外海超大型沉管應(yīng)急回塢預(yù)案

張建軍，管澤旭，寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

沉管隧道施工技術(shù)含量高、施工難度大、不確定因素多以及跨多學(xué)科和專業(yè)綜合運(yùn)用集中。目前世界范圍內(nèi)已成功建設(shè)了120多條類似的公路、鐵路沉管隧道，近幾年的典型工程有丹麥厄勒海峽隧道、土耳其博斯普魯斯海峽隧道、韓國(guó)釜山巨濟(jì)隧道以及中國(guó)港珠澳大橋沉管隧道。

隧道工程是具有高風(fēng)險(xiǎn)特征的工程，世界范圍內(nèi)的沉管隧道施工中，沉管在安裝作業(yè)中出現(xiàn)過不同程度的風(fēng)險(xiǎn)事故，為了便于處理事故和降低次生風(fēng)險(xiǎn)，也出現(xiàn)過沉管拖航回塢的情況。

韓國(guó)釜山巨濟(jì)沉管隧道E16沉管浮運(yùn)就位前GINA止水帶受意外碰撞造成損傷事故，采取的措施是進(jìn)行沉管拖航回塢、GINA止水帶修復(fù)作業(yè)后再進(jìn)行沉放對(duì)接，導(dǎo)致工期延誤3個(gè)月；日本多摩川沉管隧道某沉管沉放就位后，測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)接端偏差過大，在糾偏過程發(fā)生GINA止水帶側(cè)翻事故，采取的措施是重新起浮沉管，拖航回塢、修復(fù)GINA止水帶后再進(jìn)行沉放對(duì)接；寧波常洪沉管隧道E4沉管沉放前由于基床某根樁的截樁不到位，導(dǎo)致樁頂標(biāo)高高于管底標(biāo)高，沉管無法沉放到位，采取的措施是沉管拖航回塢，對(duì)樁頂進(jìn)行重新處理后再進(jìn)行沉放對(duì)接。

1 項(xiàng)目概況

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道位于珠江口外的伶仃洋海域，距珠江入?？?1 n mile，沉管段長(zhǎng)5 664 m，包含沉管33根，單根重78 000 t，排水量8萬m3，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土構(gòu)造，是目前世界上體量最大的混凝土構(gòu)件[1]。沉管浮運(yùn)采用社會(huì)航道與專用航道的組合航路，總長(zhǎng)約12 km，基槽內(nèi)最大浮運(yùn)距離約3 km。

港珠澳大橋島隧工程施工初期，按照沉管浮運(yùn)安裝工序進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控，采用風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)、分析、評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)處置的方法，形成了一套完整的風(fēng)險(xiǎn)管理體系。其中，在沉管浮運(yùn)安裝關(guān)鍵工序風(fēng)險(xiǎn)排查中，篩查出了關(guān)鍵設(shè)備故障、基床回淤、GINA止水帶破損、測(cè)控系統(tǒng)故障等無法繼續(xù)進(jìn)行浮運(yùn)安裝的重大風(fēng)險(xiǎn)，并需要制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。在風(fēng)險(xiǎn)管控的基礎(chǔ)上，開展了應(yīng)急處置專項(xiàng)研究并制定了沉管拖航回塢的應(yīng)急預(yù)案[2]。

2 應(yīng)急方案比選

采用頭腦風(fēng)暴法和專家評(píng)估法，假定沉管在浮運(yùn)安裝過程中出現(xiàn)異常的情況下，篩選出了若干應(yīng)急處理方法，結(jié)合國(guó)內(nèi)外沉管隧道的施工經(jīng)驗(yàn)和港珠澳大橋項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終形成了3個(gè)初選應(yīng)急預(yù)案，分別為沉管現(xiàn)場(chǎng)系泊、沉管坐底抗流和沉管拖航回塢應(yīng)急預(yù)案。

2.1 沉管現(xiàn)場(chǎng)浮態(tài)系泊應(yīng)急預(yù)案

該應(yīng)急預(yù)案采取的措施是在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置臨時(shí)系泊區(qū)域，問題或事故發(fā)生后將沉管拖航至該區(qū)域，采用臨時(shí)系泊錨系協(xié)助沉管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浮態(tài)抗流，進(jìn)行問題或事故處置后重新沉放安裝。預(yù)案應(yīng)用流程為：?jiǎn)?dòng)該預(yù)案→臨時(shí)系泊錨系布設(shè)→沉管移位→沉管系泊→現(xiàn)場(chǎng)處置問題或事故→抗流等待作業(yè)窗口→解除系泊重新沉放安裝。現(xiàn)場(chǎng)系泊示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)系泊示意圖Fig.1 Mooring diagrammatic sketch

該應(yīng)急預(yù)案適用于發(fā)生的問題、事故可短時(shí)間內(nèi)（2 d內(nèi)）在現(xiàn)場(chǎng)處置完成，比如關(guān)鍵設(shè)備故障、測(cè)控系統(tǒng)故障等。若處置周期超過2 d，將錯(cuò)過當(dāng)次作業(yè)窗口，需現(xiàn)場(chǎng)抗流等待下一個(gè)小潮汛期作業(yè)窗口（約15 d），但未來15 d內(nèi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)不可控，主要風(fēng)險(xiǎn)為：

1）大潮汛期的大流速

沉管至少要在臨時(shí)系泊區(qū)等待15 d，期間要經(jīng)歷1次大潮汛，結(jié)合施工水域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)測(cè)，大潮汛期間的最大流速為1.3～1.4 m/s，根據(jù)計(jì)算得出沉管所受水流力約為800 t，系泊錨系及連接纜繩無法滿足現(xiàn)場(chǎng)的抗流要求。

2）惡劣天氣影響

目前的預(yù)報(bào)條件無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)未來15 d內(nèi)的天氣情況，如果遭遇臺(tái)風(fēng)、冷空氣、突發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣等，其產(chǎn)生的風(fēng)、浪對(duì)沉管的荷載若超過沉管結(jié)構(gòu)的承受極限，則造成的后果無法預(yù)料，風(fēng)險(xiǎn)巨大。

3）警戒風(fēng)險(xiǎn)

施工水域處于珠江口航道區(qū)附近，沉管長(zhǎng)時(shí)間系泊對(duì)海事警戒和現(xiàn)場(chǎng)值守要求高、壓力大，如果外來船舶闖入臨時(shí)系泊區(qū)，則沉管安全無法保障。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的航道封航、限速將嚴(yán)重影響港口正常營(yíng)運(yùn)。

2.2 沉管現(xiàn)場(chǎng)坐底應(yīng)急預(yù)案

該應(yīng)急預(yù)案采取的措施是在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置臨時(shí)系泊區(qū)域，問題或事故發(fā)生后將沉管拖航至該區(qū)域沉放坐底進(jìn)行抗流，問題或事故處置后，現(xiàn)場(chǎng)等待合適的作業(yè)窗口重新沉放安裝。預(yù)案應(yīng)用流程為：?jiǎn)?dòng)該預(yù)案→碎石墊層整平→臨時(shí)系泊錨系布設(shè)→沉管移位→沉管系泊→沉管坐底→現(xiàn)場(chǎng)處置問題或事故→坐底等待作業(yè)窗口→沉管起浮→重新沉放安裝。

該預(yù)案需要提前鋪設(shè)沉管坐底的碎石基床。在1978年“麗泰”臺(tái)風(fēng)登陸香港期間，香港公共交通地鐵沉管隧道第11根沉管采用了坐底防臺(tái)的方案。

該應(yīng)急預(yù)案相對(duì)于“沉管現(xiàn)場(chǎng)浮態(tài)系泊方案”，增加了沉管坐底，可以減少大汛潮流速、波浪和大風(fēng)的影響，可進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)抗流等待，但還需要考慮其他風(fēng)險(xiǎn)：

1）無滿足要求的碎石基床基礎(chǔ)

沉管坐底需要在整平好的碎石基床上，現(xiàn)場(chǎng)沒有滿足要求的碎石基床。若采取施工前進(jìn)行坐底基床鋪設(shè)，則整個(gè)施工周期中，坐底基床存在回淤風(fēng)險(xiǎn)；若采取出現(xiàn)問題現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行坐底基床鋪設(shè)，則作業(yè)周期近半個(gè)月，風(fēng)險(xiǎn)大、不可實(shí)施。

2）沉管起浮風(fēng)險(xiǎn)大

沉管長(zhǎng)時(shí)間坐底等待后，基床受淤泥淤積，而且沉管底部淤泥無法清除，沉管底部與基床之間的吸附力增大，起浮過程中易發(fā)生驟然跳出的風(fēng)險(xiǎn)。

3）深槽紊流

大潮汛期深槽底部的紊流情況復(fù)雜、流速大，沉管受力情況不清晰，GINA止水帶和端鋼殼受損幾率高，風(fēng)險(xiǎn)大。

2.3 沉管拖航回塢方案

該應(yīng)急預(yù)案采取的措施是問題或事故發(fā)生后立即選擇合適的海況進(jìn)行沉管拖航回塢作業(yè)，在塢內(nèi)進(jìn)行問題或事故處置后，選擇合適的作業(yè)窗口重新浮運(yùn)沉管至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沉放安裝。預(yù)案應(yīng)用流程為：?jiǎn)?dòng)該預(yù)案→回拖作業(yè)窗口選定→沉管拖航回塢→塢內(nèi)處置問題或事故→等待合適作業(yè)窗口→沉管重新浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沉放安裝。

相對(duì)于以上2個(gè)應(yīng)急預(yù)案，該預(yù)案的沉管拖航回塢可以避免沉管長(zhǎng)期外海存放的海流、風(fēng)浪和海事警戒等諸多風(fēng)險(xiǎn)。但該方案同樣面臨著其他不確定風(fēng)險(xiǎn)：

1）浮運(yùn)線路差別

正常沉管浮運(yùn)是由狹窄航道進(jìn)入寬闊水域，返航作業(yè)正好相反，沉管拖航操控習(xí)慣不同，沉管姿態(tài)控制難度增大。

2）落潮流速略大

沉管返航浮運(yùn)選擇順流拖航，即落潮浮運(yùn)。根據(jù)施工水域歷史小潮汛實(shí)測(cè)資料，落潮流流速普遍比漲流流速大0.1～0.2 m/s左右，現(xiàn)場(chǎng)拖航難度增大。

3）進(jìn)塢作業(yè)無實(shí)操經(jīng)驗(yàn)

進(jìn)塢采用“出塢纜系”控制進(jìn)塢沉管姿態(tài)和速度，雖然有出塢操作經(jīng)驗(yàn)和成套的應(yīng)急預(yù)案，但無相關(guān)實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操難度大。

2.4 應(yīng)急預(yù)案制定

對(duì)比研究3種應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，從風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)最小、風(fēng)險(xiǎn)可控方面考慮，最后選擇了綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最低的沉管拖航回塢方案為現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題或事故時(shí)的應(yīng)急預(yù)案，以該方案為基礎(chǔ)，制定了一系列的應(yīng)急保障措施，并進(jìn)行了2次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。以港珠澳大橋島隧工程E15沉管一次回拖為例，進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3 E15沉管拖航回塢作業(yè)

港珠澳島隧工程E15沉管是項(xiàng)目開工以來施工難度最大的一節(jié)沉管，由于基槽異?；赜賳栴}導(dǎo)致了E15沉管“三次浮運(yùn)、兩次回塢”的情況。

E15沉管第一次浮運(yùn)過程中出現(xiàn)基槽異?；赜僖鸹财茐?，處置周期超過10～15 d，且根據(jù)國(guó)家海洋預(yù)報(bào)中心提供的資料將有一股冷空氣到達(dá)，給施工海域帶來強(qiáng)風(fēng)天氣，沉管不再具備繼續(xù)進(jìn)行沉放安裝的條件，決定啟動(dòng)沉管拖航回塢應(yīng)急預(yù)案，E15沉管進(jìn)行第一次回拖。

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，沉管拖航回塢作業(yè)主要包括作業(yè)窗口選定、回塢準(zhǔn)備、航道浮運(yùn)、塢口系泊區(qū)臨時(shí)系泊、沉管進(jìn)塢等內(nèi)容。

3.1 作業(yè)窗口選定

為了減小外部水文氣象條件對(duì)沉管浮運(yùn)安裝的影響，并降低船舶、設(shè)備的建造費(fèi)用，提出作業(yè)窗口的概念，尋找能滿足目前船舶作業(yè)能力的作業(yè)窗口條件。

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，考慮到預(yù)制廠與隧址的相對(duì)位置，常規(guī)浮運(yùn)施工按照漲潮流拖航的前提條件，返航回塢作業(yè)選擇與常規(guī)浮運(yùn)“相反”的窗口，即返航選擇落潮順流返航，回塢過程選擇在低平潮進(jìn)行。

考慮到狹窄航道和進(jìn)塢難度，為了保證拖航回塢作業(yè)的安全，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案在原作業(yè)窗口的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)限制條件：預(yù)制場(chǎng)支航道拖航限制條件是流速0.3 m/s以下；沉管進(jìn)塢限制條件是流速0.2 m/s以下。當(dāng)沉管進(jìn)塢作業(yè)窗口不滿足作業(yè)條件時(shí)，可選擇在榕樹頭航道北段寬敞水域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抗流，等待下一個(gè)作業(yè)窗口。

E15沉管第一次返航回塢時(shí)制定的窗口計(jì)劃如圖2所示。

圖2 回拖計(jì)劃Fig.1 Process planning of dock back

3.2 回塢準(zhǔn)備

回塢準(zhǔn)備工作主要包括：

1）作業(yè)人員回塢安全技術(shù)交底；

2）拖輪、起錨艇船機(jī)檢查；

3）塢口進(jìn)塢錨系布置和預(yù)拉；

4）塢內(nèi)卷?yè)P(yáng)機(jī)纜繩前引纜到塢口；

5）塢口增設(shè)多臺(tái)照明設(shè)備；

6）塢口流場(chǎng)測(cè)量。

根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，海事部門也在第一時(shí)間啟動(dòng)配套的通航應(yīng)急處置辦法，在最短時(shí)間內(nèi)協(xié)調(diào)港口運(yùn)營(yíng)和社會(huì)有關(guān)部門制定應(yīng)急封航和護(hù)航方案，11艘海事警戒船艇參與了E15沉管返航警戒工作，回拖過程中攔截誤入船舶多艘，有力地保障了沉管回拖安全。沉管進(jìn)塢過程中現(xiàn)場(chǎng)安排4艘海事警戒船值守警戒[3]，見圖3。

圖3 浮運(yùn)期間海事警戒船布置圖Fig.3 Arrangement of maritime altering vessel in floating stage

3.3 浮運(yùn)編隊(duì)

E15沉管拖航回塢采用的航道為專用浮運(yùn)航道，即“原路返回”。浮運(yùn)線路為：系泊區(qū)編隊(duì)→基槽橫拖→第二轉(zhuǎn)向區(qū)→伶仃航道→出運(yùn)航道二→榕樹頭航道→預(yù)制廠航道→塢口系泊區(qū)。

沉管回拖過程受到寒潮大風(fēng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)浪條件接近作業(yè)窗口的上限，考慮到首次進(jìn)行拖航回塢作業(yè)，在原有浮運(yùn)編隊(duì)的基礎(chǔ)上，增加2艘拖輪作為應(yīng)急備用，即采用4艘大馬力拖輪吊拖、4艘綁拖、2艘在基槽抗流、3艘拖輪備用[4]。

3.4 進(jìn)塢作業(yè)

沉管進(jìn)塢是整個(gè)拖航回塢作業(yè)中難度最大的工序，進(jìn)塢作業(yè)與出塢作業(yè)不同，是從開闊水域向狹窄水域絞移的過程，施工難度比沉管出塢[5]難度大。沉管進(jìn)塢流程為：塢口臨時(shí)系泊區(qū)沉管系泊→沉管姿態(tài)調(diào)整→沉管絞移至塢口→纜系轉(zhuǎn)換→沉管進(jìn)塢及塢內(nèi)系泊。

沉管進(jìn)塢作業(yè)借助現(xiàn)有的出塢卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主要施工難點(diǎn)和重大風(fēng)險(xiǎn)在進(jìn)塢作業(yè)初期，當(dāng)船管絞移到塢口內(nèi)部“港灣”區(qū)域后，進(jìn)塢作業(yè)基本不再受到外海的風(fēng)浪流影響，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低到可以接受范圍之內(nèi)，因此本文重點(diǎn)描述進(jìn)塢作業(yè)初期階段的流程。

沉管進(jìn)塢作業(yè)初期階段包括臨時(shí)系泊區(qū)系泊、沉管姿態(tài)調(diào)整、沉管絞移至塢口3個(gè)步驟。施工過程中主要依靠拖輪與纜繩共同配合控制管節(jié)姿態(tài)。拖輪離開后主要依靠岸上卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)、安裝船卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)和塢外的錨泊纜系提供前進(jìn)動(dòng)力，控制姿態(tài)。

1）臨時(shí)系泊區(qū)系泊：浮運(yùn)到位后，解除艏端1號(hào)、2號(hào)兩艘拖輪，利用剩余拖輪控制沉管姿態(tài)后，同時(shí)完成沉管艏艉兩端5根纜繩的連接，收緊纜繩后解除艉端1號(hào)、2號(hào)，左舷6號(hào)、8號(hào)拖輪。

2）沉管姿態(tài)調(diào)整：由于纜系能力有限，采用2艘大馬力拖輪頂推和纜系配合調(diào)整沉管姿態(tài)，將沉管軸向調(diào)整到與塢口平行，并做好進(jìn)塢絞移準(zhǔn)備。

3）沉管絞移至塢口：絞移初期采用艏端絞車提供前進(jìn)動(dòng)力，艉端錨纜控制絞移速度，右舷5號(hào)、7號(hào)拖輪頂推配合控制沉管軸線，至艏端絞車角度呈45°左右，可控制沉管姿態(tài)后，解除右舷拖輪，完成拖輪控制到纜系控制的轉(zhuǎn)換，纜系控制更容易控制沉管的位置、姿態(tài)和安全。沉管絞移到“喇叭口”后，更換塢內(nèi)絞移纜系，后續(xù)絞移進(jìn)塢風(fēng)險(xiǎn)較低，這里不再贅述。

4 結(jié)語

港珠澳大橋島隧工程E15沉管兩次拖航回塢，是國(guó)內(nèi)外的首次外海沉管拖航回塢作業(yè)，是在全面風(fēng)險(xiǎn)排查、成功的施工決策和可行的應(yīng)急預(yù)案的保障下，克服了毫無施工經(jīng)驗(yàn)、寒潮惡劣天氣、水文條件的影響下達(dá)成的，避免了由于進(jìn)行問題或事故處置而可能引發(fā)的新風(fēng)險(xiǎn)或事故的發(fā)生。

該案例的成功實(shí)施驗(yàn)證了所制定的沉管浮運(yùn)安裝突發(fā)問題、事故下沉管拖航回塢應(yīng)急預(yù)案的可行性。該應(yīng)急預(yù)案以及配套的風(fēng)險(xiǎn)管理措施為后續(xù)沉管隧道施工提供了難得的經(jīng)驗(yàn)，值得借鑒。