马亿光明，王伟智，郭志豪*，梁邦炎，陈猛，姜政遥

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510300；2.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510290）

0 引言

大型沉管的出运由于受到自然条件和施工条件的影响，很容易发生施工安全事故，造成生命财产的损失[1-2]。近年来，随着大型沉管应用越来越广泛，受施工条件及自然环境的影响，沉管运输有3种方式，即半潜驳浮运、拖轮湿拖[3]及自航式一体船拖运[4]。拖轮湿拖方案操作简单，设备常见，操作模式成熟，但是沉管暴露在外海，无保护结构，浮运风险较大；自航式一体船受吃水条件影响无法进入浅水域；半潜驳吃水较小，可以减少浮运航道疏浚量，半潜驳浮运期间进行通航警戒，对航道通航影响较小，且半潜驳浮运风险较小，浮运速度较快。对此，可考虑采用半潜驳浮运的方式，但其对于出运方式具有较高的要求。本文将依托实际工程背景，利用有限元计算方法对沉管上驳过程中的基底压力进行分析，以验证该类工艺的施工可靠性。

1 项目背景

沿江高速前海段与南坪快速衔接工程位于深圳市前海与宝安中心区、粤港澳大湾区核心区。项目路线全长约16 km，其中隧道长约13 km，是集八车道超宽海底沉管隧道、国内最大直径叠层盾构隧道、填海区多层明挖隧道、长距离水下互通、既有桥梁拆除利用等“多位一体”的综合集群工程。

其中前海段隧道采用沉管法施工，沉管经过预制场预制完成后，使用半潜驳运输至施工现场，整个过程需要经过沉管上驳、沉管运输、沉管下潜、安装驳绞移至安装区域等多个阶段。本文主要介绍沉管上驳过程中的有限元计算，其上驳示意图见图1。

图1 沉管上驳示意图Fig.1 Schematic diagram for loading an immersed tube on a barge

半潜驳停靠在上驳区域后，首先半潜驳坐底，对基床进行超载1.3倍预压，监测沉降直至收敛，此过程是为了减少沉管上驳过程中差异沉降影响。坐底预压完成后沉管开始上驳。

码头前沿半潜驳停泊水域为半潜驳坐底区域，为减小半潜驳坐底时码头基床的沉降，坐底区域的条形基础为“DCM桩+碎石垫层+混凝土垫梁（梁上设置橡胶垫）”复合地基，每个船位坐底区域布置6道条带，按船舶纵向强骨架位置对称布置6列条带，每条条带长154 m，设计地基承载力为60 t/m。具体布置如图2所示。

图2 码头前沿坐底基础布置Fig.2 Layout of foundation bed for a bed-sitting semi-submersible barge at wharf frontage

2 有限元模型

2.1 半潜驳结构建模

通常使用MSC.Patran[5]及ANSYS[6]有限元软件对半潜驳进行有限元计算，本研究采用Midas civil有限元软件分析沉管上驳过程中基底受力特性。船体结构规范中，通常都要求使用壳单元模拟板材结构，由于壳单元属性能很好地定义厚度、弯曲、横向剪切，被用来赋予船体板结构的属性[7-9]，本模型采用等效刚度原理将半潜驳等效为框架结构，如图3所示。

图3 半潜驳外部轮廓图Fig.3 Profilagraph of semi-submersible barge

2.2 条带基础模拟

由于码头前沿地基采用复合地基的形式，基底设置6条橡胶支垫垫梁，垫梁均布布置，因此需在垫梁处每个点设置节点弹性支撑。根据设计提供的复合地基变形有限元分析结果，垫梁在受到60 t/m的均布荷载作用下，其变形量为26.2 mm，并且此次模型纵向每0.5 m为1个单元，由此可总结出地基弹簧的弹簧刚度为1 145 t/m。

2.3 半潜驳智能调载系统

半潜驳通过调节压舱水的重量来调节半潜驳整体重量[7-9]，进一步调节半潜驳对基底产生基底压力的大小。沉管上驳过程中，为了使基底压力尽可能减小，压舱水的调节至关重要，若排水较少，沉管压载处仍有压舱水存在，会增大基底压力，导致基底压力超过设计值，破坏坐底基础；若排水较多，沉管未压载区域没有压舱水进行压重，可能会导致半潜驳首部起浮或半潜驳中部大范围隆起，进一步导致局部反力过大，破坏坐底基础。因此为了避免这两种情况，需要对压舱水精密调节，如图4所示。

图4 上驳过程中半潜驳典型工况调载示意图Fig.4 Load transfer diagram of semi-submersible barge in typical loading process

为了计算沉管上驳各阶段基底所承受最大压力，本次计算中使用的调载方案是在最低潮位所使用的方案，后续会根据现场潮位变化及波浪水流等因素设计智能调载系统，对压舱水进行精密调节。

在模型中使用均布荷载来实现对半潜驳压舱水的模拟，不同工况下均布荷载大小不同，来模拟沉管上驳阶段压舱水的调节情况。

3 模拟分析及主要结果

3.1 荷载工况

为了能更加精确地计算出沉管上驳对基底压力的影响，将沉管上驳情况做细致的分析，沉管坐底预压与上驳前准备划分为2个工况，沉管总长度80 m，现将沉管每上驳10 m划分1个工况，直到沉管完全上驳，沉管完全上驳后，需要在半潜驳上移动至中间位置，此阶段划分为2个工况，共12个工况。

3.2 沉管上驳基底的受力分析

3.2.1基底预压

为了消除坐底基础不均匀沉降导致坐底基础出现的局部受力集中，沉管上驳前需要半潜驳坐底进行1.3倍的超载预压，通过图5的计算结果可以看出，基底压力最大为40 t/m，呈现两边大中间小的趋势，并且条带3位置比条带1及条带2位置小，条带1及条带2位置支座反力大，此结果表明半潜驳重量分布基本准确，由此模型计算出的结果基本符合实际情况。

图5 工况1条件下各条带反力曲线图Fig.5 Reaction curves of various strips under working condition 1

3.2.2沉管上驳过程中基底压力分析

坐底预压完成后，开始进行沉管上驳工作，为了不影响沉管的上驳速率，保证沉管上驳区域下半潜驳舱室内压舱水排空，受半潜驳调载能力的影响，需要在上驳前提前进行排水工作，提前工况下，半潜驳对基底压力最小，并且沿纵向从尾部到首部逐渐增大。上驳开始后，随着上驳进行，半潜驳尾部位置基底压力逐渐增大，上驳10～40 m时半潜驳尾部坐底压力变化幅度较大，上驳10～20 m这个区间尤为明显，这是由于半潜驳尾部存在长度为5 m的斜角，导致该区域的沉管重量全部集中在半潜驳尾部坐底基础处，坐底基础受叠加影响导致基底压力进一步增大。沉管上驳40 m时（工况6）条带3部分位置基底压力为0，说明此时坐底基础沿纵向不均匀受力最明显，上驳40～80 m时，半潜驳尾部基底压力逐渐趋于稳定，逐渐接近于49 t/m，具体压力变化如图6所示。基底反力沿纵向变化很大，但整体未超过基底压力设计值，此调载方案基本满足半潜驳上驳要求。

图6 沉管上驳过程中基底压力变化曲线图Fig.6 Variation curves of pressure on foundation bed during loading of an immersed tube on barge

3.2.3沉管在半潜驳上行走基底压力分析

沉管完全上驳后，需要行走到半潜驳中间封舱加固位置进行固定，相较于沉管上驳阶段，沉管在半潜驳行走过程中基底压力较为平稳，基本稳定在35 t/m以下。这是由于沉管完全上驳后，脱离了半潜驳尾部斜角的影响，沉管重量均匀压载在半潜驳坐底基础上；半潜驳首部位置出现局部压力较大，达到40 t/m，这是由于半潜驳需要抵抗波浪荷载作用，设置较大压舱水重。条带3压力变化如图7所示。

图7 沉管在半潜驳行走时基底压力变化曲线Fig.7 Variation curves of pressure on foundation bed during the movement of an immersed tube on semi-submersible barge

4 波浪条件下沉管上驳基底的受力分析

4.1 波浪荷载

沉管上驳区域在桂山岛，受波浪影响较大，需要着重考虑波浪对上驳过程中半潜驳的影响，根据桂山岛水文气象研究报告的数据，上驳区域年最大波高为1 m，周期为6.9 s，根据JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[10]计算波浪力后以梯形荷载的形式施加在半潜驳上，由于波浪方向不同会对半潜驳产生不同影响，因此按波浪横向作用及纵向作用分别计算对基底压力的不同影响。

4.2 叠加波浪荷载计算结果

由于上驳过程中半潜驳对坐底基础影响较大，因此波浪计算的结果只展示沉管上驳过程，沉管在半潜驳行走过程不再进行分析。

波浪作用具有波动性，在波谷的影响下，半潜驳尾部处基底压力增大，如图8所示，需进一步加强半潜驳尾部处基底压力设计值；在波峰的影响下，基底压力局部减小，为避免坐底压力减小出现起浮，需要调节压舱水，调节部位视波浪方向而定，若出现纵向波峰作用，需增加半潜驳首部压舱水，若出现横向波峰作用，需增加半潜驳中部压舱水。

图8 波浪作用下各工况基底反力变化曲线Fig.8 Variation curves of reaction of foundation bed under wave actions

5 结语

本文通过对沉管上驳过程中半潜驳坐底压力的有限元分析，研究了沉管不同上驳状态坐底基础的受力情况，为后续沉管坐底上驳提供了计算参考，得到了以下结论：

1）半潜驳坐底预压时，基底压力与半潜驳自重分布相同，半潜驳两侧处基底压力大，最高达到40 t/m，中间位置较小，基本在35 t/m以下；

2）沉管上驳过程中，半潜驳尾部基底压力逐渐增大，上驳40 m之前变化幅度较大，40～80 m基底压力变化幅度较小，上驳80 m时达到最大值50 t/m；

3）沉管在半潜驳上行走时，基底压力逐渐趋于均匀，基本维持在40 t/m以下；

4）纵向波浪会影响半潜驳首部位置基底压力，从计算结果来看最大位置处基底反力维持在50 t/m以内；横向波谷使半潜驳尾部基底反力进一步增大，最大处达到55 t/m，接近基底压力设计值，但未超过基底压力设计值，因此上驳过程坐底基础整体满足设计要求。