超大型沉管防臺方式對比

寧進進，朱嶺，李進

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、低壓的強烈渦旋的統稱。其水平環流半徑一般為數百公里，垂直環流高度約10 km[1]。

港珠澳大橋沉管隧道施工區位于珠江口，屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，根據統計1949—2011年63 a間經過珠江口海域的熱帶氣旋共75個，年平均1.2個，最多時1 a有4個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，預制安裝管節33節，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劃30萬t油輪航道，最大水下深度46m。

沉管出塢、浮運、系泊、安裝以及防臺避風主要通過沉放駁錨機系統進行控制保護，每節沉管浮運安裝需要2艘沉放駁，每艘沉放駁上的纜繩系統包括系泊纜索（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，所有的纜索卷筒和絞車均布置在沉放駁系統甲板上，纜索規格見表1。

2 熱帶氣旋對超大型沉管的安全危害

2.1 強風災害

超強風力可能造成船舶與管節連接纜繩等防風設施因抗風能力不足而斷裂，導致船舶與沉管發生碰撞，損壞沉管。

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

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

船管在抗風過程中，主要受風面是沉放駁，其風阻力計算公式為：

式中：籽為空氣密度，按1.22 kg/m3計算；V為風速，m/s；Ai為受風面積，m2，按頂風計算；Cs為受風面積Ai的形狀系數，按照Cs=1進行計算。

按照該公式對6~8級風進行風阻力計算，其中沉管干舷按照15 cm計算，計算結果詳見表2，受大風影響，沉管和沉放駁受力增加數倍。

表2 沉放駁、沉管風阻力計算表Table 2 The calculating table of wind resistance of sinking bargeand immersed tube

沉管管頂設有人孔井和測量塔，屬于高聳結構，最大高度接近40 m，測量塔為三角形鋼結構，人孔為圓筒形式，迎風面大，約為113 m2。超強風作用下可能存在傾倒碰撞，嚴重危害沉管安全。

2.2 暴雨災害

臺風影響時，多數時候伴有暴雨，甚至是大暴雨或特大暴雨，海上能見度降低至幾米[3-4]，防臺搶險人員帶纜防護工作困難加大，而且大暴雨期間管節和船甲板濕滑，作業人員容易摔倒，且均為鄰水、臨邊作業，如果落水，既難以發現，又難以施救。

2.3 風暴潮災害

臺風天氣帶來的風暴潮減水可能造成管節觸底，導致GINA、端鋼殼、管節損壞。

3 超大型沉管防臺方式

從近幾年的臺風登陸情況看，臺風對珠江口影響的可能性較高，強度也大，為了盡量保證沉管安全，降低臺風破壞風險，港珠澳大橋沉管安裝團隊開展了在封閉式、半封閉式、開敞式區域進行船管防臺的技術研究，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的開闊水域，這種防臺方式是在施工區現場或者人工島附近、開闊水域進行現場防臺，通過沉放駁纜系和現場拖輪進行聯合防臺，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。沉放駁現場系泊抗風纜系見圖2。

目前港珠澳大橋沉管現場系泊、安裝錨型選用的為HY-17型大抓力錨。根據現場地質、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先開挖好的下潛區進行防臺避風，一般在無掩護的水域遇到強臺風才采用沉管坐底防臺。

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

開敞式+坐底方式防臺避風，需要預先開挖沉管的下潛防臺區域，考慮到疏浚和擋風影響，該區域應該選擇在人工島附近，為了保證管節水下臨時寄存、起浮以及防臺避風的安全，下潛區域需要提前鋪設一節標準管節碎石墊層，并在下潛區周邊提前布設預拉好8口系泊錨系。當出現強臺風惡劣天氣或施工現場出現突發情況不能安裝時，管節回拖至下潛區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行防風錨固。

管節沉入海底防臺避風期間，沉放駁的臍帶纜保持與管節連接，同時需要安排專人監測管節封門安全、CCTV和管節運動姿態，確保管節在海底的安全。

3.3 封閉式+漂浮

封閉式防臺是將沉管存放在一個四周封閉的水域內進行防臺避風。以桂山深塢區為例，防臺方式就是以封閉式+漂浮進行防臺。

沉管預制廠浮塢門采用鋼筋混凝土重力式箱形結構+鋼扶壁組合結構形式[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，設計吃水10.5m。

根據臺風生成強弱情況，決策是否需要進行浮塢門關閉作業。浮塢門關閉是通過絞纜系統將浮塢門沿規定路線從寄存區絞移至塢口區，通過控制艙格內壓載水高度，精確地放置到塢口基礎上，塢門絞移線纜、塢門關閉流程詳見圖3。從塢門關閉的施工經驗看，塢門關閉需要乘潮作業，一般情況下關閉塢門需要24~36 h，因此防臺保護措施需要提前2 d進行部署，這就需要精準預測臺風動向，便于決策的及時有效。

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

塢門關閉完成后，沉管采用漂浮的方式在深塢區抗風，在管節塢內系泊的基礎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不完全封閉的水域內進行防臺避風，這種防臺方式也是屬于塢內防臺，只是防臺期間塢門未關閉。

管節在深塢采用漂浮方式，塢內系泊纜系基本與封閉+漂浮相同，采用P纜、H纜和尼龍纜進行系泊抗風。

4 超大型沉管防臺方式對比

結合港珠澳大橋沉管隧道防臺避風施工經驗，對以上4種防臺方式進行優劣比對，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

根據施工經驗判斷，開敞式防臺方式風險很大，船舶、沉管和現場作業人員安全很難保障，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拉布設，其造價高，防臺準備工序繁多。根據目前港珠澳大橋島隧工程沉管隧道安裝使用的沉放駁設計情況和錨抓力能力[6]，船管可以在7級風以下進行現場系泊抗風，因此在限定風速內可以使用開敞+漂浮方式進行船管現場抗風。

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際情況，對封閉式防臺進行對比分析。

4.2.1 半封閉式防臺案例

2014年第15號臺風“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，登陸時中心附近最大風力40m/s。

為保證E13管節順利安裝，本次防臺桂山島預制廠深塢區塢門沒有關閉。根據以往防臺經驗，結合臺風“海鷗”特點，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）與沉管吊點連接，L纜受力提起沉管，使單個吊點受力增大至280 t，同時增添了8根尼龍纜加固船管連接。

5）同時安排專人24 h值班，關注臺風變化情況。

由于塢門未關閉，波浪從北側由塢口傳入深塢。15日夜間受塢外涌浪影響，管節開始出現晃動，晃動幅度較大。

臺風“海鷗”破壞力巨大，給沉管系泊設施造成了較大破壞。本次防臺損失累計：斷裂25 t系船柱2個，斷裂直徑準40高強尼龍纜16根，斷裂直徑準65普通尼龍纜14根，斷裂直徑準90和準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，直接經濟損失高達數百萬元。

4.2.2 封閉式防臺案例

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

根據以往防臺經驗，對沉放駁、沉管采取以下系泊措施：

1）關閉桂山島預制廠深塢塢門。

2）塢內沉放駁、沉管系泊抗風帶纜位置與上述相同（詳見圖4）。

3）為抵抗涌浪、陣風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，根據臺風、風暴潮級別大小，專人實時監控，及時調整纜繩長度。

深塢塢門關閉后防止外海涌浪進入，對沉管起到很好保護作用。本次臺風風力比“海鷗”更大，且幾乎正面襲擊沉管所在區域，但未造成設備、材料損失。

5 結語

超大型沉管隧道防臺保護措施研究對沉管安全起著至關重要的作用。通過沉管防臺保護措施方式對比和桂山島塢內沉管防臺實例分析，從安全性、實效性、經濟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最優方案，為后續同類型沉管隧道施工提供借鑒。

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[2] 秦鵬，黃浩輝，李春梅. 珠江口海域熱帶氣旋氣候特征及最大風速計算[J]. 氣象研究與應用，2013，34（2）：26-30.QIN Peng, HUANG Hao-hui, LI Chun-mei. Climatic characteris-tics of tropical cyclones and its maximum wind speed calculation in Pearl River estuary and the nearby sea area[J]. Journal of Meteoro-logical Research and Application, 2013, 34(2): 26-30

[3]馮穎竹.登陸廣東熱帶氣旋的氣候特征及災害特點[J].仲愷農業工程學院學報，1997，10（2）：38-44.FENG Ying-zhu.The climatic and disaster features of tropical cyclone in Guangdong[J].Journal of Zhongkai Aguotechaical Col—lege,1997,10(2):38-44.

[4] 劉春霞.登陸或影響廣東省熱帶氣旋氣候規律的初步分析[J].廣東氣象，1998（S2）：49-51.LIU Chun-xia.Preliminary analysis of landing or influencing climate laws of tropical cyclones in Guangdong Province[J].Guangdong Meteorology,1998(S2):49-51.

[5] 李惠明，梁杰忠，袁立.塢門大沉箱預制技術[J].中國港灣建設，2013（3）：55-59.LIHui-ming,LIANG Jie-zhong,YUAN Li.Technology for pre-casting of caisson type dock gate[J].China Harbour Engineering,2013(3):55-59.

[6]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）：82-86.SU Chang-xi,FENG Hai-bao.Experimental study on mooring anchor selection and anchor system design of large immersed tube installation[J].China Harbour Engineering,2017(5):82-86.