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摘要：分析沉管隧道管节在系泊状态下受环境力作用时的运动状态及缆绳受力，可以帮助决策者选取合适的气象窗口进行施工，以保证管节安装的精确性。本文选取实际某工程中的典型管节进行数值模拟，首先在频域内给出了管节的6方向运动幅值响应算子，然后通过时域分析，给出了管节在特定环境载荷作用下的运动响应，并分析系泊系统的稳定性及安全性，为系泊系统的设计提供理论支持。
关键词：沉管隧道；AQWA；运动幅值响应算子；时域分析
Motion and mooring wire analysis for IMT unit under mooring condition
Li Wang-hui Guangzhou Salvage， Guangzhou 510260， China
Abstract： Motion and mooring wire analysis for IMT unit under mooring condition can help decider to choose suitable weather window for construction. The safety and accuracy for unit installation rely on the stability of the unit during mooring. This article simulative analyze a typical unit in certain project and give RAOs of the unit. Then through time domain analysis to the unit combining with wave and current， the motion response and tension on mooring wire has been analyzed.
Keywords： immersed tube tunnel； AQWA； RAOs； time domain analysis
0 简介
沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水下隧道建设的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封门密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底基槽内。
管节系泊在海面上受环境力影响会产生与浮式结构类似的6自由度运动即：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇与艏摇。
在实际的施工过程中，为保证管节安装过程中的安全可靠，通常需要指定适合的气象窗口来进行施工作业，因此对系泊状态下管节受环境力作用产生的运动响应及锚缆受力分析就尤为关键。
本文通过基于三维势流理论的水动力软件AQWA对某工程中的典型管节进行运动响应和锚缆受力分析，为管节锚泊系统的设计提供指导性意见。
1.沉管管节系泊系统及环境条件
1.1沉管参数及水动力模型
本文选取的典型管节尺寸为L×B×H = 156m×17.91m×8.058m，其截面尺寸见图2：
1.2 海洋环境条件
选用JONSWAP谱模拟不规则波。并假定水流不随深度变化而取某一平均水流速度。由于沉管管节系泊状态下受风面积很小，可忽略风载对管节的作用。根据施工现场的实际海况，选取以下参数作为系泊系统的设计值：
1.3系泊系统布置
选用大直径高强度钢丝绳作为系泊缆，4条缆绳对称布置，顶端预张力200kN。在海底预安装4个重力式锚块作为系泊点。其具体布置如下图所示。
2 水动力分析
水动力分析主要计算管节在规则波中的运动响应和受力及相关水动力学参数，如附加质量、附加阻尼、波浪力和运动响应传递函数（RAOs） ，为后续的时域耦合分析提供数据基础。
图6给出了管节平动状态下的附加质量，从图中可以看出，由于管节的垂向面积大于横向面积，横向面积大于纵向面积，因而管节垂荡附加质量最大，纵荡附加质量最小。在高频处附加质量比较稳定，在0.6 rad /s -1.2 rad /s 频率之间，即在常见的波浪周期内，附加质量波动较大。
从图7可以判断管节运动性能的特点，管节在高频区域内（ ω ≥ 1.0 rad /s） 运动性能表现良好，响应幅值很小；横荡和横摇随频率的增加而明显减小；垂荡在ω = 0.8 rad /s出现峰值，之后随频率的增加而迅速减小。
3 时域耦合分析
考虑浪、流同方向作用，这种情况下管节所受的环境力最大。同时考虑作业水域的实际情况，环境力作用方向为垂直管节长度（0o）。为分析沉管管节的运动响应及系泊缆受力情况，在时域内求解总体运动方程，并且考虑系泊缆与管节是完全耦合的。
图8给出了管节在设计环境载荷下的运动响应值。
从上图可以看出，在设计的系泊方案下，管节的纵荡最为明显，横荡其次，而垂荡得到了很好的控制。三个方向的摇晃角度均很小，说明该系泊方式可以有效地控制管节的摇晃。
上图的数据显示设计的系泊方案可以给管节提供足够的稳定性。在现有系泊缆的布置下，管节各个方向的运动均得到了很好的控制。
中可以看出，在迎浪/流向的缆绳受力略大于背浪/流向的缆绳，不过都还在所选缆绳的许用范围之内，说明现有的系泊设计是合理有效的。
结论
本文方法能够得到合理的响应结果，可用于系泊系统的初步设计。
管节在波浪高频区域内运动性能表现良好，响应幅值很小，横摇与横荡是管节在高频区域的主要运动响应，这是由管节的截面性质决定的，对管节6自由度RAOs的频域分析可以给管节的初步设计提供参考依据。
通过时域耦合分析管节在环境载荷作用下的运动响应及缆绳受力，可以直观地了解系泊系统的可靠性，为施工设计提供参考。
参考文献：
[1] ARCANDRA， TAHAR，KIM M H. Coupled-dynamic analysis of floating structures with polyester mooring lines[J]. Ocean Engineering， 2008， 38（ 35） ： 1676-1685.
[2] 马汝建. 任意结构形状的大型海洋结构物的附加质量[J]. 中國海洋平台， 1995， 10（2）：68-71.
[3] 戴仰山，沈进威，宋竞正. 船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社， 2007.
[4] 彭泽宇， 刘祚秋. 沉埋式海底隧道管段海上系泊水动力性能分析[J] . 水運工程， 2015， 499（1）： 37-41.
[5] 邵忠安. 沉管管段系泊状态下缆绳受力试验研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2011.
关键词：沉管隧道；AQWA；运动幅值响应算子；时域分析
Motion and mooring wire analysis for IMT unit under mooring condition
Li Wang-hui Guangzhou Salvage， Guangzhou 510260， China
Abstract： Motion and mooring wire analysis for IMT unit under mooring condition can help decider to choose suitable weather window for construction. The safety and accuracy for unit installation rely on the stability of the unit during mooring. This article simulative analyze a typical unit in certain project and give RAOs of the unit. Then through time domain analysis to the unit combining with wave and current， the motion response and tension on mooring wire has been analyzed.
Keywords： immersed tube tunnel； AQWA； RAOs； time domain analysis
0 简介
沉管法是预制管段沉放法的简称，是在水下隧道建设的一种施工方法。其施工顺序是先在船台上或干坞中制作隧道管段（用钢板和混凝土或钢筋混凝土），管段两端用临时封门密封后滑移下水（或在坞内放水），使其浮在水中，再拖运到隧道设计位置。定位后，向管段内加载，使其下沉至预先挖好的水底基槽内。
管节系泊在海面上受环境力影响会产生与浮式结构类似的6自由度运动即：横荡、纵荡、垂荡、横摇、纵摇与艏摇。
在实际的施工过程中，为保证管节安装过程中的安全可靠，通常需要指定适合的气象窗口来进行施工作业，因此对系泊状态下管节受环境力作用产生的运动响应及锚缆受力分析就尤为关键。
本文通过基于三维势流理论的水动力软件AQWA对某工程中的典型管节进行运动响应和锚缆受力分析，为管节锚泊系统的设计提供指导性意见。
1.沉管管节系泊系统及环境条件
1.1沉管参数及水动力模型
本文选取的典型管节尺寸为L×B×H = 156m×17.91m×8.058m，其截面尺寸见图2：
1.2 海洋环境条件
选用JONSWAP谱模拟不规则波。并假定水流不随深度变化而取某一平均水流速度。由于沉管管节系泊状态下受风面积很小，可忽略风载对管节的作用。根据施工现场的实际海况，选取以下参数作为系泊系统的设计值：
1.3系泊系统布置
选用大直径高强度钢丝绳作为系泊缆，4条缆绳对称布置，顶端预张力200kN。在海底预安装4个重力式锚块作为系泊点。其具体布置如下图所示。
2 水动力分析
水动力分析主要计算管节在规则波中的运动响应和受力及相关水动力学参数，如附加质量、附加阻尼、波浪力和运动响应传递函数（RAOs） ，为后续的时域耦合分析提供数据基础。
图6给出了管节平动状态下的附加质量，从图中可以看出，由于管节的垂向面积大于横向面积，横向面积大于纵向面积，因而管节垂荡附加质量最大，纵荡附加质量最小。在高频处附加质量比较稳定，在0.6 rad /s -1.2 rad /s 频率之间，即在常见的波浪周期内，附加质量波动较大。
从图7可以判断管节运动性能的特点，管节在高频区域内（ ω ≥ 1.0 rad /s） 运动性能表现良好，响应幅值很小；横荡和横摇随频率的增加而明显减小；垂荡在ω = 0.8 rad /s出现峰值，之后随频率的增加而迅速减小。
3 时域耦合分析
考虑浪、流同方向作用，这种情况下管节所受的环境力最大。同时考虑作业水域的实际情况，环境力作用方向为垂直管节长度（0o）。为分析沉管管节的运动响应及系泊缆受力情况，在时域内求解总体运动方程，并且考虑系泊缆与管节是完全耦合的。
图8给出了管节在设计环境载荷下的运动响应值。
从上图可以看出，在设计的系泊方案下，管节的纵荡最为明显，横荡其次，而垂荡得到了很好的控制。三个方向的摇晃角度均很小，说明该系泊方式可以有效地控制管节的摇晃。
上图的数据显示设计的系泊方案可以给管节提供足够的稳定性。在现有系泊缆的布置下，管节各个方向的运动均得到了很好的控制。
中可以看出，在迎浪/流向的缆绳受力略大于背浪/流向的缆绳，不过都还在所选缆绳的许用范围之内，说明现有的系泊设计是合理有效的。
结论
本文方法能够得到合理的响应结果，可用于系泊系统的初步设计。
管节在波浪高频区域内运动性能表现良好，响应幅值很小，横摇与横荡是管节在高频区域的主要运动响应，这是由管节的截面性质决定的，对管节6自由度RAOs的频域分析可以给管节的初步设计提供参考依据。
通过时域耦合分析管节在环境载荷作用下的运动响应及缆绳受力，可以直观地了解系泊系统的可靠性，为施工设计提供参考。
参考文献：
[1] ARCANDRA， TAHAR，KIM M H. Coupled-dynamic analysis of floating structures with polyester mooring lines[J]. Ocean Engineering， 2008， 38（ 35） ： 1676-1685.
[2] 马汝建. 任意结构形状的大型海洋结构物的附加质量[J]. 中國海洋平台， 1995， 10（2）：68-71.
[3] 戴仰山，沈进威，宋竞正. 船舶波浪载荷[M].北京：国防工业出版社， 2007.
[4] 彭泽宇， 刘祚秋. 沉埋式海底隧道管段海上系泊水动力性能分析[J] . 水運工程， 2015， 499（1）： 37-41.
[5] 邵忠安. 沉管管段系泊状态下缆绳受力试验研究[D]. 大连： 大连理工大学， 2011.