涂 彪， 劉敬賢

(1.武漢理工大學 航運學院， 武漢 430063；2.內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063)

0 引 言

內河水域航道寬度較窄，水深較淺，在此類水域進行船舶拖帶作業(yè)的難度比在沿海水域大。尤其是在內河水域浮運拖帶大型結構物時，易因水深不足而導致船舶擱淺，并因作業(yè)范圍狹窄而增大拖帶難度，從而對內河水域的通航安全構成重大威脅。因此，大型結構物浮運拖帶作業(yè)一直是內河涉水工程研究的重點和難點。本文以常泰長江大橋5#墩沉井出塢和浮運拖帶作業(yè)為例，對大型結構物浮運拖帶作業(yè)關鍵技術進行研究。

常泰長江大橋跨江連接常州和泰興兩市，是長江上集高速公路、城際鐵路和一級公路于一體的過江通道。該大橋于2019年開工建設，主航道采用雙層斜拉橋，橋主墩(編號5#墩)采用沉井基礎。5#墩沉井由江蘇揚子鑫福船廠承建，建成出塢之后先靠泊到該船廠的1#碼頭，2 d之后由6艘大馬力全回式拖船沿長江上行推薦航路右側浮運拖帶至5#墩施工現(xiàn)場，拖航總里程約為2.9 n mile，拖航速度為1～2 kn，預計2 h之內可抵達施工現(xiàn)場交由施工單位定位。

工程拖帶水域為長江江蘇段主航道，該航段碼頭眾多，船舶進出頻繁，為長江航道中最繁忙的水域之一。該水域船舶交通流密集，在該水域拖帶大型無動力船的各項操作不僅關系到拖帶船隊的安全航行，而且關系到過往船舶的安全性和航道的暢通。為此，在拖帶作業(yè)開始之前，采取封底助浮、疏浚和掃測等措施確保拖帶水深滿足要求；同時，針對出塢、離泊和浮運等3個階段，對拖船配置、拖帶方式和起拖時機等關鍵技術，以及拖航期間的安全保障和拖帶注意事項等進行研究，保障此次沉井浮運拖帶作業(yè)的安全性，為以后內河水域大型構件浮運拖帶作業(yè)的開展提供參考。

1 沉井基本參數(shù)

5#墩沉井基礎平面呈圓端型，立面為臺階型；沉井底面尺寸為95.0 m×57.8 m，圓端半徑為28.9 m；沉井頂面尺寸為77.0 m×39.8 m，圓端半徑為19.9 m；臺階寬度為9.0 m。該沉井分36個隔艙，外壁厚1.8 m，內隔艙夾壁厚1.4 m和2.0 m。

沉井建造示意見圖1，其設計參數(shù)如下：

1) 沉井底節(jié)高為39 m(浮運至橋位處部分高度)。

2) 沉井浮拖部分重量為20 130 t。

3) 考慮封閉中間16個隔艙，自浮吃水為6.85 m。

4) 沉井縱向拖航時，迎水面寬58.2 m，平行水流方向長95.4 m；沉井在橋位處掉頭時，迎水面寬95.4 m，平行水流方向長58.2 m。

2 施工水域水深分析

當不對沉井采取助浮措施時，其吃水為13.5 m，船塢內水深和航道水深均不能滿足其對吃水的要求，因此需對沉井采取助浮措施。

2.1 出塢階段階段水深分析

對沉井36個井孔中的28個井孔增設鋼結構封艙底板，封艙底板的面板在高度上距離沉井底部約1.1 m。這28個井孔的底部全部封閉之后，沉井吃水約為6.0 m，塢內封艙底板布置圖見圖2。

圖1 沉井建造示意

圖2 塢內封艙底板布置圖

封底助浮之后，沉井吃水約為6.0 m，為確保拖帶水深大于沉井吃水，防止沉井浮運過程中出現(xiàn)觸底、擱淺風險，考慮留有1.0 m的安全裕度，即要求塢門至1#碼頭區(qū)域的水深至少為7.0 m。為此，于2019年10月27采用全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和多波速測深系統(tǒng)(聲速可根據(jù)水溫和鹽度自動修正)對塢門和碼頭前沿的河床進行掃測，結果見圖3。根據(jù)河床掃測結果，在低平潮期，塢門區(qū)域水深最小僅為5 m左右，在船塢內對沉井采取助浮措施之后，其吃水約為7 m，不能滿足沉井出塢的要求，因此采用挖泥船提前清淤，使河床面與船塢底面(標高-6.8 m)基本齊平。

根據(jù)鋼沉井制造進度，沉井預計在2019年12月下旬出塢。根據(jù)江陰站水位潮汐規(guī)律，結合船塢內實測水位數(shù)據(jù)，推測2019年12月22日—12月30日船塢內水深，具體見表1。

圖3 塢門區(qū)域河床掃測結果

表1 2019年12月22日—12月30日船塢內水深

沉井起浮之后，其刃腳必須高于船塢內，最高塢墩和塢門坎，并留有一定的安全高度，以保證安全出塢。

沉井在船塢內起浮時的吃水為6 m，塢內底部為理論高程基準面，沉井墊墩高度為2.2 m，船塢內滿足沉井出塢要求的水位的計算公式為

=++

(1)

式(1)中:為沉井吃水,=6 m;為船塢內最高塢墩的高度,=2.2 m;為安全高度,=0.5 m。由此可得，滿足沉井出塢要求的水位為8.7 m。2019年12月22日—12月30日滿足沉井出塢的時間段見圖4。

根據(jù)船廠的計劃，沉井于2019年12月28日16：30—18：30出塢，此時船塢內水深達10 m以上，滿足沉井出塢對水深的要求。

2.2 沉井浮運拖帶階段水深分析

為增強5#墩沉井的穩(wěn)性，在對其進行浮運拖帶之前，需在1#碼頭拆除12個封艙底板。拆除封艙底板之后，沉井浮運助浮井孔布置圖見圖5。

封艙底板拆除之后，沉井吃水為8.5 m，考慮2.0 m的安全裕度，沉井從揚子鑫福1#碼頭浮運至墩位處的浮運拖帶線路水深需超過10.5 m。查閱最新航道圖水深，沉井浮運拖帶線路水深約為14.5 m，滿足沉井浮運拖帶的要求。

2.3 定位階段水深分析

為便于5#墩沉井定位，將其浮運至橋位轉纜之后，須拆除封艙底板，最終沉井吃水約為13.5 m。2019年10月27日橋位處河床掃測結果見圖6。

根據(jù)河床掃測結果，結合潮位數(shù)據(jù)，在低平潮期，沉井橋位處河床水深為14.5 m，能滿足沉井轉纜的要求。

3 浮運計算

沉井在水上拖航過程中受到水流、波浪和風等多種環(huán)境因素的影響，為確保其安全性，須在設計拖航方案時考慮沉井拖航阻力特性。針對沉井拖航阻力問題，可采用經(jīng)驗公式計算、物理模型試驗和數(shù)值模擬等3種方法解決。本文采用《Towing》中的相關公式對沉井直航和掉頭時的阻力進行計算，分析浮運過程中可能存在的風險。

3.1 直航時總阻力計算

沉井縱向直航時的吃水為5.35 m，對水最大拖帶速度為3 m/s。海上被拖航物體所受阻力的估算公式可表示為

=115(+)

(2)

式(2)中：為拖航摩擦阻力；為拖航剩余阻力。圖7為不同水速下單艘拖船阻力。

圖6 2019年10月27日橋位處河床掃測結果

圖7 不同水速下單艘拖船阻力RT

1) 《Towing》推薦的拖航摩擦阻力的估算公式為

=3522××××10

(3)

式(3)中：為被拖物的污底系數(shù)，新制鋼沉井可取=04；為被拖物的水下濕表面積，=6 573 m;為拖航速度。由此可得，=83 kN。

2) 《Towing》推薦的拖航剩余阻力的估算公式為

=062×××

(4)

式(4)中：為被拖物的艏部形狀系數(shù)，圓端型圍堰艏部形狀系數(shù)取05；為浸水橫斷面面積，=311 m。由此可得:=869 kN；=1 095 kN。

4 000 HP(1 HP≈0.746 kW)拖船的有效輸出拖力約為360 kN。以2號拖船為例，3 m/s對水速度下單艘拖船的阻力為33.02 kN。若配置5艘4 000 HP拖船拖航，則拖航總阻力=1 260.1 kN。5艘拖船的有效輸出拖力=1 800 kN>。

拖船配置5艘4 000 HP拖船拖航，1艘4 000 HP拖船備用，共6艘。

3.2 掉頭之后的阻力計算

沉井在橋位處掉頭時，吃水為5.35 m，對水拖帶橫向速度為1.5 m/s。=6 175 m；=19.6 kN；=712 kN；=841 kN。

為保障沉井拖航作業(yè)的安全性，沉井縱向拖航對水速度擬控制在3.0 m/s以內，沉井在橋位處掉頭時的拖航對水速度控制在1.5 m/s以內。

3.3 纜繩計算

纜繩的安全系數(shù)取1.25，其最大拉力按600 kN設計。鋼絲繩采用直徑為φ60 mm、抗拉強度=1 870 MPa的鋼芯鋼絲繩，單根鋼絲繩最小破斷拉力=2 000 kN,安全系數(shù)為3.3。

3.4 Y#5紅浮下游掉頭合理性分析

根據(jù)營船港專用航道與長江主航道的平面布置關系，沉井船隊從營船港專用航道駛入長江主航道可選航線有2條，即：在Y#5紅浮下游掉頭進入長江主航道；在營船港專用航道起點(蘇橋#5左右通航浮)掉頭進入主航道。最終確定采用在Y#5紅浮下游掉頭進入長江主航道的方案，其合理性主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1) 該方案的轉向角比其他方案小，便于掉頭作業(yè)，能降低通航風險；

2) 蘇橋#5左右通航浮距離蘇通大橋較近，距離僅為2 200 m，沉井船隊距離蘇通大橋較近，且大橋上下游存在專屬區(qū)，因此選擇在Y#5紅浮下游掉頭能降低掉頭風險;

3) Y#4紅浮與Y#3紅浮之間存在通常汽渡，若選擇從Y#5紅浮下游掉頭，對通常汽渡的影響較小。

4 拖船編隊

4.1 沉井出塢編隊

1) 揚子鑫福船塢門打開以后，2艘5 000 HP拖船先進入船塢，用纜繩將拖船與沉井側面12 m處拉耳連接；

2) 解開沉井圓端面一側的1根纜繩，進入1艘6 000 HP拖船，與沉井圓端面一側的拉耳連接(見圖8)；

3) 3艘拖船帶纜完成之后，采用吊機解除其余5根纜繩，完成解纜工作；

4) 沉井解纜作業(yè)完成之后，2艘5 000 HP拖船微微倒拖，1艘6 000 HP拖船控制沉井橫移，確保沉井與船塢側面保持一定的距離，1艘4 000 HP拖船與沉井圓端面后側的拉耳連接，完成拖船塢內編隊，見圖9；

5) 在4艘拖船的配合下，沉井緩緩離開船塢，待沉井離開船塢約100 m之后，即完成沉井出塢作業(yè)。

4.2 沉井離泊編隊

1) 沉井碼頭處的12塊封艙底板拆除完畢之后，解除沉井碼頭靠岸系泊的纜繩；

2) 1#拖船和6#拖船按浮運過程中的拖帶隊形系纜；

3) 2#拖船和4#拖船前面掛纜倒拖；

4) 2#拖船和4#拖船向后拖拽，將沉井拖離1#碼頭50 m之后停止拖帶；

5) 1#拖船、2#拖船、4#拖船和6#拖船臨時穩(wěn)定沉井；

6) 3#拖船和5#拖船從沉井右后方駛入，?？吭诟∵\編隊位置，并帶纜固定；

7) 2#拖船和4#拖船解纜之后重新按浮運編隊位置帶纜固定。

4.3 沉井浮運拖帶編隊

選用“4艘拖船綁拖，1艘拖船頂拖，1艘拖船倒拖”的拖帶方案，1#拖船前面掛纜倒拖，4#拖船沉井左舷后編隊(掛帶3纜)，2#拖船(掛帶2纜)左前編隊，6#拖船解部后頂推；沉井離開碼頭約50 m之后，5#拖船右后編隊，3#拖船右前帶纜。整體拖船的拖帶寬度為137.4 m，長度為247.54 m。經(jīng)海事部門確認，該方案滿足沉井拖帶要求。編隊完畢之后，在現(xiàn)場海巡艇和護航艇的維護下進入推薦航道，進行沉井航道浮運。沉井拖帶路線見圖10;沉井接纜示意見圖11；沉井離泊編隊見圖12；拖船參數(shù)見表2；沉井拖船編隊俯視圖和側視圖分別見圖13和圖14。

圖10 沉井拖帶路線

表2 拖船參數(shù)

5 結 語

拖帶是一項很復雜的作業(yè)，受天氣、拖帶設備和操作人員熟練程度等外界因素的影響較大。拖帶的關鍵是合理地完成整個拖帶過程，在任何情況下都不能使纜繩斷裂。因此，本文結合此次沉井出塢和浮運拖帶作業(yè)的特點，對沉井出塢和浮運拖帶作業(yè)方案關鍵技術進行了研究。大型沉井拖帶作業(yè)較為復雜，需在拖帶之前制訂合理的拖航方案，妥善處理拖帶過程中可能遇到的各種情況，以保證拖帶作業(yè)的安全性。本文的研究可供后續(xù)類似拖帶作業(yè)的開展參考，以盡可能地避免安全事故發(fā)生。