外海沉管浮運安裝作業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、廣州深圳西部港區出海主航道，沉管段5 664 m，共有管節33個，是迄今世界上規模最大的海上沉管隧道工程。單根管節質量為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窗口管理系統，并在窗口范圍內結合潮位、海流情況對每管節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時機。本文將從浮運安裝作業流程、作業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。

1 浮運安裝作業流程簡介

管節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的工序，管節浮運包括塢口浮運編隊、航道和基槽內浮運及轉向區轉向等作業。浮運航道總長度約12 km，基槽內浮運最遠距離約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場。為了保證沉管浮運安全和社會船舶正常作業，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，標準段管節系泊錨系包括8根系泊纜和4根安裝纜(見圖1)。管節在基槽內縱拖至距離已沉管節尾端20～50 m位置時開始進行系泊定位作業。GPS實時監測管節具體位置，拖輪編隊抵抗水流影響，采用多艘錨艇分2組協同同時送纜，駛至相應錨位后與安裝錨、系泊錨相連，形成管節系泊定位錨系[5]。

圖1 標準段管節錨系布置圖(單位： m)

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

沉放和對接作業在沉管隧道施工中風險最大、難度最高。管節系泊等待直至沉放窗口來臨，開始沉放對接作業。利用壓載水控制管節負浮力[6]、錨碇系統控制管節平面位置、吊索絞車系統控制管節沉放速度、測控系統指導管節對接就位。管節落于基床后，拉合千斤頂精確測量、調整管節對接端偏差，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。貫通測量確定管節軸線偏差，偏差超過設計要求時采用體內調整系統精調。管節安裝偏差滿足設計要求后，向壓載水箱內灌水至1.05倍抗浮系數[6]，完成管節沉放對接。鎖定回填[7]后拆除舾裝設施，完成管節安裝。

2 作業窗口管理

2.1 施工區水文氣象條件

伶仃洋潮汐類型屬于不規則的半日混合潮。從實測潮位過程曲線分析，不等現象明顯，其中大潮期間日潮現象較明顯，小潮期間半日潮現象明顯，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逐漸增大的趨勢[8]。

圖2 水域汛期潮位變化圖

根據九澳站1986—2001年波浪觀測資料統計，常浪向為SE、ESE和S向，出現頻率分別為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，出現頻率為17.79%，次常浪向SSW向，出現頻率為13.14%；強浪向為SSW向，有效波高大于0.8 m的波出現頻率為 2.04%。該站實測最大有效波高(Hs)為3.64 m，周期(T)為5.3 s，出現于2008年12號臺風“鸚鵡”期間。

工程區盛行風向以東南偏東和東風為主，但季節變化明顯。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月極少出現霧日。

2.2 作業氣象窗口的確定

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

表1 川崎港隧道作業窗口限制條件表

管節浮運沉放關鍵作業(從出塢、浮運至沉放完成的施工階段)需要的作業時間為24～36 h，考慮實際施工中因各種原因可能產生的延誤，確定單管節安裝(浮運和沉放)周期為48～72 h，即每個管節安裝的必要作業窗口時間為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，提出作業窗口的概念，即尋找能滿足目前船舶作業能力的作業窗口條件。作業限制條件主要包括對浮運安裝影響顯著的海流、波浪、風和霧等外部環境條件，其中海流力占所有外部作用力的80%～90%,是作業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[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，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前期招標文件、數學物理模型計算提供成果進行分析確定的，經過4次浮運演練和十幾根管節的現場實際作業，并綜合考慮目前船舶的能力，進一步修訂、完善了作業窗口限制條件，主要修改的內容為流速條件。修改后的作業窗口限制條件見表2。

表2 修改后的作業窗口限制條件表

港珠澳大橋處于珠江口影響范圍內，珠江流域的降雨引起的大徑流對施工區的海流影響顯著，結合現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的情況滿足作業條件[13-14]。

2.3 作業窗口保障系統

本項目委托國家海洋環境預報中心進行長期觀測數據、預報模型的分析和工程區水文氣象綜合預報保障系統的建立，為管節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、海流的數值預報產品，以及針對工程區的各類常規預報產品。現場實時監測目的有2個： 一是校核預報系統模型，二是作為現場作業的保障。主要預報內容如下： 1)氣象預報要素，包括天氣現象、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”。經過長期的觀測，珠江口區域的7日和23日的潮汐存在一定的差異。整體而言，上半年的23日附近的窗口期優于7日的窗口期，下半年7日的窗口期優于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驗暫定了逆流拖航的作業條件，在E1沉管拖航到“出運航道1”時由于現場水流力超過物理數學模型計算的情況，出現沉管拖不動甚至后退的情況；經過E3現場實體沉管抗流試驗驗證決定將浮運作業條件暫定為順流拖航，因為桂山島預制場在施工現場的外海側，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，經過現場實測發現水下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量，提出“對接窗口”概念，對接窗口包括的作業內容為已安管節和待安管節即將接觸的時刻，即對接過程中的拉合作業期，對接作業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

根據浮運作業要求，潮位、潮流采用高分辨率小區域數值模式，預報結果由國家海洋環境預報中心提前1～2月提供。主要預報數據有潮位預報、流速預報，其中流速預報為分區域預報，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，滿足浮運作業要求。

管節浮運、沉放作業要求的作業窗口期為48～72 h。一般情況下，每根管節需要制定首選窗口和2個備選窗口。以E12管節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)在作業氣象窗口期間，水文、波浪、氣象條件要滿足浮運安裝作業要求。

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

3)一般情況下，每根管節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節沉管的浮運安裝作業。項目部提出的浮運安裝作業窗口管理系統，按照潮汐條件、結合國家海洋預報中心提供的預報數據，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，國內將迎來沉管隧道施工的黃金期，希望這套浮運安裝作業窗口管理技術能給類似沉管隧道施工提供參考。

[1] 宿發強.超大型沉管浮運的風險管控[J]. 中國港灣建設, 2015(7)： 1.

SU Faqiang. Risk management on floating of ultra-large immersed tube[J]. China Harbour Engineering, 2015(7): 1.

[2] 寧進進， 丁宇誠. 超大型沉管出塢施工及控制方法[J]. 中國港灣建設， 2014(7): 54.

NING Jinjin，DING Yucheng. Constructing of large tunnel element dock outing and the control method[J]. China Harbour Engineering, 2014(7): 54.

[3] 寧進進, 鄭秀磊, 孫健, 等. 超大型沉管拖航中拖輪的分工作用分析[J]. 中國港灣建設, 2015(3): 67.

NING Jinjin, ZHENG Xiulei， SUN Jian, et al. Function analysis of tug′s division on towing large tunnel element[J]. China Harbour Engineering, 2015(3): 67.

[4] 侯連青, 寧進進. 拖輪螺旋槳尾流對沉管或沉箱浮運的影響[J]. 中國港灣建設, 2013(1): 5.

HOU Lianqing, NING Jinjin.Influence of tug′s propeller slipstream on floating elements or caissons[J]. China Harbour Engineering, 2013(1): 5.

[5] 蘇長璽, 馮海暴. 大型沉管安裝工程用錨選型及錨系設計試驗研究[J]. 中國港灣建設, 2017(5): 82.

SU Changxi, FENG Haibao. Experimental study of mooring anchor selection and anchor system design of large immersed tube installation[J]. China Harbour Engineering, 2017(5): 82.

[6] 林巍. 港珠澳大橋沉管隧道管節壓艙水系統[J]. 中國港灣建設, 2014(2): 11.

LIN Wei. Ballast tank system of immersed tunnel element for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J]. China Harbor Engineering, 2014(2): 11.

[7] 林巍, 張志剛. 海中沉管隧道回填防護設計的討論[J]. 中國港灣建設, 2013(5): 29.

LIN Wei, ZHANG Zhigang. Discussion on design of backfill protection of offshore immersed tunnel[J]. China Harbor Engineering, 2013(5): 29.

[8] 陳志民, 蔡南樹, 辛文杰. 珠江口伶仃洋航道的回淤分析[J]. 海洋工程, 2002(3): 61.

CHEN Zhimin, CAI Nanshu, XIN Wenjie. Analysis of the sedimentation of the Lingdingyang channel in the Zhujiang Estuary[J]. The Ocean Engineering, 2002(3): 61.

[9] 蘇長璽, 馮海暴. 大型沉管與沉放駁摩擦型連接受力分析[J]. 中國港灣建設, 2016(12): 19.

SU Changxi, FENG Haibao. Force analysis of friction type connection for large immersed tube and sinking barge[J]. China Harbour Engineering, 2016(12): 19.

[10] 徐加慶. 船舶走錨應對方法[J]. 航海技術, 2014(4): 32.

XU Jiaqing. Countermeasures for ship anchoring[J]. Marine Technology, 2014(4): 32.

[11] 陸忠杰, 周國平. 深水錨系泊作業技術應用初探[J].船舶設計通訊, 2011(增刊1): 67.

LU Zhongjie, ZHOU Guoping. Preliminary study of application of anchor mooring technique in deep water [J]. Journal of Ship Design, 2011(S1): 67.

[12] 蔣治強. 船用大抓力錨抓底性能研究[D]. 大連： 大連海事大學, 2013.

JIANG Zhiqiang. Study of performance of ship bottom with large grasping force[D]. Dalian: Dalian Maritime University, 2013.

[13] 岳遠征, 寧進進， 湯慧馳. 珠江三角洲強降雨對伶仃洋海域潮汐、海流的影響淺析[J].中國水運, 2014, 14(11): 197.

YUE Yuanzheng, NING Jinjin, TANG Huichi. The heavyrainfall of pearl river delta influence on the Lingdingyang Current[J]. China Water Transport, 2014, 14(11): 197.

[14] 宿發強, 李進, 寧進進, 等. 珠江三角洲大徑流對港珠澳大橋沉管隧道施工的影響[J]. 中國港灣建設, 2015(11): 1.

SU Faqiang, LI Jin, NING Jinjin, et al. Influence of Pearl River Delta′s large runoff on Hong Kong-Zhuhai-Macao Immersed Tunnel construction[J]. China Harbor Engineering， 2015(11): 1.