強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)超大型沉管浮運(yùn)安裝的影響及應(yīng)急預(yù)案

李進(jìn)，朱嶺，侯亞飛，寧進(jìn)進(jìn)

強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)超大型沉管浮運(yùn)安裝的影響及應(yīng)急預(yù)案

李進(jìn)，朱嶺，侯亞飛，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

強(qiáng)對(duì)流天氣是珠江流域夏季高發(fā)的災(zāi)害性天氣，且很難預(yù)報(bào)。如果在沉管浮運(yùn)安裝過程中遭遇強(qiáng)對(duì)流天氣，將嚴(yán)重影響沉管、船舶和作業(yè)人員的安全。港珠澳大橋島隧工程針對(duì)強(qiáng)對(duì)流可能對(duì)沉管的影響，提前準(zhǔn)備，制定有針對(duì)性的應(yīng)急措施，并在E27管節(jié)安裝中成功戰(zhàn)勝?gòu)?qiáng)對(duì)流天氣。

強(qiáng)對(duì)流；超大型沉管；浮運(yùn)；安裝；預(yù)報(bào)；應(yīng)急預(yù)案

0 引言

強(qiáng)對(duì)流天氣是珠江流域氣象災(zāi)害的主要天氣類型之一，發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣時(shí)常伴有雷雨大風(fēng)、冰雹、龍卷風(fēng)和局部強(qiáng)降雨等惡劣天氣現(xiàn)象。強(qiáng)對(duì)流天氣在氣象學(xué)上指發(fā)生在中小型尺度的天氣系統(tǒng)，空間尺度小，具有發(fā)生突然、移動(dòng)迅速、破壞力極強(qiáng)的特點(diǎn)[1-2]。由于其發(fā)生發(fā)展的突發(fā)性和局域性強(qiáng)，預(yù)報(bào)難度較大。

沉管浮運(yùn)安裝有嚴(yán)格氣象作業(yè)窗口要求，浮運(yùn)安裝中如果遭遇強(qiáng)對(duì)流天氣，將造成不可預(yù)估的后果。

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程隧道段長(zhǎng)5 664 m，共33個(gè)管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)180 m，采用2艘雙沉放泊吊扛浮運(yùn)安裝，管節(jié)及安裝船斷面詳見圖1。施工區(qū)域處于伶仃洋區(qū)域，受特殊地理環(huán)境影響，自然災(zāi)害頻繁，除了臺(tái)風(fēng)、冬季季風(fēng)對(duì)施工區(qū)影響較大之外，強(qiáng)對(duì)流天氣更是多次襲擊施工區(qū)域。

港珠澳大橋沉管浮運(yùn)安裝中遭遇多次強(qiáng)對(duì)流惡劣天氣，其中E27系泊期間遭遇強(qiáng)對(duì)流時(shí)間長(zhǎng)達(dá)80 min，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)10 min最大累計(jì)降水為13.7 mm（見表1），現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)有效波高最大為0.72 m，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速為10.41 m/s，水平能見度降低到6 km以內(nèi)，嚴(yán)重影響正常浮運(yùn)安裝作業(yè)，只能啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，暫?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

圖1 管節(jié)及安裝船斷面示意圖Fig.1Section of tunnel element and immersion barge

表1 E27安裝期間強(qiáng)對(duì)流期間降雨量統(tǒng)計(jì)表Table 1Statistics of rainfall in severe convection during installation of E27

2 強(qiáng)對(duì)流對(duì)沉管浮運(yùn)安裝的影響

強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)沉管浮運(yùn)安裝作業(yè)影響很大，主要影響包括能見度降低、瞬時(shí)大風(fēng)和強(qiáng)降雨等。

2.1 能見度降低

雷雨來(lái)臨時(shí)，烏云翻滾，雨點(diǎn)大而密集使能見度突然降低，視線模糊不清，能見度甚至只有幾米。2016年6月11日3:40—5:00強(qiáng)對(duì)流期間，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)能見度由40.71 km瞬間降低到不足6 km。

強(qiáng)降雨不僅降低能見度，還對(duì)雷達(dá)影響明顯，雷達(dá)屏幕上雜波影響巨大，很難發(fā)現(xiàn)目標(biāo)回波。目測(cè)或雷達(dá)觀察受限，船舶航行抓點(diǎn)定向的目標(biāo)很難確定，現(xiàn)場(chǎng)很難準(zhǔn)確判斷船位。

受雷達(dá)、GPS等助航設(shè)備、性能的影響，進(jìn)入雨區(qū)，船舶之間互見性變差，而且沉管浮運(yùn)拖航編隊(duì)船舶超過40艘，包括浮運(yùn)船舶和海事警戒船，且船舶距離較近，在近距離發(fā)現(xiàn)來(lái)船后，船舶控制難度大，如果采取錯(cuò)誤的避讓方法和行動(dòng)，給浮運(yùn)船隊(duì)操作帶來(lái)極大威脅，易發(fā)生船損事故。

2.2 大風(fēng)影響

雷雨時(shí)伴隨著大風(fēng)，且發(fā)展快，風(fēng)力從原來(lái)3耀5級(jí)可在短短1耀2 min之內(nèi)猛增至9級(jí)以上，其風(fēng)向與原風(fēng)向基本不一致。

沉管浮運(yùn)安裝過程中，主要受風(fēng)面是安裝船，其中風(fēng)阻力估算公式為：

Ra=0.5籽V2移CsAi伊10-3

式中：籽為空氣密度，kg/m3，按1.22 kg/m3計(jì)算；V為風(fēng)速，m/s；Ai為受風(fēng)面積，m2，按頂風(fēng)計(jì)算；Cs為受風(fēng)面積Ai的形狀系數(shù)，按照Cs=1進(jìn)行計(jì)算。

按照該公式對(duì)6～8級(jí)風(fēng)進(jìn)行風(fēng)阻力計(jì)算，其中沉管干舷按照15 cm計(jì)算，計(jì)算情況詳見表2，受大風(fēng)影響，沉管和安裝船受力增加數(shù)倍。

表2 安裝船、沉管風(fēng)阻力計(jì)算表Table 2Calculation of wind resistance of installation vessel and immersed tube

沉管非GINA端設(shè)置了人孔井和測(cè)量塔，屬于高聳結(jié)構(gòu)，最大高度接近42.2 m，測(cè)量塔為三角形鋼結(jié)構(gòu)，人孔為圓筒形式，迎風(fēng)面大，約為113 m2。

瞬時(shí)大風(fēng)將導(dǎo)致浮運(yùn)拖輪受風(fēng)橫搖加劇，船舶操控難度增大，且航道寬度僅為240 m，如果流向和風(fēng)向一致，很容易導(dǎo)致沉管偏離航道擱淺，4艘綁拖拖輪綁在安裝船上，在風(fēng)浪作用下極易造成拖輪與安裝船碰撞、拖纜斷裂等事故，嚴(yán)重威脅沉管施工作業(yè)安全。

2.3 降雨影響

強(qiáng)降雨影響船上和管上人員作業(yè)安全，大雨期間管節(jié)和船甲板容易濕滑，作業(yè)人員容易摔倒，且均為鄰水、臨邊作業(yè)，如果落水，既難以發(fā)現(xiàn)，又難以施救。

3 強(qiáng)對(duì)流處置措施

3.1 臨近預(yù)報(bào)

強(qiáng)對(duì)流天氣生命史短、生成迅速、有突發(fā)性，在所有的天氣類型中屬于最難預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)的天氣之一[3]。

國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心結(jié)合“降水率的雷達(dá)回波圖”，提前半小時(shí)預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣，為安裝團(tuán)隊(duì)提供最新數(shù)據(jù)。

3.2 能見度不足應(yīng)對(duì)措施

項(xiàng)目部設(shè)計(jì)開發(fā)的浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)，是利用一臺(tái)雙天線信標(biāo)機(jī)作為沉管定位設(shè)備，主界面實(shí)時(shí)顯示沉管信息，指揮室通過有線傳輸視頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)軟件顯示。浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)、同步采集GPS的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可以顯示出沉管、拖輪、航道的相對(duì)位置。在能見度降低時(shí)，可以利用該系統(tǒng)進(jìn)行拖輪指揮[4]。

為保證編隊(duì)在浮運(yùn)過程中的安全，海事部門進(jìn)行環(huán)繞式海事警戒船艇布置，由內(nèi)向外分別布置核心警戒組和第1～第3警戒組[5]，引導(dǎo)社會(huì)船舶與沉管編隊(duì)保持安全距離，詳見圖2。編隊(duì)使用VHF與VTS時(shí)刻與來(lái)往船舶保持聯(lián)系，隨時(shí)通報(bào)船位，按章鳴放聲號(hào)。利用視覺、聽覺等一切有效手段保持正規(guī)瞭望，開啟遠(yuǎn)近2部雷達(dá)，開啟船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）、利用多部VHF值守獲取周圍船舶信息，將瞭望情況隨時(shí)與雷達(dá)圖像進(jìn)行對(duì)照，及時(shí)判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)。如繼續(xù)航行困難或者指揮中心禁止續(xù)航時(shí)，應(yīng)及時(shí)停航等待，需指揮各拖輪密切配合控制好沉管位置，按章鳴放霧號(hào)和顯示號(hào)燈號(hào)型。

圖2 浮運(yùn)期間海事警戒船布置圖Fig.2Arrangement of maritime altering vessel in floating stage

結(jié)合同樣造成能見度降低的大霧的影響，在E14沉管浮運(yùn)期間進(jìn)行霧航（能見度受限）演練，通過VHF、VTS與海事警戒船聯(lián)動(dòng)，演練船舶碰撞、外部船舶闖入等情況。

3.3 大風(fēng)應(yīng)對(duì)措施

如果編隊(duì)受到大風(fēng)作用而發(fā)生偏航時(shí)，主拖輪應(yīng)立即減速，降低船隊(duì)的速度、暫停拖航，同時(shí)安排應(yīng)急拖輪協(xié)助穩(wěn)定船舶。

為了增加測(cè)量塔和人孔井的結(jié)構(gòu)安全性，增加測(cè)量塔和人孔井的連接件——抱箍結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件計(jì)算，增加抱箍后人孔井、測(cè)量塔頂端在各種荷載作用下變形明顯變小[6]。另外為了保證在偶然工況下人孔井上部結(jié)構(gòu)先于預(yù)埋件破壞而沉管主體結(jié)構(gòu)不受損壞，在原人孔井結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加剛度弱化節(jié)段，其高度0.5 m，壁厚18 mm，相對(duì)于其他節(jié)段，壁厚減少2 mm，以實(shí)現(xiàn)人孔井整體剛度弱化的目的。

4 E27現(xiàn)場(chǎng)處置情況

管節(jié)浮運(yùn)安裝期間E27（2016年6月11日），連續(xù)遭遇6次短時(shí)強(qiáng)對(duì)流，其中第1輪強(qiáng)對(duì)流過程（系泊期間）帶來(lái)的影響最大，風(fēng)力增強(qiáng)到4～5級(jí)，持續(xù)約0.5 h，10 min最大風(fēng)速8.1 m/s，1 min瞬時(shí)風(fēng)速最大為11.1 m/s，10 min最大累計(jì)降水達(dá)到13.7 mm，這是E1～E28安裝期間遭遇的最強(qiáng)降雨。

4.1 應(yīng)急流程

沉管浮運(yùn)安裝期間，由國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心天氣預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)工作組對(duì)即將影響施工區(qū)域的強(qiáng)對(duì)流天氣系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤、分析和預(yù)報(bào)，并將相關(guān)情況隨時(shí)報(bào)告給現(xiàn)場(chǎng)決策組。決策組根據(jù)強(qiáng)對(duì)流天氣預(yù)報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況召集浮運(yùn)安裝指揮人員研究下一步工作，并下達(dá)命令。由浮運(yùn)安裝指揮人員及時(shí)發(fā)布停止作業(yè)、原地待命或恢復(fù)作業(yè)等具體工作指令。

現(xiàn)場(chǎng)HSE負(fù)責(zé)人員和國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心現(xiàn)場(chǎng)工作組密切聯(lián)系，保持溝通，并根據(jù)最高決策組的要求及時(shí)發(fā)布強(qiáng)對(duì)流天氣等預(yù)警信息至相關(guān)船舶和班組，提醒相關(guān)船舶、班組做好人身防護(hù)、防風(fēng)浪、防暴雨、防雷電等安全工作。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急措施

為確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全，下達(dá)暫停施工指令，要求所有作業(yè)人員停止現(xiàn)場(chǎng)施工，到船艙內(nèi)避雨避風(fēng)，防止淋雨和雷擊。

浮運(yùn)指揮通過浮運(yùn)導(dǎo)航軟件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拖輪指揮，拖輪船長(zhǎng)通過船上導(dǎo)航軟件按照軟件位置進(jìn)行應(yīng)急準(zhǔn)備。浮運(yùn)指揮一方面組織綁拖拖輪進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗流，穩(wěn)住沉管，確保管節(jié)、安裝船安全；一方面通知系泊錨艇按照應(yīng)急預(yù)案就近靠泊、避免碰撞。

現(xiàn)場(chǎng)HSE通過VHF通告外圍海事警戒船暫停作業(yè)，并通報(bào)主要船舶的位置。海事警戒船通過高頻通知臨近往來(lái)船舶，一方面控制航速，一方面避免進(jìn)入沉管系泊區(qū)域。

4.3 后續(xù)計(jì)劃調(diào)整

沉管出塢、浮運(yùn)、沉放對(duì)接是一系列復(fù)雜施工工序，各流程環(huán)環(huán)相扣，每個(gè)工序都有明確時(shí)間限定，由于系泊暫停作業(yè)，后續(xù)工作將推遲?，F(xiàn)場(chǎng)指揮結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)對(duì)流情況，啟動(dòng)浮運(yùn)安裝備用計(jì)劃，科學(xué)決策將管節(jié)沉放分為兩階段進(jìn)行，這是沉管安裝以來(lái)第一次分兩個(gè)階段進(jìn)行沉放施工，嚴(yán)格按照對(duì)接窗口要求施工，有效避開了強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)浮運(yùn)安裝的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)對(duì)流天氣嚴(yán)重威脅沉管安全拖航和作業(yè)，為保證沉管在浮運(yùn)安裝過程中的安全，港珠澳大橋安裝團(tuán)隊(duì)一方面聯(lián)合國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心加強(qiáng)雷暴等強(qiáng)對(duì)流天氣的臨近分析和預(yù)警預(yù)報(bào)；一方面提前準(zhǔn)備制定預(yù)案、改進(jìn)結(jié)構(gòu)安全性，提高應(yīng)對(duì)防護(hù)能力。后續(xù)將結(jié)合沉管浮運(yùn)安裝特點(diǎn)，細(xì)化完善相關(guān)應(yīng)急預(yù)案。

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Effect of severe convection weather on ultra-large immersed tube floating installation and its contingency plan

LI Jin,ZHU Ling,HOU Ya-fei,NING Jin-jin
（No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Severe convection weather is the high incidence disastrous weather of the Pearl River in the summer,and difficult to predict.If severe convective weather in the ultra-large immersed tube floating and installation process,it will seriously affect the safety of immersed tube,sinking barge ships and workers.For the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project,we prepared in advance for severe convection,made corresponding emergency measure,and successfully overcame the severe convection in installation of E27 tunnel element.

severe convection;ultra-large immersed tube;floating;installation;forecast;contingency plan

U655.2

A

2095-7874（2017）09-0103-04

10.7640/zggwjs201709023

2017-04-08

李進(jìn)（1973—），男，山東平度人，高級(jí)工程師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：409914291@qq.com