南昌紅谷隧道管段浮運過程風(fēng)險節(jié)點數(shù)值模擬及分析

鄧小新， 劉惠康， 張玉成， 管　蕾， 黃　珂

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌　330000； 2. 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州　510000； 3. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610；4. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽　471009)

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南昌紅谷隧道管段浮運過程風(fēng)險節(jié)點數(shù)值模擬及分析

鄧小新1， 劉惠康2,*， 張玉成3， 管蕾4， 黃珂1

(1. 南昌市政公用投資控股有限責(zé)任公司， 江西 南昌330000； 2. 廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州510000； 3. 廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510610；4. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽471009)

紅谷隧道是目前國內(nèi)第一座在流速大、水位落差大的江河中部用沉管法修建的隧道，浮運施工難度大。為確保管段及鄰近建筑物在浮運過程中的安全，需要對管段浮運過程中的風(fēng)險節(jié)點進行分析。采用數(shù)值模擬的方法對管段浮運過程中各風(fēng)險節(jié)點的管段所受水流力進行分析，計算軟件采用Fluent，計算模型基于RNGκ-ε紊流模型，管段上的水流阻力可通過計算軟件直接提取。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合浮運施工方案中設(shè)備拖航能力，對浮運施工方案提出建議，其中管段浮運出塢流速要求低于0.6 m/s，管段浮運出塢后轉(zhuǎn)體流速要求低于0.8 m/s，管段浮運過南昌大橋流速要求低于1.0 m/s；而原施工方案中回旋區(qū)轉(zhuǎn)體存在風(fēng)險，經(jīng)優(yōu)化方案后，新回旋區(qū)流速能滿足管段轉(zhuǎn)體與系泊要求。

紅谷沉管隧道； 管段浮運； 水流力； 數(shù)值模擬

0　引言

由于隧道沉管法在技術(shù)上具有獨特的優(yōu)勢，因而在國內(nèi)外水底隧道工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]，尤其是在大型海底隧道工程中，成為了首要選擇的施工方法[2]。

預(yù)制管段浮運到現(xiàn)場并沉放安裝的整個施工過程分為5個工況： 管段起浮、出塢與浮運、管段沉放與水下對接和基礎(chǔ)構(gòu)筑及覆土。其中，隧道管段的出塢與浮運、沉放定位與水下對接是沉管隧道施工中的關(guān)鍵階段，是沉管隧道施工過程中的一項重要技術(shù)[3-4]。

確定管段在浮運過程中受到的流體阻力是選擇合適浮運方案的第1步，確定管段的水動力特征可以讓施工方清楚需要的管段浮運動力的量級，進一步確定浮運設(shè)備的參數(shù)，從而確定浮運方案[5]。

管段在浮運過程中受到的阻力包括繞流阻力和興波阻力[6]，前者與雷諾數(shù)有關(guān)，后者與傅汝德數(shù)有關(guān)。由于浮運速度較低，一般在0.6 m/s以下，傅汝德數(shù)僅在0～0.05，興波阻力很小，在總阻力中占的比例非常小，可以忽略，主要考慮繞流阻力的作用。

管段在浮運過程中受到的阻力一般采用經(jīng)驗公式或試驗確定。按照《港口工程荷載規(guī)范》[7]，水流力的計算公式為

式中： F為水流力； Cw為水阻力系數(shù)； ρ為水密度； A為迎流面積； v為流速。該式的關(guān)鍵是確定水阻力系數(shù)Cw的大小，然而該系數(shù)取值區(qū)間較大，且受水面寬度、水深、管段斷面形式及水流流態(tài)等因素影響，取值難度大[8-9]。試驗方式主要是模型試驗或者數(shù)值模擬。在模型試驗方面，依附于珠江隧道工程，在華南理工大學(xué)和中山大學(xué)進行的管段浮運、沉放模型試驗以及依托于上海外環(huán)隧道工程，在上海交通大學(xué)進行的管段沉放模型試驗[10]為類似工程提供了寶貴的試驗資料。在數(shù)值模擬方面，ZHANGDexin等[11]對沉管管段在水面浮運及沉放過程進行了數(shù)值模擬；蔣龍皎[12]通過數(shù)值模擬的方法模擬隧道沉管在淺水航道中浮運時的阻力情況；林金雄等[13]采用數(shù)值模擬的方法研究了復(fù)雜水流情況下管段的浮運阻力特性。但以往的管段浮運研究大多集中在理想條件下的浮運，邊界條件較為簡單，而對復(fù)雜情況，如周邊控制性建筑物較多、流向與管段存在夾角以及水文條件復(fù)雜等情況下的研究還不夠深入，因此有必要對其進行更深入的研究。

本文結(jié)合南昌紅谷隧道浮運施工中的實際情況，采用數(shù)值模擬方法，對隧道管段浮運過程中存在的關(guān)鍵風(fēng)險節(jié)點進行分析，計算分析過程考慮了干塢、橋墩、防撞箱、基槽等周邊環(huán)境與建筑物對水流流場的影響。計算結(jié)果可為南昌紅谷隧道浮運工程的成功實施提供技術(shù)支持。

1　工程概況

南昌紅谷隧道位于南昌大橋、八一大橋之間，連接紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)。隧道主線全長約2 650m，過江段長1 329m。隧道采用沉管法施工，過江段由12節(jié)沉管組成，是目前國際上第一座在流速大、水位落差大的江河中部用沉管法修建的隧道。

管段最長達115m、寬30m、高8.3m。管段從上游干塢浮運至隧址，先后需經(jīng)過生米、朝陽和南昌3座大橋，最終在隧址附近進行回旋轉(zhuǎn)體后沉放，浮運線路見圖1。

根據(jù)設(shè)計水文資料，贛江水位變化大、水流比較復(fù)雜，管段浮運不僅距離遠，而且浮運航線與橋梁、圍堰等控制性建筑物凈空小，面臨碰撞等風(fēng)險。紅谷隧道管段浮運工程是目前國內(nèi)難度較大的管段浮運工程之一。

2　管段浮運過程中的重難點

本工程浮運航道由干塢至隧址總長8 313 m，需要對管段過塢口至主航道段、南昌大橋橋墩段、隧址回旋區(qū)段浮運的管段姿態(tài)控制進行分析研究，選擇合適的施工方案以確保工程施工安全。

1)干塢內(nèi)河水流速很小，而沉管管段出塢后，管段出塢部分受水流壓力影響，內(nèi)外受力不平衡容易造成出塢過程中管段拖航失穩(wěn)問題，出塢過程見圖2。

圖2　沉管浮運出塢示意圖

2)在沉管管段出塢后、過生米大橋前，需對管段轉(zhuǎn)體，把垂直水流方向的管段沿逆水流方向拖行至平行水流方向，轉(zhuǎn)體過程見圖3。在轉(zhuǎn)體過程中，迎流面積從最大變到最小，該過程受力較復(fù)雜，需合理安排拖船布置。

3)當管段浮運過南昌大橋時，橋墩凈跨僅81.8 m，扣除防撞箱寬度，浮運航道凈寬只有63.4 m，富裕寬度只有33.4 m，拖船在側(cè)向可操作空間小，管段浮運姿態(tài)控制要求高，并且該處實測水流流向與拖運方向不一致，存在側(cè)向水流力，需提供足夠的側(cè)向抗力，見圖4。

4)管段在隧址處需進行轉(zhuǎn)體掉頭，該處浮運航道離東岸圍堰最近點僅15 m，調(diào)頭區(qū)離東岸圍堰最近點僅25 m，拖輪在如此小的范圍內(nèi)難以進行管段的旋轉(zhuǎn)掉頭作業(yè)。另外，東岸圍堰施工與江心洲的存在縮短了河道寬度，使得該處水流流速迅速增加，水流也變得復(fù)雜，且管段在調(diào)頭區(qū)內(nèi)必然會出現(xiàn)縱斷面迎流的情況，存在風(fēng)險，見圖5。

(b) 平行水流方向

圖4　沉管浮運過南昌大橋示意圖(單位： mm)

Fig. 4Sketch diagram of tunnel segment passing through Nanchang Bridge (mm)

圖5　沉管在隧址回旋區(qū)轉(zhuǎn)體示意圖

3　沉管浮運過程數(shù)值模擬

對管段浮運過程進行CFD數(shù)值模擬分析，分析模型采用RNGκ-ε紊流模型[9-10]，計算軟件采用Fluent計算流體力學(xué)數(shù)值模擬軟件。

3.1管段浮運出塢過程

管段預(yù)制場地位于生米大橋南側(cè)東岸灘地，設(shè)置2個分體式獨立干塢，整個塢門口寬度為123 m。結(jié)合實際施工過程，制定出以下計算工況： 出塢1/2、出塢3/4和完全出塢，見表1。

表1　管段浮運出塢過程計算工況一覽表

圖6—9為上游流速為0.6 m/s、計算水位20 m、出塢3/4的計算模型和計算結(jié)果。

圖6　出塢3/4計算模型

圖7　出塢3/4水位16 m平面流速分布云圖(單位： m/s)

Fig. 7 Nephogram of plane follow velocities at water level of 16 m and tunnel segment undocking about 3/4 (m/s)

圖8　出塢3/4水位16 m平面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 8Nephogram of plane water pressures at water level of 16 m and tunnel segment undocking about 3/4 (Pa)

圖9　出塢3/4管段各面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 9Nephogram of water pressures on tunnel segment when tunnel segment undocking about 3/4 (Pa)

由圖7可以看出，管段外沿流速較大，而管段背水面附近流速較小，越靠近管段流速越小，這是因為管段對水流產(chǎn)生黏滯作用所致。由圖8和圖9可以看出，管段迎水面水壓力最大，尚未出干塢部分水壓力較小，管段背水面水壓力較小。

通過提取管段沿水流方向受力情況，得到各工況下的水流力結(jié)果，見表2。

表2　管段出塢過程水流力匯總

浮運出塢施工方案為采用塢內(nèi)布置絞車及塢口外布置工程船配合的方式進行。當管段即將出塢時，管段尾端尚未與拖輪連接，管段尾端仍采用一臺絞車抵抗水流力，若在流速為0.6 m/s情況下浮運，在接近出塢時數(shù)值模擬結(jié)果為293 kN，絞車需承擔(dān)水流力為146.5 kN，幾乎達到了絞車的極限，存在一定的風(fēng)險。

3.2管段出塢后轉(zhuǎn)體過程

在沉管管段出塢后、過生米大橋前，需對管段90°轉(zhuǎn)體，從橫斷面迎流變?yōu)榭v斷面迎流，數(shù)值模擬工況見表3。

表3　管段出塢后轉(zhuǎn)體過程計算工況一覽表

圖10—12為轉(zhuǎn)體45°、流速0.6 m/s、計算水位20 m情況下的計算結(jié)果。

通過提取管段沿水流方向的受力情況，得到各工況下的水流力結(jié)果，見表4。

圖10　轉(zhuǎn)體45°、水位16 m平面流速分布云圖(單位： m/s)

Fig. 10Nephogram of plane flow velocities at water level of 16 m and tunnel segment turning about 45° (m/s)

圖11　轉(zhuǎn)體45°、水位16 m平面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 11Nephogram of plane water pressures at water level of 16 m and tunnel segment turning about 45° (Pa)

圖12　轉(zhuǎn)體45°管段各面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 12Nephogram of water pressures on tunnel segment when tunnel segment turning about 45° (Pa)

表4　管段轉(zhuǎn)體過程管段水流力匯總

從作用在沉管管段上水流力的數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，隨著沉管轉(zhuǎn)體角度越來越大，迎流面面積不斷變化，且沉管面與水流方向成一定夾角，故水流力也在不斷變化。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在尚未轉(zhuǎn)體時管段所受水流力最大，而轉(zhuǎn)體90°后管段所受水流力最小。

轉(zhuǎn)體時使用5艘4 000 HP拖輪(500 kN拖力)，其中4艘用于正常拖運時拖頭拖尾，1艘用于正常拖運時備用，經(jīng)與數(shù)值模擬結(jié)果比較，設(shè)備拖航能力能滿足流速在0.8 m/s以下的浮運要求。

3.3管段浮運過南昌大橋過程

為防止管段浮運碰撞橋墩后產(chǎn)生嚴重影響，南昌大橋橋墩采取加設(shè)防撞浮箱的形式以增強橋墩的防撞性能，保證橋體不受到損害的同時也保障了管段的安全。通過現(xiàn)場實測，該處水流方向與管段浮運方向不平行，存在20°左右的夾角，即存在橫向水流作用，并且南昌大橋橋墩及防撞浮箱的存在會對水流產(chǎn)生擾動，對管段橫向受力產(chǎn)生一定影響，從而把管段推向防撞浮箱。

結(jié)合實際浮運情況，數(shù)值模擬工況見表5。

表5管段浮運過南昌大橋過程計算工況一覽表

Table 5Calculation conditions when tunnel segment passing through Nanchang Bridge

項目 計算工況 施工階段未過橋、過橋1/2、完全過橋流速/(m/s)0.6、1.0、1.2,1.4水位/m14流向流向取與航道軸線20°

圖13—16為過橋1/2、流速0.6 m/s、計算水位14 m情況下的計算模型與計算結(jié)果。

通過提取管段沿水流方向的受力情況，得到各工況下的水流力結(jié)果，見表6。

圖13　過橋1/2計算模型

Fig. 13Calculation model when tunnel segment passes Nanchang Bridge for about 1/2

圖14　過橋1/2、水位12 m平面流速分布云圖(單位： m/s)

Fig. 14Nephogram of plane flow velocities at water level of 12 m and tunnel segment passes Nanchang Bridge for about 1/2 (m/s)

圖15　過橋1/2、水位12 m平面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 15Nephogram of plane water pressures at water level of 12 m and tunnel segment passes Nanchang Bridge for about 1/2 (Pa)

圖16　過橋1/2管段各面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 16Nephogram of water pressures on tunnel segment at water level of 12 m and tunnel segment passes Nanchang Bridge for about 1/2 (Pa)

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，由于西側(cè)受與航道不平行的流向影響，水壓力較大，而東側(cè)存在負水壓力，兩者共同影響形成橫向水流力，水流力合力主要集中在管段尾部。

表6　管段浮運過南昌大橋過程水流力匯總

沉管浮運過南昌大橋前采用2艘工程船代替原來的2艘拖輪于沉管尾部拖尾，以抵抗縱向水流力，而原有拖輪則用于對管段進行頂推以抵抗橫向水流力，拖運方案見圖17。

圖17　沉管浮運過南昌大橋示意圖(單位： m)

Fig. 17Sketch diagram of tunnel segement passing through Nanchang Bridge (m)

結(jié)合實際施工方案與數(shù)值模擬結(jié)果，由于橫向水流力主要集中在管段尾部，而位于管段尾部能利用來抵抗橫向水流力的拖船僅有1艘，所能提供的抗力為500 kN，而計算流速在1.0 m/s時的橫向水流力為347 kN，1.2 m/s時為500 kN，為保證施工安全，浮運過南昌大橋時建議在流速1.0 m/s或以下。

3.4管段在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體過程

隧道沉管在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體是整個浮運過程中較危險的情況，主要原因如下：

1)由于江心洲及東岸圍堰施工的原因，縮短了河道寬度，必將引起河流流速增大；

2)管段在轉(zhuǎn)體過程中必然會出現(xiàn)縱斷面迎流的情況，此時水流力很大；

3)實測基槽處水流流向回旋區(qū)，且流速高達1.35 m/s，2個方向的水流在回旋區(qū)交匯，使得該處的流速十分復(fù)雜。

本節(jié)根據(jù)已有實測流速流量數(shù)據(jù)及施工方案，對管段在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體進行分析。計算模型考慮東側(cè)圍堰及基槽影響，計算水位取16 m，考慮完全轉(zhuǎn)體為最危險工況，基本為縱斷面迎流，模型水流入口有2個。一個為東汊主航道，該處流速取南昌大橋橋墩附近實測流速0.49 m/s；另一個入口為江心洲基槽，該處取實測流速1.35 m/s。管段轉(zhuǎn)體過程計算模型見圖18，計算結(jié)果見圖19—21。

圖18　管段轉(zhuǎn)體過程計算模型

圖19　管段轉(zhuǎn)體過程流速矢量圖(單位： m/s)

Fig. 19Flow velocity vectogram of tunnel segment turning (m/s)

圖20　管段轉(zhuǎn)體過程管段附近流速矢量圖(單位： m/s)

Fig. 20Flow velocity vectogram of tunnel segment surrounding during turning (m/s)

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，江心洲上游流速較小，而江心洲下游流速很大，實際施工時應(yīng)盡量避免靠近江心洲下游。基槽開挖深度較大，河床凹下去，該處的流速降低很多，不過水流流過基槽后流速立即增加。從管段所受水壓力情況可以看出，由于管段此時為橫斷面迎流，因此水壓力主要集中在迎流橫斷面上；管段靠近江心洲部分，由于該處流速較大，在背面產(chǎn)生負壓力，兩者共同作用使得管段自身產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動趨勢。該工況下水流力計算合力為722 kN，計算結(jié)果顯示原施工方案存在風(fēng)險。依據(jù)現(xiàn)場實測及計算結(jié)果，設(shè)計、施工單位調(diào)整施工方案，在東岸圍堰上游江心洲位置將河道拓寬，以降低水流速度，并把回旋區(qū)移至新開挖區(qū)，使管段于該處進行轉(zhuǎn)體并系泊。

圖21　管段轉(zhuǎn)體過程管段各面水壓力分布云圖(單位： Pa)

Fig. 21Nephogram of water pressures on tunnel segment during tunnel segment turning (Pa)

圖22為采用MIKE流體計算軟件對新疏浚河道的流場計算結(jié)果。計算結(jié)果顯示，新回旋區(qū)水流流速比原回旋區(qū)流速明顯降低，基本能滿足管段轉(zhuǎn)體與系泊要求。

圖22　MIKE軟件計算結(jié)果(單位： m/s)

4　結(jié)論與建議

結(jié)合管段浮運施工方案，采用Fluent和MIKE數(shù)值模擬軟件，對南昌紅谷隧道管段浮運過程中的關(guān)鍵風(fēng)險控制點進行分析，計算分析了管段在不同工況下的受力特性，得到以下結(jié)論。

1)紅谷隧道管段浮運路線復(fù)雜，浮運難度大，其中管段浮運出塢、出塢后轉(zhuǎn)體、浮運過南昌大橋以及回旋區(qū)轉(zhuǎn)體為浮運過程的風(fēng)險節(jié)點。

2)管段在流速大于0.6 m/s浮運出塢時，管段尾端絞車不一定能提供足夠動力抵抗水流力，存在一定風(fēng)險。

3)浮運方案能滿足流速0.8 m/s以下的管段出塢后轉(zhuǎn)體的要求。

4)受水流流向與浮運方向不平行影響，管段浮運過南昌大橋時存在橫向水流力，計算結(jié)果顯示橫向水流力集中在管段尾部，為保證橋墩安全，需在1 m/s情況下浮運。

5)對于管段在回旋區(qū)轉(zhuǎn)體，數(shù)值模擬結(jié)果顯示原施工方案存在風(fēng)險。采用增加開挖江心洲拓寬河道方案后，新回旋區(qū)流速能滿足管段轉(zhuǎn)體與系泊要求。

本文對紅谷隧道管段浮運過程中的風(fēng)險節(jié)點進行了數(shù)值模擬及分析，由于建模困難，數(shù)值模擬過程中對部分邊界條件進行了簡化，造成有部分因素考慮不足，如拖輪拖航時對流場的影響、疏浚后航道對流場的影響等，還需更進一步研究。

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Numerical Simulation of Risk Nodes in Segment Floating Transportation of Honggu Tunnel in Nanchang

DENG Xiaoxin1, LIU Huikang2, *, ZHANG Yucheng3, GUAN Lei4, HUANG Ke1

(1.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,Jiangxi,China; 2.GuangzhouMetroDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.,Guangzhou510000,Guangdong,China; 3.GuangdongResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower,Guangzhou510610,Guangdong,China; 4.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

Honggu Tunnel is the first immersed tunnel in river with large flow velocity and large water level drop.The tunnel segment floating transportation is difficult. The risk nodes in segment floating transportation of the tunnel are analyzed so as to guarantee the safety of the segment and surrounding buildings. The water resistances on segment at every risk node are numerically simulated; the calculation software Fluent is adopted; and the calculation model is based on RNGκ-εmodel.Some suggestions are proposed as follows: 1) The segment undocking should be carried out under the flow velocity of less than 0.6 m/s. 2) The segment turning should be carried out under the flow velocity of less than 0.8 m/s. 3) The segment passing through Nanchang Bridge should be carried out under the flow velocity of less than 1.0 m/s. 4) The optimized segment turning scheme of river course widening can meet the requirements of segment turning and anchoring.

Honggu Immersed Tunnel; tunnel segment floating transportation; water resistance; numerical simulation

2016-05-18;

2016-08-15

鄧小新(1977—)，男，江西九江人，2008年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，土木工程專業(yè),本科，高級工程師，現(xiàn)從事工程項目管理工作。E-mail: 896329997@qq.com。*通訊作者： 劉惠康， E-mail： 616075123@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.005

U 455.46

B

1672-741X(2016)09-1052-08