沉管隧道管节拖航水阻力研究

附表中交一航局第二工程有限公司科学技术进步奖申请表内容摘要：沉管隧道建设的日益增多，尤其是外海超长沉管隧道的规模越来越大、建设条件也变得更加复杂。到目前为止，国内外已成功建造了100多座沉管隧道，沉管隧道施工工艺已经趋向成熟。其中沉管浮运过程中最重要的理论计算是水流力，为了探究超大型沉管隧道在浮运过程中水阻力、浮运拖力和沉管拖航速度的关系，以港珠澳大桥沉管隧道工程为契机，通过开展沉管模型实验和原型拖航试验探究了管节浮运时水流阻力系数的取值。为后续超大型沉管隧道，包括在建的深中通道沉管隧道、大连湾跨海工程沉管隧道等提供有利的科学依据。港珠澳大桥沉管段总长5664m，采用节段式柔性管节结构，共33节，其中曲线段管节6节，半径5500m，标准管节长180m，由8节长22.5m、宽37.95m、高11.4m的管段组成，重约8万吨。沉管浮运航道总长约12公里，基槽内浮运最大距离约3公里，浮运线路相对较长。沉管在海中拖运时的体积达到76000m3。在施工筹备阶段计划采用4艘拖轮进行拖航。施工准备期间进行了拖航试验，结论是需要6艘拖轮。第一次实施拖航作业时，实际的拖航编队用了8艘拖轮，尽管有了这个“冗余”的考虑，管节与船队在拖运途中不进反退了700~800m。这说明了管节与船队受到的实际阻力与物模试验的存在差异。工程连续安装近30个沉管时，沉管浮运操作协同进入佳境，项目部利用这一时机，进行了5次实体管节拖航的实验，观测管节的速度以及相应的拖航阻力。试验区域在榕树头航道北段和一次横移区进行试验，位置如下：出运航道三与演练区域示意图试验在一次横移区进行，一次横移区试验路径如下：试验路线示意图通过试验发现管节在受限航道拖运，拖力增加，速度增大。但是到达了一定的程度，即便拖力继续增大，速度的增加趋势变缓。并将该观测数据与前期的1:40物理模型试验进行了对比，发现物理模型试验结果对拖运速度的估计偏大，也即估计的水阻力偏小，可能原因是边界条件的差异，也可能是尺寸效应的影响。主要研究成果：以港珠澳大桥岛隧工程为依托，深入研究了外海受限航道内超大型沉管浮运过程中水阻力对拖航的影响，主要研究成果如下：（1）通过理论分析、模拟试验及现场验证，首次揭示了外海超大型沉管隧道浮运拖航过程中水阻力、拖轮拖力与沉管航速的关系，从而计算出沉管浮运过程中横向、纵向水阻力系数，为后续同类型的超大型浮运过程中水流力计算提供科学依据。（2）首次通过沉管原型拖航实测数据来与数模、物模实验数据来对比研究，从而修正模型实验结果，得出较为科学可靠的水阻力系数，可在类似的跨海通道建设中得到推广应用。应用情况：（或鉴定评价、结论）沉管隧道拖航水阻力研究在港珠澳大桥沉管隧道浮运中得到了充分验证，通过原型拖航试验发现，一开始管节运动速度随着拖力的增加而增加，但是到了某个临界值，管节几乎不再加速，尽管又施加了更大的拖力（通过增加拖轮或增加拖轮发动机的转速或两者兼施）。这说明沉管管节向前移动时，管节前方的大块质量的水体需要给管节让路，因而需要在短时间内迁徙到其它的地方；当拖运航道较狭窄（即留给水的空间有限）水颗粒的迁徙需要较多的时间，这就决定了管节的前进速度，相对而言拖力的大小对管节前进速度的影响略小。原尺寸沉管拖航试验的结果与前期的小尺寸的物理模型试验的结果，存在巨大差异，因此该技术研究首次将沉管原型拖航实测数据来与数模、物模实验数据来对比研究，从而修正模型实验结果，得出较为科学可靠的水阻力系数，为后续同类型的超大型浮运过程中水流力计算提供科学依据。随着深中通道、大连湾沉管隧道等陆续启动，本项目技术成果的应用前景广阔且将产生更加可观的后续经济效益。同时，随着我国跨海通道工程建设逐步迈向更宽海域和国际工程总承包业务的不断拓展，本项目技术成果具有更为广阔的应用前景和更具价值的经济效益、社会效益、环境效益。项目负责人（签字）本单位推荐意见沉管隧道拖航水阻力研究在港珠澳大桥沉管隧道浮运中得到了充分验证，对降低施工安全风险、加快施工进度、提高建设质量、降低工程造价等发挥了特别显著的支撑作用。沉管拖航水阻力研究所形成的关键技术以及数据可在类似的跨海通道建设中推广应用。外海超大型沉管隧道拖航水阻力技术研究可以极大地推动沉管隧道浮运安装技术进步，可为国内外长大沉管隧道浮运过程中拖轮配置提供数据支撑，提升了我国在“一带一路”国家战略实施中大型海洋工程建设的国际竞争力。随着深中通道、大连湾沉管隧道等陆续启动，本项目技术成果的应用前景广阔且将产生更加可观的后续经济效益。同时，随着我国跨海通道工程建设逐步迈向更宽海域和国际工程总承包业务的不断拓展，本项目技术成果具有更为广阔的应用前景和更具价值的经济效益。术负责人（签名）：（公司基层单位章）年月日公司审批意见：负责人（签名）：年月日项目主要完成人员序号姓名职称在本项目中所起的作用1宿发强高级工程师现场施工总指挥2刘德进教授级高工技术指导