上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運(yùn)方法

1、施工技術(shù)C ONSTRUCTI ON TECH NO LOGY 2004年5月第33卷第5期上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運(yùn)方法潘永仁(香港建設(shè)(控股有限公司,上海200120摘要管段浮運(yùn)是沉管隧道施工的重要環(huán)節(jié),本文以上海外環(huán)沉管隧道重量超過(guò)41000t 的管段浮運(yùn)為工程背景,首先介紹管段拖曳阻力的模型試驗(yàn),然后說(shuō)明拖輪配備、浮運(yùn)工藝流程及浮筒助浮措施,最后簡(jiǎn)述黃浦江航道交通管制方法。關(guān)鍵詞沉管隧道;管段浮運(yùn);航道交通管制中圖分類號(hào)U455;U49116文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)100228498(20040520052203The Floating Transport Method of Larg

2、e E lementsEmployed for Shanghai Out 2ring Immersed Tube TunnelPAN Y ong 2ren(Hong K ong Construction (Holdings Limited ,Shanghai 200120,China Abstract :The floating transport of elements is the key step in the construction of immersed tube tunnel.In this paper ,the towingof element ,weighing over 4

3、1000t ,of Shanghai Outer 2ring immersed tube tunnel are taken as an engineering background.First ,the laboratory test of m odel for determining towing force is briefed.Second ,the technique and program of element towing ,tug 2boat ar 2rangement and assistant 2floating of element through pontoons are

4、 introduced.Finally ,the method of waterway control in the Huang 2pu river during element towing is presented.K ey w ords :immersed tube tunnel ;element towing ;waterway control 收稿日期2003209223作者簡(jiǎn)介潘永仁(1965,男,浙江東陽(yáng)人,香港建設(shè)(控股有限公司上海外環(huán)隧道管段沉放項(xiàng)目部副經(jīng)理,高級(jí)工程師,博士,上海市政立路1588弄21號(hào)502室200434,電話:(02155396100上海外環(huán)隧道是城市外

5、環(huán)線跨越黃浦江下游的越江工程,距吳淞口約2km ,是上海市首次采用沉管法修建的雙向八車(chē)道的大型水底公路隧道。江中段長(zhǎng)736m ,由7個(gè)管段E1E7組成,管段寬度43m 、高度9155m 、長(zhǎng)度100108m ,最大水下埋深超過(guò)30m 。管段制作分大小兩個(gè)塢進(jìn)行,其中E7、E6管段在小塢制作,從浦東側(cè)開(kāi)始往浦西側(cè)先期進(jìn)行沉放,E1、E2、E3、E4、E5管段在大塢制作,在后期從浦西側(cè)開(kāi)始往浦東側(cè)按序進(jìn)行沉放,在E5與E6管段之間建造最終接頭。管段在各自的塢口臨時(shí)系泊區(qū)安裝沉放用測(cè)量定位塔和鋼浮箱。E7、E6管段利用岸上和工程船舶上的絞車(chē)移動(dòng)到沉放位置,E1、E2、E3、E4、E5管段從塢口臨時(shí)系

6、泊區(qū)移動(dòng)到江中沉放位置,需要拖輪浮運(yùn)和黃浦江封航。下面先介紹管段拖曳阻力的模型試驗(yàn)。1管段拖曳阻力的確定111管段拖曳阻力的模型試驗(yàn)以長(zhǎng)100m 、寬43m 、高9155m 、平均干舷0115m 的E3管段為模擬對(duì)象。考慮到黃浦江水深變化較大,試驗(yàn)中采用2個(gè)水深,即h =11m 和h =16m 。拖航速度范圍為015215kn (1kn =01515m s 。為了考察波浪對(duì)阻力的影響,對(duì)于11m 水深還進(jìn)行了在規(guī)則波中迎浪情況下的阻力試驗(yàn),實(shí)體浪高015m 。試驗(yàn)分縱拖、橫拖及斜拖30°和60°4種情況進(jìn)行,限于篇幅,表1僅給出縱拖、橫拖的試驗(yàn)結(jié)果,阻力曲線與阻力系數(shù)曲線如

7、圖1、2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可知,阻力系數(shù)隨著拖運(yùn)速度的增加而減小。015m 波浪對(duì)阻力的影響不大,在拖曳速度215kn 時(shí)波浪阻力的增加約為8%。水深對(duì)阻力有明顯的影響,11m 水深時(shí)的阻力比16m 水深時(shí)大20%以上。112管段拖曳阻力的經(jīng)驗(yàn)估算根據(jù)港口工程荷載規(guī)范J T J215298,有水流力的公式:F W =C W2V 2A(1式中:F W 水流力(kN ;V 水流相對(duì)于管段在阻水面積范圍內(nèi)的平均流速(m s ;25表1試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)工況拖曳速度kn015110115210215阻力(kN 縱拖,水深11m ,靜水1877154254426縱拖,水深11m ,波高015m 23861682

8、79449縱拖,水深16m ,靜水1568141233349橫拖,水深11m ,靜水782915629211328橫拖,水深11m ,波高015m 973296309881444橫拖,水深16m ,靜水48242465746 1095圖1 阻力曲線圖2阻力系數(shù)曲線C W 水流阻力系數(shù),根據(jù)被拖曳物體沿拖曳方向的長(zhǎng)度與迎流面的寬度的比值確定;水的密度,取1t m 3;A 拖曳物體在流向垂直平面上的投影面積(m 2。根據(jù)規(guī)范,縱拖時(shí)C W 取111,橫拖時(shí)C W 取116(根據(jù)規(guī)范值外推得到,于是在V =1kn ,管段平均干舷取0115m 時(shí),對(duì)E3管段有:縱拖時(shí)的水流阻力:F W 1=111&#

9、215;015×015152×43×9140=5910kN ;橫拖時(shí)的水流阻力:F W 2=116×015×015152×100×9140=19915kN 。113管段拖曳阻力的取定及分析經(jīng)驗(yàn)估算值與模型試驗(yàn)值的差異較大,后者更正確可靠,這是因?yàn)樗轻槍?duì)性的專門(mén)試驗(yàn),另外規(guī)范中沒(méi)有大型鈍體水流阻力的計(jì)算方法,上面的計(jì)算只是參考類似的公式估算。從圖3可知,流速、阻水面積、水深、波浪高度中的任何一項(xiàng)變化,C W 都會(huì)不同。實(shí)際應(yīng)用式(1進(jìn)行水流阻力的計(jì)算,對(duì)C W 的準(zhǔn)確取值是比較困難的。對(duì)管段拖運(yùn),只有通過(guò)模型試驗(yàn)才能準(zhǔn)確確定

10、管段的拖曳阻力。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻婀饣?而實(shí)際管段外表面是較為粗糙的混凝土,為此,以最不利工況水深11m 、波高015m 的試驗(yàn)結(jié)果提高20%作為實(shí)際施工取值。在V =1kn ,管段平均干舷取0115m 時(shí),對(duì)E 3管段有:縱拖時(shí)的水流阻力:F W 1=86×112=10312kN ;橫拖時(shí)的水流阻力:F W 2=329×112=39418kN 。2管段浮運(yùn)工藝與流程211管段浮運(yùn)的水文、氣象條件水流流速<015m s ;風(fēng)速<5m s ;波高<015m ;能見(jiàn)度>1000m 。212管段浮運(yùn)方式及拖輪配備由于管段的干舷較低,而拖輪的船舷較高,無(wú)法直接

11、傍拖,參考國(guó)外沉管隧道管段浮運(yùn)的經(jīng)驗(yàn),采用4艘全回轉(zhuǎn)大馬力拖輪吊拖的方式進(jìn)行管段浮運(yùn)。管段從B 塢塢口臨時(shí)系泊區(qū)到隧道軸線E3管段沉放位置,浮運(yùn)距離為600m ,采用先沿出塢航道縱拖200m ,然后在主航道上斜橫拖400m 的浮運(yùn)線路,浮運(yùn)速度定為1kn ,如圖3 所示。圖3E 3管段浮運(yùn)線路示意配備5艘功率為2942kW 的拖輪(其中1艘為各用,拖纜采用96mm 尼龍纜,長(zhǎng)度不小于80m 。拖輪系柱拖力為314kN 。使用4艘拖輪拖帶管段,在迎流方向上總有2艘拖輪同時(shí)發(fā)揮作用,考慮拖輪艏向與來(lái)流方向成45°角,則拖力在水流方向上的合力為:2×314kN ×cos

12、45°=444kN >F W 1、F W 2,拖輪配備可滿足拖運(yùn)要求。213管段浮運(yùn)時(shí)間及步驟管段浮運(yùn)安排在每月農(nóng)歷初10和25左右進(jìn)行,根據(jù)黃浦江河口的潮汐漲落規(guī)律,一般選擇在白天高平潮前1152h 開(kāi)始浮運(yùn),此時(shí)為漲潮,對(duì)浮運(yùn)有利。從臨時(shí)系泊區(qū)拖輪帶纜至浮運(yùn)結(jié)束拖輪撤離,一般為34h ,其中黃浦江封航2h 。352004N o.5潘永仁:上海外環(huán)沉管隧道大型管段浮運(yùn)方法 圖5E 3管段管側(cè)浮筒助浮表2潮位與流速預(yù)測(cè)值預(yù)測(cè)項(xiàng)目時(shí)間h01234567891011潮位m 211011801165115511501170210021302160218021652140流速(m s

13、014501550165016801400125-0110-0140-0145-012501100125預(yù)測(cè)項(xiàng)目時(shí)間h 121314151617181920212223潮位m 212521102100119511902120215021803110312031002175流速(m s 013501400145014501300120-0110-0140-0160-014001100130注:流速為負(fù)表示漲潮,流速為正表示落潮表2為2002年11月14日E3管段浮運(yùn)日的潮位與斷面平均流速預(yù)測(cè)值,對(duì)應(yīng)的曲線如圖4所示。07:0009:00,潮位大于213m ,出塢航道和主航道水深均超過(guò)11180m

14、 ,管底富余水深超過(guò)2140m ,且流速小于015m s 。綜合分析后決定在07:00開(kāi)始管段浮運(yùn),13:00開(kāi)始管段沉放,航道封航時(shí)間為6:308:30。浮運(yùn)步驟如下:(105:3006:00管段浮運(yùn)準(zhǔn)備,拆除管段的副系泊纜,拖輪到達(dá)現(xiàn)場(chǎng);(206:0007:00管段首端的2條拖輪就位、帶好拖纜,將岸上2臺(tái)絞車(chē)的鋼絲繩系到管段尾端的纜樁上,用于系留管段,拆除管段的主系泊纜;(307:0007:10管段在首端的2條拖輪拖帶下,沿著出塢航道向西浮運(yùn)100m ;(407:1007:20管段尾端的2條拖輪就位、帶好拖纜,沿著出塢航道繼續(xù)向西浮運(yùn)100m ;(507:2007:50將管段沿著浮運(yùn)線路斜

15、橫拖運(yùn)至隧道軸線E3沉放區(qū);( 607:5008:40連接管段東北、西北的主系泊纜,置換相應(yīng)拖輪拖纜,拖輪撤離;(708:4009:30連接管段東南、西南的主系泊纜,置換相應(yīng)拖輪拖纜,拖輪撤離;(809:3010:00連接管段的副系泊纜,調(diào)整管段位置,拖運(yùn)結(jié)束。圖42002年11月14日潮位與流速預(yù)測(cè)214航道交通管制每天進(jìn)出黃浦江的除了集裝箱班輪、國(guó)際客輪、國(guó)內(nèi)航線的貨輪外,還有大量的小型貨運(yùn)船,這些貨運(yùn)船船舷低、操縱性能差、多趁漲潮集中進(jìn)口。針對(duì)大型管段浮運(yùn),海事局制訂了周密詳細(xì)的航道交通管制方案,封航范圍從黃浦江的101燈浮到107燈浮,長(zhǎng)達(dá)5nm ile ,時(shí)間為2h ,提前3d 發(fā)封航通告。各大航運(yùn)公司根據(jù)封航通告臨時(shí)調(diào)整了航班時(shí)間。對(duì)小型貨運(yùn)船,專門(mén)在吳淞口外設(shè)置臨時(shí)錨地,供封航時(shí)臨時(shí)停泊。215管段助浮措施為了保證管段浮運(yùn)安全,要求管段浮運(yùn)時(shí)干舷大于0115m ,而實(shí)際上E1E4管段平均干舷小于0105m ,為此,采用在管段兩側(cè)