超大型沉管浮運的風險管控

宿發強

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道穿越珠江口廣州、深圳西部港區出海主航道，沉管段長5 664 m，共有沉管33節。沉管截面采用兩孔一管廊形式，標準沉管長180 m，寬37.95 m，單節重78 000 t。

該項目的沉管是目前世界上體量、重量最大的預制鋼筋混凝土構件，一方面沉管迎流面積大，慣性大，造成沉管姿態控制難度極大；另一方面沉管浮運是在外海、有限航區浮運，海浪、海流條件復雜；另外沉管的浮運方式與傳統的沉箱拖運差別很大。在充分考慮施工難度、風險的情況下，項目部從浮運設計、前期演練、浮運指揮等方面進行風險管理，爭取將風險降到零。

1 浮運風險分析

1.1 航道狹窄

浮運航道總長約12 km，基槽內浮運最大距離約3 km，為了不影響社會船舶的通航，采用3條浮運線路，每節管節浮運有3次航道轉換。滿足管節浮運的航道底標高為-14.4 m（1985國家高程基準），浮運航道和基槽最窄寬度僅為240 m和76 m。

1.2 水流力大

航道區軸線幾乎和漲落潮主流向平行，基槽軸線幾乎和漲落潮主流向垂直。浮運區落潮流向（逆流作業） 主要有180°和167°兩個方向。

通過以下水流力公式可計算出沉管在拖航階段的拖航阻力[1]：

式中：R為拖航阻力，kN；Cw為水阻力系數；ρ為水的密度；A為迎流的面積，m2；V為流速，m/s。

沉管縱拖按照流向180°、流速1 kn、絕對航速2 kn計算標準管節縱拖阻力約為500 kN，考慮20%的波浪增阻，水流力合計約為600 kN；沉管橫拖按照流向180°和流速1 kn，絕對航速1 kn計算標準管節橫拖阻力約為1 000 kN，考慮20%的波浪增阻，水流力合計為1 200 kN。

1.3 船舶配合難度大

經過浮運演練確定了10艘拖輪配合的拖帶方式，為降低風險，現場安排4艘起錨艇隨航應急。10艘拖輪相互配合控制沉管拖航速度、姿態難度大，指揮人員同時協調14艘船舶難度大。

1.4 警戒難度大

港珠澳大橋島隧工程位于珠江口伶仃洋西部、大嶼山以東水域，島隧區及附近水域現有通航航道主要有伶仃航道、銅鼓航道、榕樹頭航道和龍鼓西航道等，航線密集，通航密度大，船舶種類復雜，幾乎涵蓋了所有船種，現場海事部門警戒、封航難度大。

2 浮運設計

2.1 浮運演練

在首節沉管浮運前，使用排水量超過45 000 t的半潛駁替代沉管進行了4次浮運演練。主要演練內容見表1。

經過4次浮運演練，基本掌握航道水深、航道寬度和拖輪性能等情況，增加拖輪配合熟練程度，并為首節浮運做好準備。

圖1 沉管縱拖、橫拖示意圖Fig.1 Sketch of vertical and horizontal pulling the immersed tube

表1 浮運演練的主要內容Table1 Main content of floating drills

2.2 拖帶方式

經過4次沉管浮運演練，確定了4艘拖輪吊拖、4艘拖輪綁拖和2艘拖輪基槽內頂流的拖輪拖帶方式。現場需要10艘拖輪抗流、調整姿態和控制沉管在航道內浮運，拖輪配合和指揮難度大。考慮到拖輪及尾流等因素[2－3]，經過計算和現場演練，確定了4艘吊拖拖輪的拖拽角和纜繩長度分別為30°～45°和60～80 m。沉管縱拖、橫拖方式見圖1。

2.3 作業窗口

為了降低海流對沉管浮運、安裝的影響，沉管的浮運作業窗口選擇在每月的小潮汛期間。在總結浮運演練和前兩節沉管浮運過程的基礎上，摸索出沉管可以順流拖航。作業窗口的選擇除了考慮漲落潮、流速，還要考慮上下工序的限制條件和各相關工序的作業時間。根據總體氣象窗口限制條件，選擇浮運氣象窗口見表2。

表2 浮運作業窗口Table2 Operation window of floating

3 安全措施

3.1 浮運導航軟件

浮運導航系統利用1臺雙天線信標機作為沉管定位設備，主界面實時顯示沉管信息，指揮室通過有線傳輸視頻信號實現軟件顯示。主要硬件配置包括信標機、無線電臺、無線AP、電腦等。為降低風險，現場共配備3套獨立浮運導航系統。

浮運導航系統實時、同步采集GPS的坐標數據，計算各特征點與GPS之間的空間關系；顯示沉管在深塢及出塢編隊區的地理位置；實時顯示實測的流速、流向數據，實時顯示現場實測的海水密度；用戶可以設置使用不同顏色顯示不同的水深范圍及滿足出塢浮運要求的水深范圍，設置不同顏色顯示沉管出塢航道的控制邊線、中心線，在顯示器上準確顯示沉管位置和到塢門、邊坡的距離，并設置每5 m 1條橫向間隔線以判斷沉管出塢的實際位置，見圖2。所有數據實時記錄，可回放用于事后觀摩研究。自動記錄相關數據為數據庫格式。

圖2 浮運導航軟件現場施工圖Fig.2 Construction site by using floating navigation software

3.2 海流觀測、預報

為了掌握浮運航道的海流特征及變化規律，為沉管浮運提供水文參數，在浮運航道的重要轉折點、回旋水域和基槽南北側，共安放固定的測流儀5臺。在流場比較復雜區域如塢口、基槽進行多點、定期測流。

聯合專業單位對各航道進行潮位、海流預報，流場復雜的區域增加潮位、流速預報點，如在塢口設置3個預報點，利用預報數據選擇符合作業窗口的時間段，編制浮運計劃。

3.3 風險排查

浮運施工風險排查以“全員、全過程、動態管理”為思路，采用頭腦風暴法與專家調查法相結合的方式，由沉管浮運技術人員、操作人員和咨詢專家共同辨識和確認出浮運中可能出現的風險，并根據施工經驗分析制定針對篩選出的風險對應的風險等級和風險應對措施等相關內容。截止到現在，共篩選出浮運風險20余項。

針對篩選的浮運風險，制定一系列的風險排查工作。目前風險排查分兩步完成，第一步為不定期的風險排查；第二步是施工前進行全面的風險排查。風險排查的內容見表3。

表3 風險排查記錄表樣式Table 3 Record chart of risk investigation

3.4 應急預案

通過對管節浮運施工工藝可能存在的危險源的分析和識別，在施工過程中可能會發生沉管擱淺、斷纜、突發強對流天氣等引發的生產安全事故。為保證人員、設備、工程結構物的安全，結合施工現場的具體特點，除按規定嚴格做好安全防護，加強管理外，還必須建立適合現場特點的應急救援機制，制訂和完善相應的應急組織預案。根據前期施工經驗和現場發現的風險點，目前制定了一系列的應急預案，包括塢口編隊、擱淺、強對流天氣等應急預案。

4 結語

為降低沉管浮運的風險，從前期準備、拖帶設計入手，借助導航軟件、海流分析預報等手段保障拖航安全，加強日常的風險排查工作，并針對突發風險制定相應的應急預案，從目前的施工情況看，這些風險管控措施是有效的、可行的。