外海超大型沉管拖航演練研究

寧進進

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概述

港珠澳大橋島隧工程的沉管隧道位置在珠江口外的伶仃洋海域，與珠江入?？诘木嚯x為51 n mile，沉管段長5 664 m，共有管節33個，單根重78 000 t，排水量8萬m3，是目前世界上最大的混凝土構件[1]。浮運航道總長約12 km，基槽內浮運最大距離約3 km。每節管節浮運需經3次航道轉換。

浮運航線有2條，沉管浮運航道有3條：

1）預制場航道→榕樹頭航道→出運航道一→第一轉向區→基槽→安裝位置（E1—E8、E10、E12—E14管節）→系泊作業。

2）預制場航道→榕樹頭航道→出運航道二→伶仃西航道→第二轉向區→基槽→安裝位置（E9、E11、E15—E20管節）→系泊作業。

3）預制場航道→榕樹頭航道→出運航道三→第三轉向區→基槽→安裝位置（E21—E28、E33—E29管節）→系泊作業。

沉管浮運是島遂施工中技術難度最高、風險最大的施工，主要風險和難度包括：浮運時需13艘拖輪同時配合作業，一致性要求高，協同作業難度大；管節尺寸及重量大、慣性大，現場姿態控制難度大；施工區域屬于外海，并臨近珠江口，受氣象、流場、徑流影響大，現場施工環境復雜；流向與基槽垂直，基槽水流力較大，風險大；基槽滿足浮運要求的區域狹窄，姿態控制難度大；管節基槽橫拖距離較大，約1.2 km。

為了降低沉管浮運安裝的風險，在首節沉管出運前，在浮運航道區采用拖帶大型半潛駁的方式進行了4次拖航演練。

2 演練船舶

港珠澳大橋島隧工程的沉管寬度、高度分別為37.95 m、11.4 m，長度主要分為6種，最短的管節長度為112.5 m，標準管節的長度為180 m?？紤]到首次拖航為短管節，因此按照短管節的尺寸和排水量安排了2艘半潛駁船“重任1500”、“招商重工1號”進行拖航演練，2艘半潛駁船與短管節E1、E2的對比情況見表1。

表1 演練半潛駁船主要尺寸情況Table1 Themaindimensionparameterofsemi-submerged barge

3 拖帶方式

目前沉管通用的拖航方式一般分為2種，在非受限水域采用4艘拖輪“吊拖”的方式，如上海外環隧道管段浮運[2]采用4艘拖輪吊拖（圖1）；在受限水域特別對沉管姿態要求嚴格時在吊拖的基礎上增加傍拖拖輪，如國內在建的紅谷隧道在拖航過程中沉管兩側增加了傍拖拖輪（圖2）[3]。

圖1 上海外環隧道管段浮運方式Fig.1 Floating method of Shanghai outer ring immersed tunnel

圖2 紅谷隧道拖輪編隊方式Fig.2 Honggu tunnel tug formation method

考慮到港珠澳大橋沉管浮運航道最窄區域僅為240 m，為了更好地進行管節姿態控制，初步確定了“吊拖+傍拖”的組合拖航方式，隨著演練的逐漸深入，傍拖拖輪的帶纜方式和拖輪數量也逐步優化。

第1次演練時，安排2艘拖輪傍拖，拖輪艏艉通過尼龍纜連接到半潛駁的系船柱上，需要頂推時尾端尼龍纜松纜實現直接頂推，見圖3。為了便于傍拖拖輪進行頂推作業，在第2次演練時優化去掉了拖輪尾端纜繩，見圖4。在第3次、第4次演練中，從控制管節尾端左右位置考慮，在半潛駁船左右兩側后方新增加2艘傍拖，帶纜方式不變，見圖5。

圖3 第1次演練拖輪編隊方式Fig.3 The first tug formation method

圖4 第2次演練拖輪編隊方式Fig.4 The second tug formation method

圖5 第3次、第4次演練拖輪編隊方式Fig.5 The third and fourth tug formation method

在演練中，著重對吊拖拖輪的操控性進行研究，并通過現場流速觀測了解拖輪尾流對被拖船的影響，采用射流理論對尾流進行計算[4]，相關速度場計算見式（1）、式（2）。

綜合考慮將首尾端拖纜的長度由原來120 m、100 m改成100 m、60 m，并將吊拖拖輪的拖拽角范圍定在30°～45°，后續33節沉管拖航中拖纜長度、角度基本保持不變。

4 演練情況

4.1 演練時間與路線

在2013年1月28—29日、3月1日、4月8—9日和4月27—28日進行4次大型浮運演練。考慮到E1現場施工情況，第1次、第2次浮運演練選擇模擬E29管節進行演練，采用浮運線路一，即塢口編隊區→預制廠支航道→榕樹頭航道→出運航道一→第一轉向區（逆時針）→基槽→E29系泊位置。第3次、第4次浮運演練模擬E1管節進行演練，采用浮運線路一，即塢口編隊區→預制廠支航道→榕樹頭航道→出運航道一→第一轉向區（順時針）→基槽→E1系泊位置。

4.2 驗證性演練

為了模擬實際拖航中的各種工況，模擬浮運流程開展了驗證性演練，主要包括：

1）起拖演練：艏端2艘吊拖拖輪5 000 kW（6 800 HP）、5 071 kW（6 900 HP）的轉速在 500～550 r/min，在10 min內航速由0提高到1 kn。

2）剎車演練：艉端吊拖、傍拖拖輪配合，將航速由2 kn降到0.2 kn，總剎車距離約100 m，用時5 min。

3）轉向演練：回旋水域轉向是由縱向拖航改成橫向拖航的關鍵，水流力增大到原來的4倍左右。調頭區轉向演練選擇在平潮期，分別針對不同的轉向區進行順時針、逆時針轉向過程，轉向中吊拖1號、2號和傍拖5號拖輪調整頻繁。

4）系泊穩船演練：由于沉管系泊和送纜期間需要現場拖輪配合保持船管位置不動3～4 h左右，因此在基槽橫流期間開展了多次系泊穩船演練。

4.3 加速演練

管節拖航是在浮運安裝的作業窗口系統內進行，且是關鍵線路。為了了解浮運的總體時間，便于編制合理的浮運安裝計劃，演練中著重進行了幾種加速演練，主要包括：

1）艏端拖輪直拖演練：艏端拖輪拖拽角調整成0°，見圖6（a），整體提高航速約0.5 kn。

2）傍拖拖輪提速演練：傍拖拖輪配合艏端吊拖拖輪進行加速，艏端拖輪拖拽角度保持30°，可以增速0.5 kn。

3）“出”字形加速演練：演練艉端拖輪向前吊拖的情況，“出”字形拖帶方式見圖6（b），該種方式可以提高航速約0.2 kn。

圖6 拖帶方式示意圖Fig.6 Tug diagrammatic sketch

4.4 應急演練

采用頭腦風暴法與專家調查法相結合的方式，由沉管安裝風險管理組、任務組、作業班組所有相關人員和咨詢專家共同辨識和確認施工風險源，并結合相關項目的施工經驗，對管節浮運進行風險篩選，初步篩選出19項風險。

對于風險點中經過處置仍處于高風險的情況，在浮運演練中有針對性地進行了相關應急演練，主要開展了人員落水演練、斷纜應急演練、出基槽擱淺演練、回拖演練和霧航演練。通過相關應急演練，熟悉和優化了演練過程，切實降低后續浮運施工風險。

4.5 系泊送纜演練

經過多次錨抓力試驗，選擇了8 t HY-17大抓力錨為系泊用錨，并設計了沉管施工錨系布置，其中包括8根M纜系泊錨系、4根H纜安裝纜系[5]?？紤]到HY-17錨的特性，并盡量縮短系泊期間關鍵線路作業時間，管節系泊錨系的作業過程分為提前拋錨、現場帶纜、錨系解除和移錨。為演練關鍵線路系泊過程，開展了系泊送纜演練。

按照標準管節的錨位，在E1系泊區域南側提前布設4口錨。系泊演練定在漲潮期進行，按照系泊流程演練南側4根M纜的送纜過程和錨系連接過程，驗證系泊送纜的功效，期間1號、3號拖輪與軸線夾角在30°～45°，2號、4號拖輪與軸線夾角在45°～60°。采取兩組起錨艇進行帶纜作業，一組為兩艘起錨艇，一艘為全回轉起錨艇，另一艘為非全回轉起錨艇，按照系泊帶纜順序依次帶纜。接纜時錨艇要90°頂在安裝船上，接到纜繩后倒車離開，倒出100 m后調頭改為正拖，系泊演練示意圖見圖7。

圖7 系泊演練示意圖Fig.7 Mooring drill diagrammatic sketch

5 浮運導航系統改進

國內的沉管隧道如紅谷隧道工程、廣州侖頭—生物島沉管隧道也開發了沉管導航軟件“沉管隧道施工綜合定位系統”，是在“海上導航定位系統”基礎上的改進版，目前“海上導航定位系統”已廣泛應用于淺海過渡帶勘探的導航定位[3]。

為了滿足外海、有限航區拖航的使用要求，便于同時指揮超過10艘拖輪，自主研發了基于GPS定位的導航系統[1]，并在演練中進行系統調試、試驗。由于新開發的系統尚不成熟，在演練中出現了信號中斷、信號延遲、拖輪信息丟失等情況。針對出現的問題，增加了2套RTK GPS定位導航軟件，用于顯示沉管位置，用信標機信號作為備用數據。RTK GPS和信標機均安裝在主駁上，信號通過有線連接進入軟件，避免由于無線傳輸障礙引起數據丟失，并在顯示界面上增加了便于拖輪指揮的運動趨勢、海流顯示、拖纜情況顯示、航標顯示等多項功能，經過4次演練，導航系統逐步成熟、完善。

6 管節拖航仿真模擬桌面系統

為使指揮人員對沉管操控性更熟悉，便于在電腦上模擬管節拖航操作，在演練經驗的基礎上，研發了“管節拖航仿真模擬桌面系統”[6]。

桌面系統的主界面包括電子海圖、拖輪和管節示意圖、菜單欄、狀態欄等。菜單欄可以進行系統運行、暫停等一系列操作，可以調出水文氣象數據輸入、數據瀏覽、串口通信等子窗口程序。狀態欄實時顯示管節的經緯度、航速和首向信息。

拖輪控制界面包括拖輪配置示意圖、拖輪操作和管節信息。拖輪配置示意圖顯示拖輪的編號情況。拖輪操作部分可控制拖輪并顯示拖輪馬力情況。管節信息部分顯示管節的詳細信息，包括橫向和縱向速度、角速度、加速度以及受力信息等，為管節操縱提供輔助。

7 結語

經過4次大規模的浮運演練，已基本掌握航道水深、航道寬度和拖輪性能等情況，逐步完善了浮運導航軟件、浮運系泊流程等關鍵內容，提出的“吊拖+傍拖”的組合拖帶方式和“管節拖航仿真模擬桌面系統”，成功地降低了有限航區、外海浮運施工的風險，為沉管管節E1—E33零事故浮運安裝打下堅實的基礎。