外海沉管浮運安裝作業(yè)窗口管理及工藝計劃研究

寧進進, 岳遠征

(中交一航局第二工程有限公司， 山東 青島 266071)

0 引言

沉管浮運安裝是沉管隧道施工中技術難度最高、風險最大的分項工程。為了保證施工安全，一般沉管隧道都會提出有針對性的作業(yè)窗口限制條件，像日本的川崎港隧道、臨海隧道均提出了“氣象海況基準值”作業(yè)窗口限制條件。

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道穿越珠江口、廣州深圳西部港區(qū)出海主航道，沉管段5 664 m，共有管節(jié)33個，是迄今世界上規(guī)模最大的海上沉管隧道工程。單根管節(jié)質(zhì)量為7萬8 000 t，排水量為8萬m3，是目前世界上最大的混凝土構件[1]。港珠澳大橋沉管隧道屬于外海施工，尺寸巨大，受風浪流影響比較明顯。為了降低沉管浮運安裝的風險，開創(chuàng)性地針對每個關鍵工序提出嚴格的外海、超大型沉管浮運作業(yè)窗口管理系統(tǒng)，并在窗口范圍內(nèi)結合潮位、海流情況對每管節(jié)制定詳細的浮運安裝工藝計劃，為每根沉管安裝選擇了最佳的作業(yè)時機。本文將從浮運安裝作業(yè)流程、作業(yè)窗口管理及浮運安裝工藝計劃等方面介紹港珠澳大橋沉管隧道沉管的浮運安裝作業(yè)。

1 浮運安裝作業(yè)流程簡介

管節(jié)安裝施工的主要過程包括浮運和沉放2個階段，是一個連貫的、不間斷的作業(yè)過程，其主要施工流程包括出塢、浮運、系泊、沉放及對接等。

沉管出塢是沉管浮運安裝中的首道工序，主要利用安裝駁上的絞車及岸上的卷揚機完成，出塢后在塢口區(qū)拖輪直接編隊進行浮運。沉管出塢用的設施包括安裝駁絞車、岸上卷揚機、岸上系纜柱和海上系船浮鼓等[2]。

沉管浮運是沉管由預制場轉移到安裝區(qū)的工序，管節(jié)浮運包括塢口浮運編隊、航道和基槽內(nèi)浮運及轉向區(qū)轉向等作業(yè)。浮運航道總長度約12 km，基槽內(nèi)浮運最遠距離約3 km。港珠澳大橋沉管隧道的浮運是通過10～12艘大馬力全回轉拖輪將沉管由特定的浮運航道拖運到施工現(xiàn)場。為了保證沉管浮運安全和社會船舶正常作業(yè)，港珠澳項目部開辟了3條浮運專用航道[3-4]。

沉管系泊是沉管由拖輪控制轉為錨系控制的過程，為了減少關鍵線路的系泊作業(yè)時間，浮運安裝前提前將12口HY-17大抓力錨在指定位置進行拋錨和預拉等作業(yè)，標準段管節(jié)系泊錨系包括8根系泊纜和4根安裝纜(見圖1)。管節(jié)在基槽內(nèi)縱拖至距離已沉管節(jié)尾端20～50 m位置時開始進行系泊定位作業(yè)。GPS實時監(jiān)測管節(jié)具體位置，拖輪編隊抵抗水流影響，采用多艘錨艇分2組協(xié)同同時送纜，駛至相應錨位后與安裝錨、系泊錨相連，形成管節(jié)系泊定位錨系[5]。

圖1 標準段管節(jié)錨系布置圖(單位： m)

Fig. 1 Layout of mooring anchor of a typical immersed tunnel segment (unit: m)

沉放和對接作業(yè)在沉管隧道施工中風險最大、難度最高。管節(jié)系泊等待直至沉放窗口來臨，開始沉放對接作業(yè)。利用壓載水控制管節(jié)負浮力[6]、錨碇系統(tǒng)控制管節(jié)平面位置、吊索絞車系統(tǒng)控制管節(jié)沉放速度、測控系統(tǒng)指導管節(jié)對接就位。管節(jié)落于基床后，拉合千斤頂精確測量、調(diào)整管節(jié)對接端偏差，并進行拉合使GINA初步壓縮。接合腔排水使GINA完全壓縮完成水力壓接。貫通測量確定管節(jié)軸線偏差，偏差超過設計要求時采用體內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)精調(diào)。管節(jié)安裝偏差滿足設計要求后，向壓載水箱內(nèi)灌水至1.05倍抗浮系數(shù)[6]，完成管節(jié)沉放對接。鎖定回填[7]后拆除舾裝設施，完成管節(jié)安裝。

2 作業(yè)窗口管理

2.1 施工區(qū)水文氣象條件

伶仃洋潮汐類型屬于不規(guī)則的半日混合潮。從實測潮位過程曲線分析，不等現(xiàn)象明顯，其中大潮期間日潮現(xiàn)象較明顯，小潮期間半日潮現(xiàn)象明顯，中潮介于兩者之間。漲潮的流向以偏N為主，落潮的流向多為偏S。水域汛期潮位變化見圖2。工程水域高潮位由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大，低潮位由外海向珠江口逐漸降低，潮差也有由外海向珠江口內(nèi)逐漸增大的趨勢[8]。

圖2 水域汛期潮位變化圖

根據(jù)九澳站1986—2001年波浪觀測資料統(tǒng)計，常浪向為SE、ESE和S向，出現(xiàn)頻率分別為20.024%、18.693%和16.907%；強浪向為ESE—S向；有效波高大于1 m的波出現(xiàn)頻率為4.96%。該站實測最大有效波高(Hs)為2.86 m，周期(T)為10.1 s，波向為SE向，出現(xiàn)于1989年7月18日8908號(Gordon)臺風期間。港珠澳大橋站2007年4月—2008年3月和2008年6—10月的實測資料顯示，全年常浪向為S向，出現(xiàn)頻率為17.79%，次常浪向SSW向，出現(xiàn)頻率為13.14%；強浪向為SSW向，有效波高大于0.8 m的波出現(xiàn)頻率為 2.04%。該站實測最大有效波高(Hs)為3.64 m，周期(T)為5.3 s，出現(xiàn)于2008年12號臺風“鸚鵡”期間。

工程區(qū)盛行風向以東南偏東和東風為主，但季節(jié)變化明顯。香港橫瀾島測風站一年四季的盛行風向均為東風，秋冬季主導風向為東北風，春季為東和東南偏東風，夏季主導風向扇面較寬，在西南到東風之間變化，其中以西南風為主。

按能見度小于1 000 m為標準計算，香港年平均霧日為5.9 d。多霧天氣集中于每年的1—4月，其中以3月霧日最多，平均7.3 d，6—11月極少出現(xiàn)霧日。

2.2 作業(yè)氣象窗口的確定

作業(yè)氣象窗口是指一個連續(xù)的時間段，在此期間水文、波浪及氣象條件滿足浮運安裝作業(yè)要求。日本川崎港隧道也提出了作業(yè)氣象窗口(氣象海象基準值)，但只是較為寬泛地對應全施工過程。川崎港隧道作業(yè)窗口條件見表1。

表1 川崎港隧道作業(yè)窗口限制條件表

管節(jié)浮運沉放關鍵作業(yè)(從出塢、浮運至沉放完成的施工階段)需要的作業(yè)時間為24～36 h，考慮實際施工中因各種原因可能產(chǎn)生的延誤，確定單管節(jié)安裝(浮運和沉放)周期為48～72 h，即每個管節(jié)安裝的必要作業(yè)窗口時間為2～3 d。

為了減小外部水文氣象條件對沉管浮運安裝的影響，并降低船舶、設備的建造費用，提出作業(yè)窗口的概念，即尋找能滿足目前船舶作業(yè)能力的作業(yè)窗口條件。作業(yè)限制條件主要包括對浮運安裝影響顯著的海流、波浪、風和霧等外部環(huán)境條件，其中海流力占所有外部作用力的80%～90%,是作業(yè)窗口限制條件的首要因素。

2011年開展浮運阻力模型試驗，初步確定沉管拖航過程中的水阻力系數(shù)[9]，考慮到逆流拖航時船舶操控性比較好，初步選定拖航方式為逆流拖航。按照配備拖輪的能力，暫定作業(yè)窗口條件為表層10 m，平均流速小于0.8 m/s。2011年第4季度開展大量錨抓力試驗，最終確定系泊錨系采用荷蘭的HY-17型錨[10-12]。錨的最大拉力按照1 200 kN計算，考慮纜繩角度和一定安全系數(shù)，初步確定系泊的流速限制條件為流速小于1.3 m/s。關于對接窗口的邊界條件，經(jīng)查閱國外相關資料、借鑒日本和韓國施工情況，并考慮潛水水下作業(yè)要求，初步確定沉放對接的流速限制條件為小于0.5 m/s。

通過數(shù)值分析，在港珠澳沉管的浮運和錨泊力的計算中，除水流力外還考慮波浪力的作用，在受波高Hs=0.8 m、周期Ts=6 s的波浪作用下，波浪力的取值按水流力的20%計算。

項目初期的窗口限制條件是根據(jù)前期招標文件、數(shù)學物理模型計算提供成果進行分析確定的，經(jīng)過4次浮運演練和十幾根管節(jié)的現(xiàn)場實際作業(yè)，并綜合考慮目前船舶的能力，進一步修訂、完善了作業(yè)窗口限制條件，主要修改的內(nèi)容為流速條件。修改后的作業(yè)窗口限制條件見表2。

表2 修改后的作業(yè)窗口限制條件表

港珠澳大橋處于珠江口影響范圍內(nèi)，珠江流域的降雨引起的大徑流對施工區(qū)的海流影響顯著，結合現(xiàn)場研究暫定珠江的北江、東江和西江(馬口站、三水站、博羅站)的徑流量總和不大于2萬m3的情況滿足作業(yè)條件[13-14]。

2.3 作業(yè)窗口保障系統(tǒng)

本項目委托國家海洋環(huán)境預報中心進行長期觀測數(shù)據(jù)、預報模型的分析和工程區(qū)水文氣象綜合預報保障系統(tǒng)的建立，為管節(jié)安裝提供窗口預報保障服務和決策支持。后方預報包括精細化天氣、海浪、海流的數(shù)值預報產(chǎn)品，以及針對工程區(qū)的各類常規(guī)預報產(chǎn)品?，F(xiàn)場實時監(jiān)測目的有2個： 一是校核預報系統(tǒng)模型，二是作為現(xiàn)場作業(yè)的保障。主要預報內(nèi)容如下： 1)氣象預報要素，包括天氣現(xiàn)象、風向、風速及水平能見度等； 2)海浪預報要素，包括波高、周期及波向； 3)海流預報要素，包括流速及流向； 4)潮汐預報要素，包括潮高、高低潮位及高低潮時等。

3 浮運安裝工藝計劃

水流力是沉管浮運安裝中受到的最大外力，工藝計劃的編制主要參考潮位和流速條件。陰歷的7日和23日左右是陰歷1個月中2次潮汐動力最弱的時期，也就是流速相對較小的時期，本地船長稱之為“死水期”。經(jīng)過長期的觀測，珠江口區(qū)域的7日和23日的潮汐存在一定的差異。整體而言，上半年的23日附近的窗口期優(yōu)于7日的窗口期，下半年7日的窗口期優(yōu)于23日的窗口期。

3.1 工藝計劃的初步確定

項目初期，結合大型沉箱的拖航經(jīng)驗暫定了逆流拖航的作業(yè)條件，在E1沉管拖航到“出運航道1”時由于現(xiàn)場水流力超過物理數(shù)學模型計算的情況，出現(xiàn)沉管拖不動甚至后退的情況；經(jīng)過E3現(xiàn)場實體沉管抗流試驗驗證決定將浮運作業(yè)條件暫定為順流拖航，因為桂山島預制場在施工現(xiàn)場的外海側，即是漲潮流拖航。

按照浮運的漲潮流拖航的前提條件，相應確定出塢的窗口是在低平潮、轉向和基槽浮運的作業(yè)窗口在高平潮期、系泊窗口在落潮期、沉放窗口在落潮期及對接在次高潮的漲潮期的初步作業(yè)窗口條件。

3.2 對接窗口

在E10沉管沉放過程中,遭遇世界性難題——深水深槽，經(jīng)過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)水下35 m左右、漲極時刻存在較大的流速。為了保證沉管對接安全和質(zhì)量，提出“對接窗口”概念，對接窗口包括的作業(yè)內(nèi)容為已安管節(jié)和待安管節(jié)即將接觸的時刻，即對接過程中的拉合作業(yè)期，對接作業(yè)窗口的條件為到漲極之后、流速小于0.25 m/s。

3.3 浮運安裝工藝計劃

根據(jù)浮運作業(yè)要求，潮位、潮流采用高分辨率小區(qū)域數(shù)值模式，預報結果由國家海洋環(huán)境預報中心提前1～2月提供。主要預報數(shù)據(jù)有潮位預報、流速預報，其中流速預報為分區(qū)域預報，分為塢口A點，榕樹頭航道B點，出運航路1和出運航路2交界C點，出運航路F點，3個轉向區(qū)D、E、G點以及基槽預報。預報點位見圖3。該流速預報結果誤差在±20 cm/s以內(nèi)，滿足浮運作業(yè)要求。

管節(jié)浮運、沉放作業(yè)要求的作業(yè)窗口期為48～72 h。一般情況下，每根管節(jié)需要制定首選窗口和2個備選窗口。以E12管節(jié)浮運安裝計劃為例說明詳細的浮運安裝計劃，見圖4。

圖3 流速預報點位置示意圖

圖4 E12管節(jié)浮運安裝工藝計劃圖(2015年)

Fig. 4 Process planning sketch of E12 floating transportation and installation in 2015

4 結論與討論

1)在作業(yè)氣象窗口期間，水文、波浪、氣象條件要滿足浮運安裝作業(yè)要求。

2)管節(jié)浮運、沉放關鍵作業(yè)需要的時間為24～36 h，考慮到實際施工中因各種原因可能產(chǎn)生的延誤，確定單管節(jié)安裝周期為48～72 h。

3)一般情況下，每根管節(jié)需要制定首選窗口和2個備選窗口。

港珠澳大橋沉管隧道已安全、高效地完成了33節(jié)沉管的浮運安裝作業(yè)。項目部提出的浮運安裝作業(yè)窗口管理系統(tǒng)，按照潮汐條件、結合國家海洋預報中心提供的預報數(shù)據(jù)，制定了詳細、完善的浮運安裝工藝計劃，為隧道順利竣工提供了有力保障。隨著紅谷隧道、港珠澳沉管隧道的順利實施，國內(nèi)將迎來沉管隧道施工的黃金期，希望這套浮運安裝作業(yè)窗口管理技術能給類似沉管隧道施工提供參考。

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