ing

1 拖帶方式比較

在沒有水深條件限制的開闊水域，4艘拖輪吊拖的拖帶方式是經(jīng)濟(jì)又便于指揮的，但對船長的要求很高，由于沉管艏艉姿態(tài)的控制是由拖輪的轉(zhuǎn)速或拖拽角控制，所以拖輪的調(diào)整比較頻繁。

在有限航區(qū)、外海等施工條件惡劣的情況下，吊拖+綁拖的浮運(yùn)拖帶方式的優(yōu)點在于可以更直接調(diào)整沉管艏艉姿態(tài)和抵抗側(cè)向水流力，且從拖輪分工和指揮上看，指揮難度相對降低，拖輪調(diào)整次數(shù)不多。沉管艏艉姿態(tài)的調(diào)整主要通過綁拖拖輪完成，吊拖拖輪主要作用集中在控制航速上。

2 拖航時機(jī)

2.1 順流拖航

國內(nèi)某超大型沉管隧道的拖航包括航道區(qū)拖航和基槽區(qū)拖航，航道區(qū)軸線幾乎和漲落潮主流向平行，基槽軸線幾乎和漲落潮主流向垂直。根據(jù)實測資料，浮運(yùn)區(qū)落潮流向（逆流作業(yè)）主要有180°和 167°兩個方向。

沉管在拖航階段的拖航阻力[3]：

式中：R為拖航阻力，kN；CW為水阻力系數(shù)；ρ為水的密度；A為迎流面積，m2；V為流速，m/s。

沉管縱拖按照流向180°、流速1 kn、絕對航速2 kn計算標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)縱拖水流力約為50 t，考慮20%的波浪增阻，水流力合計約為60 t；沉管橫拖按照流向180°和流速1 kn、絕對航速1 kn計算標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)橫拖水流力約為100 t，考慮20%的波浪增阻，水流力合計為120 t。

縱拖中艏端2艘拖輪主要作用是抗流和提供動力，每艘拖輪提供動力要超過30 t，考慮拖拽角和拖輪主機(jī)的功效，估算拖輪的功率要在4 476 kW（6 000 HP）以上。

通過以上計算，如果流向小于180°、流速超過1 kn，首端2艘4 476 kW（6 000 HP）的拖輪極有可能滿足不了超過1 kn流速的作業(yè)工況，逆流拖航作業(yè)難度大。

從傳統(tǒng)的船舶作業(yè)方式和傳統(tǒng)的沉箱拖帶方式看，沉管拖航應(yīng)采用傳統(tǒng)的逆流作業(yè)方式，沉管的姿態(tài)相對比較容易控制。但從超大型管節(jié)逆流縱拖受力分析看，與拖輪的拖帶能力相比只能犧牲逆流拖航較容易控制的優(yōu)勢而選擇順流拖航。

據(jù)了解國內(nèi)某外海沉管隧道出現(xiàn)過排水量45 000 t的沉管在逆流拖航中有拖不動和倒退的情況。雖然經(jīng)過前期4次逆流拖航的浮運(yùn)演練，但在強(qiáng)大的自然條件面前最終選擇順流拖航方式。

2.2 作業(yè)時機(jī)

作業(yè)窗口的選擇是一個綜合、全面考慮的結(jié)果，除了考慮漲落潮、流速的情況還要考慮上下工序的限制條件和各相關(guān)工序的作業(yè)時間。一般作業(yè)時間集中在每月的小潮期，如果當(dāng)?shù)睾r條件比較好也可以考慮選擇在中潮期。

根據(jù)2.1的計算分析，結(jié)合現(xiàn)場施工經(jīng)驗建議縱拖的順流流速控制在1.4 kn以內(nèi)，橫拖控制在流速1 kn以內(nèi)。具體情況根據(jù)水阻力判斷。

3 吊拖+綁拖拖帶方式

3.1 吊拖拖拽角

拖輪尾流是由拖輪螺旋槳作用導(dǎo)致的，螺旋槳加速水體運(yùn)動，通過射流作用給周圍水體一個速度。吊拖拖輪如采用直拖方式，纜繩長度為50～100m，通過計算拖輪總尾流力占拖輪系柱拖力的25%～45%[4]，嚴(yán)重影響拖輪工作效率。因此在浮運(yùn)過程中應(yīng)避開尾流直接沖擊沉管，并且將拖纜延長，但纜繩越長越不容易控制沉管的位置和姿態(tài)，故纜繩長度不要超過150m。

根據(jù)國內(nèi)某外海沉管隧道施工經(jīng)驗分析，可以采用艏端1號、2號拖輪的拖帶角度30°～45°；拖輪3、拖輪4的拖拽角盡量保持在30°～60°；艏端1號、2號拖纜長度80～120 m、艉端3號、4號拖纜長度60～100m的拖帶方式。

3.2 航速控制

航速控制主要是通過4艘吊拖拖輪實現(xiàn)。航道拖航時，艏端1號、2號拖輪提供前進(jìn)動力，根據(jù)現(xiàn)場流速通過調(diào)整拖輪轉(zhuǎn)速加速；艉端3號、4號拖輪提供剎車和減速動力，順流拖航時艉端拖輪處于低轉(zhuǎn)速，逆流拖航時艉端拖輪完全不受力，隨沉管向前移動。

在大流速的逆流情況下，可以通過改變綁拖拖輪和艉端拖輪的拖帶方式進(jìn)行抗流和加速。

1） 綁拖拖輪

綁拖拖輪的頭纜、腰纜通過拖輪上的卷揚(yáng)機(jī)連接，可以控制纜繩收緊、松開。當(dāng)需要提供前進(jìn)動力時，頭纜、腰纜都收緊，拖輪軸線與沉管軸線相同，拖輪提供向前的動力。這種拖帶方式提速加速時綁拖5號、6號拖輪的尾流全部打在沉管或拖輪上，抵消拖輪拖力，因此一般只采用靠后的7號、8號綁拖拖輪輔助加速。

2） 艉端拖輪

艉端3號、4號拖輪由方向向后改成方向向前，4艘吊拖拖輪呈“出”字形吊拖方式進(jìn)行輔助提速。

3.3 姿態(tài)控制

在有限航區(qū)，沉管姿態(tài)控制是浮運(yùn)的關(guān)鍵。

4艘綁拖拖輪的主要作用是控制沉管的艏艉姿態(tài)。由于港作拖輪的作業(yè)習(xí)慣是頂推，拖輪船長更習(xí)慣通過頂推控制沉管的“搖頭擺尾”，以某沉管隧道為例進(jìn)行力矩分析得沉管姿態(tài)頂推作用產(chǎn)生的沉管軸向、橫向力臂比吊拖拖輪（拖拽角度 30°～45°） 的力臂大 25 m、6 m。

3.4 拖航指揮

吊拖拖輪的拖拽角度一般是保持固定角度，只調(diào)整拖輪轉(zhuǎn)速，一方面減少纜繩磨損風(fēng)險，一方面減少指揮難度，指揮口令固定、簡化。

綁拖拖輪的指令根據(jù)沉管偏離航道軸線的情況進(jìn)行指揮，而且頂推力直接，避免了傳統(tǒng)的通過調(diào)整吊拖拖輪角度的操控難度。

3.5 拖輪調(diào)整頻率

對某沉管隧道標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)前7次順流浮運(yùn)的拖輪使用頻率進(jìn)行統(tǒng)計對比，見表1。統(tǒng)計的浮運(yùn)過程拖輪調(diào)整共計約1 600次。

表1 沉管拖輪的使用頻率Table 1 Using frequency of immersed tube tug

從拖輪使用頻率上看，5號～8號綁拖拖輪使用頻率最高，說明沉管艏艉的姿態(tài)調(diào)整次數(shù)最多；艏端5號、6號拖輪調(diào)整次數(shù)比艉端7號、8號拖輪調(diào)整次數(shù)多150余次，說明艏端姿態(tài)調(diào)整是整個浮運(yùn)作業(yè)過程的重點；4艘綁拖拖輪中同側(cè)的5號、7號綁拖拖輪調(diào)整頻率比對面的6號、8號綁拖拖輪次數(shù)多，主要因為其承擔(dān)了抗側(cè)向海流的工作。

由于航道浮運(yùn)大部分時間是順流拖航，而且隨著拖輪操控的不斷熟練，1號～4號吊拖拖輪使用情況逐漸固定，調(diào)整頻率比較少，大部分時間一直處于固定的轉(zhuǎn)速和拖拽角。

4 結(jié)語

吊拖+綁拖的拖帶方式目前應(yīng)用僅限于有限航區(qū)和海況惡劣的外海隧道，施工經(jīng)驗還相對缺乏，浮運(yùn)作業(yè)認(rèn)識還不夠透徹。在不斷積累沉管浮運(yùn)作業(yè)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，需要固化、簡化拖輪作業(yè)模式和拖航指揮，在保證安全的前提下盡量控制拖輪數(shù)量，并通過研究改進(jìn)，更好地控制沉管浮運(yùn)的速度和姿態(tài)。

[1] 潘永仁.上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運(yùn)方法[J].施工技術(shù)，2004（3）：52-54.PAN Yong-ren.The floating transportmethod of large elements employed for Shanghaiout-ring immersed tube tunnel[J].Construction technology,2004(3)：52-54.

[2] 彭紅霞，王懷東.侖頭-生物島沉管隧道管段浮運(yùn)方案探討[J].隧道建設(shè)，2007，27（4）：85-88.PENGHong-xia,WANGHuai-dong.Discussionson tube element towingoptions for Luntou-Shengwudao immersed tunnelproject[J].TunnelConstruction,2007,27(4)：85-88.

[3] JTJ215—1998，港口工程荷載規(guī)范[S].JTJ215—1998,Load code forharbourengineering[S].

[4] 侯連青，寧進(jìn)進(jìn).拖輪螺旋槳尾流對沉管或沉箱浮運(yùn)的影響[J].中國港灣建設(shè)，2013（1）：5-7.HOU Lian-qing,NING Jin-jin.Influence of tug'propeller slipstream on floating elements caissons[J].China Harbour Engineering,2013(1)：5-7.