南昌红谷隧道管段浮运过程风险节点数值模拟及分析

邓小新， 刘惠康， 张玉成， 管　蕾， 黄　珂

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌　330000； 2. 广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州　510000； 3. 广东省水利水电科学研究院， 广东 广州 510610；4. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳　471009)



南昌红谷隧道管段浮运过程风险节点数值模拟及分析

邓小新1， 刘惠康2,*， 张玉成3， 管蕾4， 黄珂1

(1. 南昌市政公用投资控股有限责任公司， 江西 南昌330000； 2. 广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州510000； 3. 广东省水利水电科学研究院， 广东 广州 510610；4. 中铁隧道集团有限公司， 河南 洛阳471009)

红谷隧道是目前国内第一座在流速大、水位落差大的江河中部用沉管法修建的隧道，浮运施工难度大。为确保管段及邻近建筑物在浮运过程中的安全，需要对管段浮运过程中的风险节点进行分析。采用数值模拟的方法对管段浮运过程中各风险节点的管段所受水流力进行分析，计算软件采用Fluent，计算模型基于RNGκ-ε紊流模型，管段上的水流阻力可通过计算软件直接提取。根据数值模拟结果，结合浮运施工方案中设备拖航能力，对浮运施工方案提出建议，其中管段浮运出坞流速要求低于0.6 m/s，管段浮运出坞后转体流速要求低于0.8 m/s，管段浮运过南昌大桥流速要求低于1.0 m/s；而原施工方案中回旋区转体存在风险，经优化方案后，新回旋区流速能满足管段转体与系泊要求。

红谷沉管隧道； 管段浮运； 水流力； 数值模拟

0　引言

由于隧道沉管法在技术上具有独特的优势，因而在国内外水底隧道工程中得到了广泛应用[1]，尤其是在大型海底隧道工程中，成为了首要选择的施工方法[2]。

预制管段浮运到现场并沉放安装的整个施工过程分为5个工况： 管段起浮、出坞与浮运、管段沉放与水下对接和基础构筑及覆土。其中，隧道管段的出坞与浮运、沉放定位与水下对接是沉管隧道施工中的关键阶段，是沉管隧道施工过程中的一项重要技术[3-4]。

确定管段在浮运过程中受到的流体阻力是选择合适浮运方案的第1步，确定管段的水动力特征可以让施工方清楚需要的管段浮运动力的量级，进一步确定浮运设备的参数，从而确定浮运方案[5]。

管段在浮运过程中受到的阻力包括绕流阻力和兴波阻力[6]，前者与雷诺数有关，后者与傅汝德数有关。由于浮运速度较低，一般在0.6 m/s以下，傅汝德数仅在0～0.05，兴波阻力很小，在总阻力中占的比例非常小，可以忽略，主要考虑绕流阻力的作用。

管段在浮运过程中受到的阻力一般采用经验公式或试验确定。按照《港口工程荷载规范》[7]，水流力的计算公式为

式中： F为水流力； Cw为水阻力系数； ρ为水密度； A为迎流面积； v为流速。该式的关键是确定水阻力系数Cw的大小，然而该系数取值区间较大，且受水面宽度、水深、管段断面形式及水流流态等因素影响，取值难度大[8-9]。试验方式主要是模型试验或者数值模拟。在模型试验方面，依附于珠江隧道工程，在华南理工大学和中山大学进行的管段浮运、沉放模型试验以及依托于上海外环隧道工程，在上海交通大学进行的管段沉放模型试验[10]为类似工程提供了宝贵的试验资料。在数值模拟方面，ZHANGDexin等[11]对沉管管段在水面浮运及沉放过程进行了数值模拟；蒋龙皎[12]通过数值模拟的方法模拟隧道沉管在浅水航道中浮运时的阻力情况；林金雄等[13]采用数值模拟的方法研究了复杂水流情况下管段的浮运阻力特性。但以往的管段浮运研究大多集中在理想条件下的浮运，边界条件较为简单，而对复杂情况，如周边控制性建筑物较多、流向与管段存在夹角以及水文条件复杂等情况下的研究还不够深入，因此有必要对其进行更深入的研究。

本文结合南昌红谷隧道浮运施工中的实际情况，采用数值模拟方法，对隧道管段浮运过程中存在的关键风险节点进行分析，计算分析过程考虑了干坞、桥墩、防撞箱、基槽等周边环境与建筑物对水流流场的影响。计算结果可为南昌红谷隧道浮运工程的成功实施提供技术支持。

1　工程概况

南昌红谷隧道位于南昌大桥、八一大桥之间，连接红谷滩新区与东岸老城区。隧道主线全长约2 650m，过江段长1 329m。隧道采用沉管法施工，过江段由12节沉管组成，是目前国际上第一座在流速大、水位落差大的江河中部用沉管法修建的隧道。

管段最长达115m、宽30m、高8.3m。管段从上游干坞浮运至隧址，先后需经过生米、朝阳和南昌3座大桥，最终在隧址附近进行回旋转体后沉放，浮运线路见图1。

根据设计水文资料，赣江水位变化大、水流比较复杂，管段浮运不仅距离远，而且浮运航线与桥梁、围堰等控制性建筑物净空小，面临碰撞等风险。红谷隧道管段浮运工程是目前国内难度较大的管段浮运工程之一。

2　管段浮运过程中的重难点

本工程浮运航道由干坞至隧址总长8 313 m，需要对管段过坞口至主航道段、南昌大桥桥墩段、隧址回旋区段浮运的管段姿态控制进行分析研究，选择合适的施工方案以确保工程施工安全。

1)干坞内河水流速很小，而沉管管段出坞后，管段出坞部分受水流压力影响，内外受力不平衡容易造成出坞过程中管段拖航失稳问题，出坞过程见图2。

图2　沉管浮运出坞示意图

2)在沉管管段出坞后、过生米大桥前，需对管段转体，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，转体过程见图3。在转体过程中，迎流面积从最大变到最小，该过程受力较复杂，需合理安排拖船布置。

3)当管段浮运过南昌大桥时，桥墩净跨仅81.8 m，扣除防撞箱宽度，浮运航道净宽只有63.4 m，富裕宽度只有33.4 m，拖船在侧向可操作空间小，管段浮运姿态控制要求高，并且该处实测水流流向与拖运方向不一致，存在侧向水流力，需提供足够的侧向抗力，见图4。

4)管段在隧址处需进行转体掉头，该处浮运航道离东岸围堰最近点仅15 m，调头区离东岸围堰最近点仅25 m，拖轮在如此小的范围内难以进行管段的旋转掉头作业。另外，东岸围堰施工与江心洲的存在缩短了河道宽度，使得该处水流流速迅速增加，水流也变得复杂，且管段在调头区内必然会出现纵断面迎流的情况，存在风险，见图5。

(b) 平行水流方向

图4　沉管浮运过南昌大桥示意图(单位： mm)

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

图5　沉管在隧址回旋区转体示意图

3　沉管浮运过程数值模拟

对管段浮运过程进行CFD数值模拟分析，分析模型采用RNGκ-ε紊流模型[9-10]，计算软件采用Fluent计算流体力学数值模拟软件。

3.1管段浮运出坞过程

管段预制场地位于生米大桥南侧东岸滩地，设置2个分体式独立干坞，整个坞门口宽度为123 m。结合实际施工过程，制定出以下计算工况： 出坞1/2、出坞3/4和完全出坞，见表1。

表1　管段浮运出坞过程计算工况一览表

图6—9为上游流速为0.6 m/s、计算水位20 m、出坞3/4的计算模型和计算结果。

图6　出坞3/4计算模型

图7　出坞3/4水位16 m平面流速分布云图(单位： m/s)

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

图8　出坞3/4水位16 m平面水压力分布云图(单位： Pa)

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

图9　出坞3/4管段各面水压力分布云图(单位： Pa)

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

由图7可以看出，管段外沿流速较大，而管段背水面附近流速较小，越靠近管段流速越小，这是因为管段对水流产生黏滞作用所致。由图8和图9可以看出，管段迎水面水压力最大，尚未出干坞部分水压力较小，管段背水面水压力较小。

通过提取管段沿水流方向受力情况，得到各工况下的水流力结果，见表2。

表2　管段出坞过程水流力汇总

浮运出坞施工方案为采用坞内布置绞车及坞口外布置工程船配合的方式进行。当管段即将出坞时，管段尾端尚未与拖轮连接，管段尾端仍采用一台绞车抵抗水流力，若在流速为0.6 m/s情况下浮运，在接近出坞时数值模拟结果为293 kN，绞车需承担水流力为146.5 kN，几乎达到了绞车的极限，存在一定的风险。

3.2管段出坞后转体过程

在沉管管段出坞后、过生米大桥前，需对管段90°转体，从横断面迎流变为纵断面迎流，数值模拟工况见表3。

表3　管段出坞后转体过程计算工况一览表

图10—12为转体45°、流速0.6 m/s、计算水位20 m情况下的计算结果。

通过提取管段沿水流方向的受力情况，得到各工况下的水流力结果，见表4。

图10　转体45°、水位16 m平面流速分布云图(单位： m/s)

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

图11　转体45°、水位16 m平面水压力分布云图(单位： Pa)

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

图12　转体45°管段各面水压力分布云图(单位： Pa)

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

表4　管段转体过程管段水流力汇总

从作用在沉管管段上水流力的数值模拟结果可以看出，随着沉管转体角度越来越大，迎流面面积不断变化，且沉管面与水流方向成一定夹角，故水流力也在不断变化。数值模拟结果显示，在尚未转体时管段所受水流力最大，而转体90°后管段所受水流力最小。

转体时使用5艘4 000 HP拖轮(500 kN拖力)，其中4艘用于正常拖运时拖头拖尾，1艘用于正常拖运时备用，经与数值模拟结果比较，设备拖航能力能满足流速在0.8 m/s以下的浮运要求。

3.3管段浮运过南昌大桥过程

为防止管段浮运碰撞桥墩后产生严重影响，南昌大桥桥墩采取加设防撞浮箱的形式以增强桥墩的防撞性能，保证桥体不受到损害的同时也保障了管段的安全。通过现场实测，该处水流方向与管段浮运方向不平行，存在20°左右的夹角，即存在横向水流作用，并且南昌大桥桥墩及防撞浮箱的存在会对水流产生扰动，对管段横向受力产生一定影响，从而把管段推向防撞浮箱。

结合实际浮运情况，数值模拟工况见表5。

表5管段浮运过南昌大桥过程计算工况一览表

Table 5Calculation conditions when tunnel segment passing through Nanchang Bridge

项目 计算工况 施工阶段未过桥、过桥1/2、完全过桥流速/(m/s)0.6、1.0、1.2,1.4水位/m14流向流向取与航道轴线20°

图13—16为过桥1/2、流速0.6 m/s、计算水位14 m情况下的计算模型与计算结果。

通过提取管段沿水流方向的受力情况，得到各工况下的水流力结果，见表6。

图13　过桥1/2计算模型

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

图14　过桥1/2、水位12 m平面流速分布云图(单位： 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)

图15　过桥1/2、水位12 m平面水压力分布云图(单位： Pa)

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

图16　过桥1/2管段各面水压力分布云图(单位： 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)

从数值模拟结果可以看出，由于西侧受与航道不平行的流向影响，水压力较大，而东侧存在负水压力，两者共同影响形成横向水流力，水流力合力主要集中在管段尾部。

表6　管段浮运过南昌大桥过程水流力汇总

沉管浮运过南昌大桥前采用2艘工程船代替原来的2艘拖轮于沉管尾部拖尾，以抵抗纵向水流力，而原有拖轮则用于对管段进行顶推以抵抗横向水流力，拖运方案见图17。

图17　沉管浮运过南昌大桥示意图(单位： m)

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

结合实际施工方案与数值模拟结果，由于横向水流力主要集中在管段尾部，而位于管段尾部能利用来抵抗横向水流力的拖船仅有1艘，所能提供的抗力为500 kN，而计算流速在1.0 m/s时的横向水流力为347 kN，1.2 m/s时为500 kN，为保证施工安全，浮运过南昌大桥时建议在流速1.0 m/s或以下。

3.4管段在回旋区转体过程

隧道沉管在回旋区转体是整个浮运过程中较危险的情况，主要原因如下：

1)由于江心洲及东岸围堰施工的原因，缩短了河道宽度，必将引起河流流速增大；

2)管段在转体过程中必然会出现纵断面迎流的情况，此时水流力很大；

3)实测基槽处水流流向回旋区，且流速高达1.35 m/s，2个方向的水流在回旋区交汇，使得该处的流速十分复杂。

本节根据已有实测流速流量数据及施工方案，对管段在回旋区转体进行分析。计算模型考虑东侧围堰及基槽影响，计算水位取16 m，考虑完全转体为最危险工况，基本为纵断面迎流，模型水流入口有2个。一个为东汊主航道，该处流速取南昌大桥桥墩附近实测流速0.49 m/s；另一个入口为江心洲基槽，该处取实测流速1.35 m/s。管段转体过程计算模型见图18，计算结果见图19—21。

图18　管段转体过程计算模型

图19　管段转体过程流速矢量图(单位： m/s)

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

图20　管段转体过程管段附近流速矢量图(单位： m/s)

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

从数值模拟结果可以看出，江心洲上游流速较小，而江心洲下游流速很大，实际施工时应尽量避免靠近江心洲下游。基槽开挖深度较大，河床凹下去，该处的流速降低很多，不过水流流过基槽后流速立即增加。从管段所受水压力情况可以看出，由于管段此时为横断面迎流，因此水压力主要集中在迎流横断面上；管段靠近江心洲部分，由于该处流速较大，在背面产生负压力，两者共同作用使得管段自身产生顺时针转动趋势。该工况下水流力计算合力为722 kN，计算结果显示原施工方案存在风险。依据现场实测及计算结果，设计、施工单位调整施工方案，在东岸围堰上游江心洲位置将河道拓宽，以降低水流速度，并把回旋区移至新开挖区，使管段于该处进行转体并系泊。

图21　管段转体过程管段各面水压力分布云图(单位： Pa)

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

图22为采用MIKE流体计算软件对新疏浚河道的流场计算结果。计算结果显示，新回旋区水流流速比原回旋区流速明显降低，基本能满足管段转体与系泊要求。

图22　MIKE软件计算结果(单位： m/s)

4　结论与建议

结合管段浮运施工方案，采用Fluent和MIKE数值模拟软件，对南昌红谷隧道管段浮运过程中的关键风险控制点进行分析，计算分析了管段在不同工况下的受力特性，得到以下结论。

1)红谷隧道管段浮运路线复杂，浮运难度大，其中管段浮运出坞、出坞后转体、浮运过南昌大桥以及回旋区转体为浮运过程的风险节点。

2)管段在流速大于0.6 m/s浮运出坞时，管段尾端绞车不一定能提供足够动力抵抗水流力，存在一定风险。

3)浮运方案能满足流速0.8 m/s以下的管段出坞后转体的要求。

4)受水流流向与浮运方向不平行影响，管段浮运过南昌大桥时存在横向水流力，计算结果显示横向水流力集中在管段尾部，为保证桥墩安全，需在1 m/s情况下浮运。

5)对于管段在回旋区转体，数值模拟结果显示原施工方案存在风险。采用增加开挖江心洲拓宽河道方案后，新回旋区流速能满足管段转体与系泊要求。

本文对红谷隧道管段浮运过程中的风险节点进行了数值模拟及分析，由于建模困难，数值模拟过程中对部分边界条件进行了简化，造成有部分因素考虑不足，如拖轮拖航时对流场的影响、疏浚后航道对流场的影响等，还需更进一步研究。

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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

邓小新(1977—)，男，江西九江人，2008年毕业于西北工业大学，土木工程专业,本科，高级工程师，现从事工程项目管理工作。E-mail: 896329997@qq.com。*通讯作者： 刘惠康， E-mail： 616075123@qq.com。

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

U 455.46

B

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