超大型沉管防臺方式對比

寧進(jìn)進(jìn)，朱嶺，李進(jìn)

0 引言

熱帶氣旋（Tropical Cyclone，簡稱TC）是熱帶海洋大氣中形成的中心高溫、低壓的強(qiáng)烈渦旋的統(tǒng)稱。其水平環(huán)流半徑一般為數(shù)百公里，垂直環(huán)流高度約10 km[1]。

港珠澳大橋沉管隧道施工區(qū)位于珠江口，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，根據(jù)統(tǒng)計(jì)1949—2011年63 a間經(jīng)過珠江口海域的熱帶氣旋共75個(gè)，年平均1.2個(gè)，最多時(shí)1 a有4個(gè)熱帶氣旋影響該海域[2]。

1 工程概況

港珠澳大橋沉管隧道總長度為5 664m，預(yù)制安裝管節(jié)33節(jié)，東西兩端與人工島暗埋段相接，沉管隧道為東西走向，穿越伶仃西航道和規(guī)劃30萬t油輪航道，最大水下深度46m。

沉管出塢、浮運(yùn)、系泊、安裝以及防臺避風(fēng)主要通過沉放駁錨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制保護(hù)，每節(jié)沉管浮運(yùn)安裝需要2艘沉放駁，每艘沉放駁上的纜繩系統(tǒng)包括系泊纜索（M纜）、吊索纜索（L纜）、安裝纜索（H纜）、絞船纜索（P纜），如圖1所示。每條纜索與其操作絞車對應(yīng)，所有的纜索卷筒和絞車均布置在沉放駁系統(tǒng)甲板上，纜索規(guī)格見表1。

2 熱帶氣旋對超大型沉管的安全危害

2.1 強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害

超強(qiáng)風(fēng)力可能造成船舶與管節(jié)連接纜繩等防風(fēng)設(shè)施因抗風(fēng)能力不足而斷裂，導(dǎo)致船舶與沉管發(fā)生碰撞，損壞沉管。

圖1 沉放駁纜索布置圖Fig.1 Arrangement of sinking barge cable

表1 沉放駁纜索規(guī)格一覽表Table 1 A listof specifications for sinking barge cable

船管在抗風(fēng)過程中，主要受風(fēng)面是沉放駁，其風(fēng)阻力計(jì)算公式為：

式中：籽為空氣密度，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6~8級風(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)算結(jié)果詳見表2，受大風(fēng)影響，沉管和沉放駁受力增加數(shù)倍。

表2 沉放駁、沉管風(fēng)阻力計(jì)算表Table 2 The calculating table of wind resistance of sinking bargeand immersed tube

沉管管頂設(shè)有人孔井和測量塔，屬于高聳結(jié)構(gòu)，最大高度接近40 m，測量塔為三角形鋼結(jié)構(gòu)，人孔為圓筒形式，迎風(fēng)面大，約為113 m2。超強(qiáng)風(fēng)作用下可能存在傾倒碰撞，嚴(yán)重危害沉管安全。

2.2 暴雨災(zāi)害

臺風(fēng)影響時(shí)，多數(shù)時(shí)候伴有暴雨，甚至是大暴雨或特大暴雨，海上能見度降低至幾米[3-4]，防臺搶險(xiǎn)人員帶纜防護(hù)工作困難加大，而且大暴雨期間管節(jié)和船甲板濕滑，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。

2.3 風(fēng)暴潮災(zāi)害

臺風(fēng)天氣帶來的風(fēng)暴潮減水可能造成管節(jié)觸底，導(dǎo)致GINA、端鋼殼、管節(jié)損壞。

3 超大型沉管防臺方式

從近幾年的臺風(fēng)登陸情況看，臺風(fēng)對珠江口影響的可能性較高，強(qiáng)度也大，為了盡量保證沉管安全，降低臺風(fēng)破壞風(fēng)險(xiǎn)，港珠澳大橋沉管安裝團(tuán)隊(duì)開展了在封閉式、半封閉式、開敞式區(qū)域進(jìn)行船管防臺的技術(shù)研究，提出了4種船管防臺方式，詳見表3。

表3 4種沉管防臺方式Table 3 Anti-typhoon schemes of 4 kinds of immersed tube

3.1 開敞式+漂浮

開敞式防臺是將沉管存放在無掩護(hù)的開闊水域，這種防臺方式是在施工區(qū)現(xiàn)場或者人工島附近、開闊水域進(jìn)行現(xiàn)場防臺，通過沉放駁纜系和現(xiàn)場拖輪進(jìn)行聯(lián)合防臺，其中纜系是通過船上的系泊纜繩（120 t）與8口大抓力錨連接。沉放駁現(xiàn)場系泊抗風(fēng)纜系見圖2。

目前港珠澳大橋沉管現(xiàn)場系泊、安裝錨型選用的為HY-17型大抓力錨。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)、水文等條件確定安裝錨的極限錨抓力為100 t，系泊錨的極限錨抓力為160 t，錨系數(shù)量、性能見表4。

圖2 錨系布置圖Fig.2 Anchor system layout

表4 HY-17型錨數(shù)量及性能Table 4 The quantity and performance of HY-17 anchor

3.2 開敞式+坐底

沉管坐底式防臺是將沉管提前下沉至預(yù)先開挖好的下潛區(qū)進(jìn)行防臺避風(fēng)，一般在無掩護(hù)的水域遇到強(qiáng)臺風(fēng)才采用沉管坐底防臺。

在1978年“麗泰”臺風(fēng)登陸香港期間，香港公共交通地鐵沉管隧道第11根管節(jié)不得不采用開敞式+坐底的方式防臺，管節(jié)暫時(shí)沉到基槽底部，然后進(jìn)行壓載水控制、封閉人孔等作業(yè)，通過海上作業(yè)船的8條系泊錨纜連接，并將纜繩放到最長，現(xiàn)場安排2艘拖輪應(yīng)急，整個(gè)防臺下沉和起浮作業(yè)共耗時(shí)7 d，耽誤了一次沉管安裝的作業(yè)窗口。

開敞式+坐底方式防臺避風(fēng)，需要預(yù)先開挖沉管的下潛防臺區(qū)域，考慮到疏浚和擋風(fēng)影響，該區(qū)域應(yīng)該選擇在人工島附近，為了保證管節(jié)水下臨時(shí)寄存、起浮以及防臺避風(fēng)的安全，下潛區(qū)域需要提前鋪設(shè)一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)碎石墊層，并在下潛區(qū)周邊提前布設(shè)預(yù)拉好8口系泊錨系。當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)臺風(fēng)惡劣天氣或施工現(xiàn)場出現(xiàn)突發(fā)情況不能安裝時(shí)，管節(jié)回拖至下潛區(qū)并沉放至碎石墊層上，通過錨艇將沉放駁系泊纜繩連接至防臺大抓力錨上進(jìn)行防風(fēng)錨固。

管節(jié)沉入海底防臺避風(fēng)期間，沉放駁的臍帶纜保持與管節(jié)連接，同時(shí)需要安排專人監(jiān)測管節(jié)封門安全、CCTV和管節(jié)運(yùn)動姿態(tài)，確保管節(jié)在海底的安全。

3.3 封閉式+漂浮

封閉式防臺是將沉管存放在一個(gè)四周封閉的水域內(nèi)進(jìn)行防臺避風(fēng)。以桂山深塢區(qū)為例，防臺方式就是以封閉式+漂浮進(jìn)行防臺。

沉管預(yù)制廠浮塢門采用鋼筋混凝土重力式箱形結(jié)構(gòu)+鋼扶壁組合結(jié)構(gòu)形式[5]，浮塢門沉箱長59 m，寬25.2 m，高29.1 m，重量約為1.3萬t，設(shè)計(jì)吃水10.5m。

根據(jù)臺風(fēng)生成強(qiáng)弱情況，決策是否需要進(jìn)行浮塢門關(guān)閉作業(yè)。浮塢門關(guān)閉是通過絞纜系統(tǒng)將浮塢門沿規(guī)定路線從寄存區(qū)絞移至塢口區(qū)，通過控制艙格內(nèi)壓載水高度，精確地放置到塢口基礎(chǔ)上，塢門絞移線纜、塢門關(guān)閉流程詳見圖3。從塢門關(guān)閉的施工經(jīng)驗(yàn)看，塢門關(guān)閉需要乘潮作業(yè)，一般情況下關(guān)閉塢門需要24~36 h，因此防臺保護(hù)措施需要提前2 d進(jìn)行部署，這就需要精準(zhǔn)預(yù)測臺風(fēng)動向，便于決策的及時(shí)有效。

圖3 浮塢門寄存區(qū)和塢口區(qū)平面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the floating dock gate storage area and dock area

塢門關(guān)閉完成后，沉管采用漂浮的方式在深塢區(qū)抗風(fēng)，在管節(jié)塢內(nèi)系泊的基礎(chǔ)上增加尼龍纜系加固。

3.4 半封閉式+漂浮

半封閉式防臺是將沉管存放在一個(gè)不完全封閉的水域內(nèi)進(jìn)行防臺避風(fēng)，這種防臺方式也是屬于塢內(nèi)防臺，只是防臺期間塢門未關(guān)閉。

管節(jié)在深塢采用漂浮方式，塢內(nèi)系泊纜系基本與封閉+漂浮相同，采用P纜、H纜和尼龍纜進(jìn)行系泊抗風(fēng)。

4 超大型沉管防臺方式對比

結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道防臺避風(fēng)施工經(jīng)驗(yàn)，對以上4種防臺方式進(jìn)行優(yōu)劣比對，見表5。

表5 防臺方式對比分析Table 5 Contrastive analysisof anti-typhoon schemes

4.1 開敞式對比

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)判斷，開敞式防臺方式風(fēng)險(xiǎn)很大，船舶、沉管和現(xiàn)場作業(yè)人員安全很難保障，其中開敞式+坐底式防臺方式需要提前開展疏浚、碎石基床整平和錨系預(yù)拉布設(shè)，其造價(jià)高，防臺準(zhǔn)備工序繁多。根據(jù)目前港珠澳大橋島隧工程沉管隧道安裝使用的沉放駁設(shè)計(jì)情況和錨抓力能力[6]，船管可以在7級風(fēng)以下進(jìn)行現(xiàn)場系泊抗風(fēng)，因此在限定風(fēng)速內(nèi)可以使用開敞+漂浮方式進(jìn)行船管現(xiàn)場抗風(fēng)。

4.2 封閉式對比

從整體上看封閉式防臺比開敞式安全、可控。以港珠澳大橋桂山島深塢防臺的實(shí)際情況，對封閉式防臺進(jìn)行對比分析。

4.2.1 半封閉式防臺案例

2014年第15號臺風(fēng)“海鷗”于9月12日下午在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力40m/s。

為保證E13管節(jié)順利安裝，本次防臺桂山島預(yù)制廠深塢區(qū)塢門沒有關(guān)閉。根據(jù)以往防臺經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合臺風(fēng)“海鷗”特點(diǎn)，采取了如下防臺措施，平面布置圖如圖4所示。

圖4 安裝船及沉管防臺帶纜示意圖Fig.4 Schematic diagram of the installation vesseland immersed tube anti-typhoon cable

1）沉放駁上8根絞船纜繩P纜（25 t）全部與陸上系纜柱相連接，纜繩連接方式為“交叉”方式。

2）沉放駁上4根安裝纜繩H纜（65 t）穿過沉管管頂絞纜盤與陸上系泊纜樁連接，纜繩連接方式為“八字”方式。

3）在沉管上增加10根尼龍纜與陸上系纜柱相連加固，纜繩布置位置為：GINA端4根，沉管中間2根，非GINA端4根。

4）沉放駁上4根吊索纜繩L纜（40 t）與沉管吊點(diǎn)連接，L纜受力提起沉管，使單個(gè)吊點(diǎn)受力增大至280 t，同時(shí)增添了8根尼龍纜加固船管連接。

5）同時(shí)安排專人24 h值班，關(guān)注臺風(fēng)變化情況。

由于塢門未關(guān)閉，波浪從北側(cè)由塢口傳入深塢。15日夜間受塢外涌浪影響，管節(jié)開始出現(xiàn)晃動，晃動幅度較大。

臺風(fēng)“海鷗”破壞力巨大，給沉管系泊設(shè)施造成了較大破壞。本次防臺損失累計(jì)：斷裂25 t系船柱2個(gè)，斷裂直徑準(zhǔn)40高強(qiáng)尼龍纜16根，斷裂直徑準(zhǔn)65普通尼龍纜14根，斷裂直徑準(zhǔn)90和準(zhǔn)80丙綸纜各1根，斷裂沉放駁鋼絲繩P纜4根，丟失50 t快速脫鉤器2個(gè)，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百萬元。

4.2.2 封閉式防臺案例

2016年7月27日，臺風(fēng)“妮妲”在菲律賓棉蘭老島以東海面生成，在深圳市大鵬新區(qū)附近沿海登陸，登陸時(shí)最大風(fēng)力45m/s。

根據(jù)以往防臺經(jīng)驗(yàn)，對沉放駁、沉管采取以下系泊措施：

1）關(guān)閉桂山島預(yù)制廠深塢塢門。

2）塢內(nèi)沉放駁、沉管系泊抗風(fēng)帶纜位置與上述相同（詳見圖4）。

3）為抵抗涌浪、陣風(fēng)等造成的脈沖性荷載，在鋼絲纜與系纜樁之間連接同等破斷力的尼龍纜，利用尼龍纜的彈性給管節(jié)提供一定的卸荷作用，保證沉管及鋼絲纜的安全。

4）沉放駁上安排人員24 h值班、記錄，保持電話通暢，根據(jù)臺風(fēng)、風(fēng)暴潮級別大小，專人實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整纜繩長度。

深塢塢門關(guān)閉后防止外海涌浪進(jìn)入，對沉管起到很好保護(hù)作用。本次臺風(fēng)風(fēng)力比“海鷗”更大，且?guī)缀跽嬉u擊沉管所在區(qū)域，但未造成設(shè)備、材料損失。

5 結(jié)語

超大型沉管隧道防臺保護(hù)措施研究對沉管安全起著至關(guān)重要的作用。通過沉管防臺保護(hù)措施方式對比和桂山島塢內(nèi)沉管防臺實(shí)例分析，從安全性、實(shí)效性、經(jīng)濟(jì)性等多方面綜合比選，確定“封閉式+漂浮”方式為沉管防臺保護(hù)最優(yōu)方案，為后續(xù)同類型沉管隧道施工提供借鑒。

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