沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究.pdf

第 卷第 期 年 月水 道 港 口 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目()作者简介:贺维国()男四川简阳人教授主要从事隧道与地下工程研究:.:().沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究贺维国张金凤周华贵李 潇张庆河(.西南交通大学 土木工程学院成都.中铁隧道勘测设计院有限公司天津.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室天津)摘 要:为研究钢筋混凝土沉管管节在浮态浇筑系泊施工时的稳定性与安全性对管节建立了仿真模型并应用势流理论和水动力分析软件 进行了模拟 研究设置两期浇筑模型及 种系泊方案模拟计算施工的不同阶段在风 浪 流荷载耦合作用下、潮位变化时管节在 个自由度上的运动响应和缆绳张力 结果表明:在浮态浇筑施工中位移与摇动主要发生在平行于流速方向的纵荡、平行于风向的横荡和以流速方向为轴的艏摇纵荡的震荡幅度最大 拟定 种系泊方案中采用六点系泊法的方案三与方案四在模型运动响应中表现较佳其中包含 条缆绳的方案四可以显著降低管节的运动幅值施工后期缆绳张力分布更加均匀未超过安全张力范围符合工程安全要求是最佳系缆方式关键词:浮态浇筑系泊分析沉管隧道管节风 浪 流荷载中图分类号:.文献标识码:文章编号:()随着城市化进程推进经济活动对于江河两岸连通的需求愈加迫切隧道是经济、环保、通行能力大的解决方案已有 多年的发展历史 修建水下隧道有多种施工方法和结构形式钻爆法、全断面掘进机法、沉管法与围堰法是常用的建设方法 其中沉管法由于顶面覆盖层厚度要求低也可零覆盖或凸出河床面坡降损失小造价低已成为最经济合理的水下穿越方案适用于地下水层为沉积或冲击土层时的软土地质沉管隧道作为连接水体两端陆上交通的隧道型交通运输载体其建造过程中需在场地干坞内或大型驳船上预制钢筋混凝土管节或全钢管节分别浮运到指定的水域沉放 沉管隧道的施工中包含管段起浮、出坞与浮运、管段沉放与水下对接等重要技术管节的浮运与沉放阶段对水文条件具有较高的要求在一些工程实例中受限于施工区域的通航条件起浮出坞阶段受到水深不足等因素的影响需要将管节浇筑分阶段进行即在坞内进行一期浇筑拖运至施工区域附近系泊作业进行二期浇筑后实施沉放 近年来已有许多学者开展沉管隧道施工安全等方面的理论和试验研究当前国内外的研究与工程实例多为在坞内预制完成沉管浇筑拖航至施工水域后进行沉放等待与管节沉放而对于钢筋混凝土沉管管节浮态浇筑的研究相对较为缺乏 陈灿等通过制备钢壳沉管自密实混凝土进行大断面模型试验利用钢壳的浮力实现水上浮态浇筑 浮态浇筑期间需将沉管隧道进行系泊锚定通过系泊让管节从拖航的自由状态重新回到受到缆绳的约束状态 彭泽宇等运用有限元方法仿真研究了复杂海况下布缆方式对沉管隧道管段运动响应的影响提出较为合理的布缆方案 与沉放等待锚定不同的是沉管隧道的浮态二次浇筑需系泊在码头进行 对于码头系泊问题周宏康等通过物理模型试验和流体动力分析软件 对浮式储存再气化装置()的码头系泊 自由度的运动响应和系泊缆张力进行了模拟研究 汪舟红等运用 系泊软件模拟 万 级石化码头对比缆绳材质、长度、预张力条件以实现减小环境荷载作用 年 月贺维国等 沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究下船舶运动量均衡缆绳张力分布 这些研究可为码头系泊的浮态浇筑研究提供参考针对需要浮态二次浇筑的工程以广州市城市快捷路二期(东沙石岗隧道)工程为例由于出坞吃水深度限制工程需采用二次浇筑的方案 浇筑一期在坞内完成除天窗外其他部分管节结构将一期管节拖航运输至工程区域系泊锚定并进行二次浇筑 本研究以减小风 浪 流环境荷载作用下系泊管节的运动量以及均衡各缆绳的张力分布为优化目标基于水动力分析软件 对潮位变化下沉管隧道管节在浮态浇筑系泊施工中的稳定性与安全性进行了模拟分析为沉管隧道管节浮态二次浇筑的施工设计提供了参考 数值模型构建.研究方法及理论基础 是一套水动力分析软件其数值求解方法为边界元法可以用于多种结构流体动力学特性评估以及相关分析 在 的不断发展和应用中得到了广泛认可 本研究采用 进行计算通过浮体静力学、刚体运动学分别解决浮体刚度问题、环境荷载下的浮体运动响应问题基于三维势流理论、缆索动力学计算结构波浪荷载及系泊状态下缆绳动力响应运用 模块计算沉管管节的基本水动力参数如静水刚度、附加质量阻尼等并得到规则波中管节的动力响应 时域求解则通过 模块基于平均湿表面分析管节在环境荷载下的运动响应及系泊缆的响应状态假定沉管管节周围流体为无粘性、不可压缩并且运动是无旋的理想流体管节周围的流体速度可表示为管节摇荡速度势的梯度摇荡速度势为 ()()式中:表示实部 为入射波浪频率 为时间 为与时间变量无关的空间复数速度势空间速度势 包含入射波势、辐射势和绕射势()()()()()有限水深下入射波浪的单位入射波势为()()()()式中:为波数 为水深 为入射波浪传播方向与 轴正向的夹角流动的基本方程为关于速度势的线性拉普拉斯方程根据三维线性势流理论空间速度势 在整个流场内的拉普拉斯方程为()()自由表面条件 ()式中:/为深水波数 为重力加速度物面条件为 ()式中:和表示物体某 个运动模态的运动幅值和广义法向分量有限水深下水底条件为()()在三维线性势流理论的基础上使用频域方法计算管件的运动响应 波浪频率 为自变量管件运动响应为变量的频率响应函数运动方程的频域表达式为 ()()()()()()()()水 道 港 口第 卷第 期式中:为质量矩阵()为频域中 时的附加质量矩阵()()为频域里的阻尼系数矩阵为静恢复力矩阵()为波频运动其中 表 管节主尺度参数表.结构一期浇筑沉管 二期浇筑沉管总长/.型深/.型宽/.体积/.吃水/.纵向转动惯量/().横向转动惯量/().垂向转动惯量/().模型构建首先按照工程实际结构尺寸利用 软件建立管节的数值实体模型并求得惯性参数再在 中建立壳体模型对壳体表面进行网格划分和后续分析 根据隧道工程设计资料管节主尺度参数如表 所示.模型方法验证为验证模型建立和模拟方法的合理性与可靠性对罗红星建立的半潜式平台系泊系统物理模型试验进行了验证计算 利用 软件建立模型通过 计算半潜式平台在规则波下的响应幅值算子 对比生存载况下 浪向角时 仿真计算和模型白噪声及规则波试验的结果如图 所示 (纵荡)(横荡)(垂荡)(纵摇)(横摇)(艏摇)图 响应幅值算子 仿真与试验结果对比.由对比结果可知半潜式平台的 数值计算与模型试验在规则波中的运动响应幅值算子可以较好地吻合验证了建模与计算方法的合理性和可靠性 沉管隧道管节系泊模型设置.码头系泊布置计算模型中码头为平直顺岸码头全长为 约为.倍管件长宽度为 管件与码头的系泊布置间距为 低潮位时选取水深为 的计算域码头面距离水面的高度为.高潮位时选取水深为 的计算域码头面距离水面的高度为.流速方向为自右向左平行于码头 缆绳选取直径为 的钢丝绳破断荷载为 用于泊缆时安全系数取 初始张力为 为满足沉管管节浮态浇筑需求参考沉管法隧道施工与质量验收规范中沉管寄放采用四点系泊系统 年 月贺维国等 沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究定位的要求设置 个系缆方案方案一为四点系锚在码头与水中分别设置 个锚点通过钢丝绳连接管节如图 所示方案二在方案一的基础上增加 条缆绳如图 所示方案三为六点系锚在方案一的基础上增加 个水中锚点每个锚点通过 条缆绳连接到管节上如图 所示方案四为六点系锚在方案三的基础上增加 条缆绳如图 所示 方案一 方案二 方案三 方案四图 系锚方案.表 主要环境参数.类型单位数值风风速/()流流速/()浪波高/.周期/.潮差/.环境荷载根据城市快捷路二期(东沙石岗隧道)涉珠江后航道工程防洪评价报告、城市快捷路二期(东沙石岗隧道)(土建 标)实施性施工组织设计等工程现场环境资料按照浮态浇筑施工期间允许的最不利工况给出系泊系统所受风、浪、流荷载的具体参数如表 所示 浮态浇筑系泊时域分析建立沉管管节与码头浇筑一期、二期的三维模型设置质量、重心位置、转动惯量等模型参数和环境参数并划分网格其中最大网格尺度为.共计 个节点添加静水刚度、附加阻尼和附加质量进行频域计算分析根据频域计算结果分别在高潮位与低潮位下对一期与二期模型的两种系泊方案进行时域分析计算码头系泊 (步长.共 步)内的运动响应和系缆绳张力 其中用、分别指代系泊方案一、二、三、四、分别指代一期、二期浇筑模型、分别指代高潮位、中等潮位和低潮位如 即采用系泊方案一的一期浇筑模型处于高潮位.运动响应.一期浇筑模型运动响应对一期浇筑模型按照表 施加现场最大环境荷载以初始重心位置作为参考点分别计算高、中、低 种不同潮位下采用 种系泊方案时管件在 个自由度方向上的运动响应 根据一期浇筑模型运动响应计算结果管节在不同潮位时各方案下各自由度的运动响应结果如图 图 所示 (纵荡)(横荡)(垂荡)水 道 港 口第 卷第 期 (纵摇)(横摇)(艏摇)图 低潮位时一期浇筑模型运动响应.(纵荡)(横荡)(垂荡)(纵摇)(横摇)(艏摇)图 中潮位时一期浇筑模型运动响应.(纵荡)(横荡)(垂荡)年 月贺维国等 沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究 (纵摇)(横摇)(艏摇)图 高潮位时一期浇筑模型运动响应.根据模型运动响应结果统计最大运动幅值和运动后期 阶段的振荡幅值如表 所示表 不同潮位时一期浇筑模型的运动幅值.潮位方案纵荡/振幅/横荡/振幅/垂荡/振幅/纵摇/()振幅/()横摇/()振幅/()艏摇/()低潮位一.二.三.四.中潮位一.二.三.四.高潮位一.二.三.四.在低潮位下系泊方案二实际提供张力的缆绳与方案四一致故方案二与方案四运动响应一致 在风 浪 流的作用下管节在纵荡方向位移较大方案一至方案四纵荡最大位移分别为.、.、.、.其中方案二、四运动后期的震荡幅度最小 在横荡方向上各方案相近均为 左右 沉管管节在垂荡方向上运动幅度小各方案位移、震荡幅度相近 在管节摇动方面纵摇、横摇方向上各方案幅值相近且均较小 艏摇方向上方案一、三的摇动极值分别为.、.运动后期震荡幅度更小方案二、四的摇动极值约为.综上在低潮位下系泊方案二、四在纵荡与艏摇方向的运动响应优于方案一、三方案一在纵荡方向位移最大方案三在各方向的震荡幅值最大在中潮位下方案二与方案四在纵荡方向上的位移均为.方案一的位移达.在各方案中最大 方案一的横荡位移达.其余方案的横荡位移趋近在.左右小幅振荡 沉管管节在垂荡、纵摇和横摇方向上各方案的运动幅度均较小 艏摇方向上方案二与方案四的运动响应趋于一致在各方案中幅度最小方案一的运动幅值最大 综上在中潮位下系泊方案二、四较优在高潮位下各方向的运动幅值相对较小 纵荡方向上方案一的位移幅度达.其余方案位移幅度较小 在横荡方向上方案二震荡幅度可达.其余方案振荡幅度较小其中方案三的位移最小沉管管节在垂荡、纵摇和横摇方向上各方案的运动幅度均较小 艏摇方向上方案一较其余方案更为显著综上高潮位下沉管管节在方案一下位移最大方案二下振荡较显著方案三、四运动响应结果较佳在 个自由度中纵荡位移影响最大横荡次之 在现场环境参数下应对风、浪、流荷载及潮位变化时一期浇筑模型采用系泊方案一时运动极值较大采用方案二时振幅较大选择方案三或方案四时沉管管节的运动幅值更小在浮态浇筑施工初期可以更好地限制管节运动增加施工稳定性水 道 港 口第 卷第 期.二期浇筑模型运动响应对二期浇筑模型按照表 施加现场最大环境荷载以初始重心位置作为参考点分别计算不同潮位下采用 种系泊方案时管件在 个自由度方向上的运动响应 据二期浇筑模型运动响应计算结果管节在不同潮位时各方案下各自由度的最大运动幅值和运动 阶段的振荡幅值如表 所示表 不同潮位时二期浇筑模型的运动幅值.潮位方案纵荡/振幅/横荡/振幅/垂荡/振幅/纵摇/()振幅/()横摇/()振幅/()艏摇/()低潮位一.二.三.四.中潮位一.二.三.四.高潮位一.二.三.四.在低潮位时系泊方案一的纵荡幅值及方案二的横荡幅值最大方案二的纵荡幅值及方案三的横荡幅值最小 管节摇动幅值较小其中艏摇方向相对显著方案二的艏摇幅值最低 各方向运动后期的振荡幅值均较小在中潮位时纵荡与横荡方向的运动较为显著其中方案一的纵荡幅值和振幅分别达到了.和.显著大于其他方案且横荡幅值和振幅在各方案中最大方案二与方案四运动幅值较小沉管管节在高潮位时各个方向的运动极值和振幅小于中、低潮位 其中方案一在纵荡与艏摇方向的运动显著高于其他方案方案二的横荡振幅相对显著方案三、四在各方向上的运动及振幅较小在 个自由度中纵荡位移影响最大横荡次之 在应对风、浪、流荷载及潮位变化时二期浇筑模型采用方案一时纵荡极值和振荡幅值过大采用方案三或方案四时管节的运动响应幅值更小在浮态浇筑施工后期可以更好地限制管节运动增加系泊安全性.系缆绳张力浮态浇筑系泊施工要求系缆绳可以在潮位变化和浇筑施工进度变化下保证安全通过 时域分析计算 种系泊方案在不同潮位下每条系缆绳的张力 在风 浪 流的耦合作用下固定沉管管节的缆绳产生较大张力若张力的最大值超过安全限制则可能存在缆绳断裂的风险 根据缆绳材料参数、工程规范与施工惯例系缆绳的断破张力为 安全系数为 最大安全张力为.沉管管节一期浇筑模型缆绳张力最大值如表 所示 由表 可见一期浇筑完成后沉管管节锚固于码头进行二期浮态浇筑的初期不同潮位下各系泊方案的每条缆绳最大张力均未超过缆绳的安全限制 由于给定工况流向平行于码头风向垂直向岸采用方案一的管节模型 号缆绳松弛在不同潮位下受力缆绳均为 号、号、号缆绳受到风力与流力同时作用 号缆绳张力最大高潮位下最大张力为 .方案二下高潮位时 条缆绳均张紧受力低潮位时则仅有 条缆绳受力其余缆绳松弛其中最大张力出现在高潮位时的 号缆绳为 .方案三在高潮位下有 号 条缆绳受力低潮位时仅有 条缆绳受力其中最大张力出现在高潮位时的 号缆绳为 .方案四在高潮位时有 条缆绳受力低潮位时仅有 条缆绳受力其中最大张力出现在低潮位时的 号缆绳为 .沉管管节二期浇筑模型的缆绳张力最大值如表 所示 由表 可见沉管管节锚固于码头进行浮态浇筑的末期方案一、二与方案三存在超过安全张力范围的最大张力值其中方案一在中等潮位下 条缆绳张力均超过安全张力方案二在中等潮位下 号、号、号缆绳超过安全张力方案三在中等潮位下 号和 号缆绳超过安全张力 方案四各缆绳的张力均符合安全要求最大张力值出现于中等潮位下的 号缆绳为 年 月贺维国等 沉管隧道管节浮态浇筑系泊数值模拟研究 表 一期系缆绳张力.表 二期系缆绳张力.结论工程所在区域水位随潮水变化作用于各系泊缆上的张力也随之变化缆绳张紧的数量和拉伸长度有所不同因而从浇筑模型运动响应的结果图上看不同潮位时的运动过程曲线差别较大 在浮态浇筑施工中位移与摇动主要发生在平行于流速方向的纵荡、平行于风向的横荡和以流速方向为轴的艏摇纵荡的震荡幅度最大 其中方案一运动幅度过大方案二振荡范围较大方案三与方案四在一期和二期浇筑管节系泊系统模型的运动响应中表现较佳一期浇筑管件模型各方案的缆绳张力均符合安全范围二期浇筑末期方案一、方案二与方案三中存在部分缆绳在中等潮位时显著超出最大安全张力 综上拟定 种系泊方案中采用 条缆绳的方案四符合工程安全要求为最佳系缆方式为了进一步分析和研究沉管隧道管节浮态浇筑施工过程中系泊系统的安全性需要在实验室港池内开展物理模型试验当前已同步进行坞内混凝土配合比初步试验、坞内混凝土配合比初步试验、浮态浇筑管节缩尺模型试验方案设计本研究基于水动力分析软件 对潮位变化下沉管隧道管节在浮态浇筑系泊施工中的稳定性与安全性进行了模拟分析为沉管隧道管节浮态二次浇筑的施工设计及优化系泊提供了参考 当前研究工作所水 道 港 口第 卷第 期设环境荷载和系泊方案有限后续研究中将结合数值仿真模拟与物理模型试验设置更为丰富的环境参数与施工阶段进行验证和优化模拟参考文献:.:.:.():.张志刚刘洪洲.公路沉管隧道的发展及其关键技术.隧道建设():.():.管敏鑫.沉管隧道在越江工程中的地位以及有关的新认识.现代隧道技术():.():.():.林巍 刘凌锋 林鸣.沉管隧道的设计.水道港口 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