外海超大型沉管應急回塢預案

張建軍，管澤旭，寧進進

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

沉管隧道施工技術含量高、施工難度大、不確定因素多以及跨多學科和專業綜合運用集中。目前世界范圍內已成功建設了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、韓國釜山巨濟隧道以及中國港珠澳大橋沉管隧道。

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

韓國釜山巨濟沉管隧道E16沉管浮運就位前GINA止水帶受意外碰撞造成損傷事故，采取的措施是進行沉管拖航回塢、GINA止水帶修復作業后再進行沉放對接，導致工期延誤3個月；日本多摩川沉管隧道某沉管沉放就位后，測量結果發現對接端偏差過大，在糾偏過程發生GINA止水帶側翻事故，采取的措施是重新起浮沉管，拖航回塢、修復GINA止水帶后再進行沉放對接；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，導致樁頂標高高于管底標高，沉管無法沉放到位，采取的措施是沉管拖航回塢，對樁頂進行重新處理后再進行沉放對接。

1 項目概況

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，距珠江入海口51 n mile，沉管段長5 664 m，包含沉管33根，單根重78 000 t，排水量8萬m3，主體結構采用鋼筋混凝土構造，是目前世界上體量最大的混凝土構件[1]。沉管浮運采用社會航道與專用航道的組合航路，總長約12 km，基槽內最大浮運距離約3 km。

港珠澳大橋島隧工程施工初期，按照沉管浮運安裝工序進行相應的風險管控，采用風險源的辨識、分析、評估和風險處置的方法，形成了一套完整的風險管理體系。其中，在沉管浮運安裝關鍵工序風險排查中，篩查出了關鍵設備故障、基床回淤、GINA止水帶破損、測控系統故障等無法繼續進行浮運安裝的重大風險，并需要制定相應的應急預案。在風險管控的基礎上，開展了應急處置專項研究并制定了沉管拖航回塢的應急預案[2]。

2 應急方案比選

采用頭腦風暴法和專家評估法，假定沉管在浮運安裝過程中出現異常的情況下，篩選出了若干應急處理方法，結合國內外沉管隧道的施工經驗和港珠澳大橋項目的實際情況，最終形成了3個初選應急預案，分別為沉管現場系泊、沉管坐底抗流和沉管拖航回塢應急預案。

2.1 沉管現場浮態系泊應急預案

該應急預案采取的措施是在施工現場設置臨時系泊區域，問題或事故發生后將沉管拖航至該區域，采用臨時系泊錨系協助沉管進行現場浮態抗流，進行問題或事故處置后重新沉放安裝。預案應用流程為：啟動該預案→臨時系泊錨系布設→沉管移位→沉管系泊→現場處置問題或事故→抗流等待作業窗口→解除系泊重新沉放安裝。現場系泊示意圖如圖1所示。

圖1 現場系泊示意圖Fig.1 Mooring diagrammatic sketch

該應急預案適用于發生的問題、事故可短時間內（2 d內）在現場處置完成，比如關鍵設備故障、測控系統故障等。若處置周期超過2 d，將錯過當次作業窗口，需現場抗流等待下一個小潮汛期作業窗口（約15 d），但未來15 d內發生的風險不可控，主要風險為：

1）大潮汛期的大流速

沉管至少要在臨時系泊區等待15 d，期間要經歷1次大潮汛，結合施工水域現場實測歷史數據和預報系統預測，大潮汛期間的最大流速為1.3～1.4 m/s，根據計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場的抗流要求。

2）惡劣天氣影響

目前的預報條件無法準確預報未來15 d內的天氣情況，如果遭遇臺風、冷空氣、突發強對流天氣等，其產生的風、浪對沉管的荷載若超過沉管結構的承受極限，則造成的后果無法預料，風險巨大。

3）警戒風險

施工水域處于珠江口航道區附近，沉管長時間系泊對海事警戒和現場值守要求高、壓力大，如果外來船舶闖入臨時系泊區，則沉管安全無法保障。同時，長時間的航道封航、限速將嚴重影響港口正常營運。

2.2 沉管現場坐底應急預案

該應急預案采取的措施是在施工現場設置臨時系泊區域，問題或事故發生后將沉管拖航至該區域沉放坐底進行抗流，問題或事故處置后，現場等待合適的作業窗口重新沉放安裝。預案應用流程為：啟動該預案→碎石墊層整平→臨時系泊錨系布設→沉管移位→沉管系泊→沉管坐底→現場處置問題或事故→坐底等待作業窗口→沉管起浮→重新沉放安裝。

該預案需要提前鋪設沉管坐底的碎石基床。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根沉管采用了坐底防臺的方案。

該應急預案相對于“沉管現場浮態系泊方案”，增加了沉管坐底，可以減少大汛潮流速、波浪和大風的影響，可進行長期現場抗流等待，但還需要考慮其他風險：

1）無滿足要求的碎石基床基礎

沉管坐底需要在整平好的碎石基床上，現場沒有滿足要求的碎石基床。若采取施工前進行坐底基床鋪設，則整個施工周期中，坐底基床存在回淤風險；若采取出現問題現場進行坐底基床鋪設，則作業周期近半個月，風險大、不可實施。

2）沉管起浮風險大

沉管長時間坐底等待后，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，起浮過程中易發生驟然跳出的風險。

3）深槽紊流

大潮汛期深槽底部的紊流情況復雜、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，風險大。

2.3 沉管拖航回塢方案

該應急預案采取的措施是問題或事故發生后立即選擇合適的海況進行沉管拖航回塢作業，在塢內進行問題或事故處置后，選擇合適的作業窗口重新浮運沉管至現場進行沉放安裝。預案應用流程為：啟動該預案→回拖作業窗口選定→沉管拖航回塢→塢內處置問題或事故→等待合適作業窗口→沉管重新浮運至現場進行沉放安裝。

相對于以上2個應急預案，該預案的沉管拖航回塢可以避免沉管長期外海存放的海流、風浪和海事警戒等諸多風險。但該方案同樣面臨著其他不確定風險：

1）浮運線路差別

正常沉管浮運是由狹窄航道進入寬闊水域，返航作業正好相反，沉管拖航操控習慣不同，沉管姿態控制難度增大。

2）落潮流速略大

沉管返航浮運選擇順流拖航，即落潮浮運。根據施工水域歷史小潮汛實測資料，落潮流流速普遍比漲流流速大0.1～0.2 m/s左右，現場拖航難度增大。

3）進塢作業無實操經驗

進塢采用“出塢纜系”控制進塢沉管姿態和速度，雖然有出塢操作經驗和成套的應急預案，但無相關實操經驗，現場實操難度大。

2.4 應急預案制定

對比研究3種應急預案進行風險評級，從風險相對最小、風險可控方面考慮，最后選擇了綜合風險等級最低的沉管拖航回塢方案為現場出現問題或事故時的應急預案，以該方案為基礎，制定了一系列的應急保障措施，并進行了2次現場實施。以港珠澳大橋島隧工程E15沉管一次回拖為例，進行詳細闡述。

3 E15沉管拖航回塢作業

港珠澳島隧工程E15沉管是項目開工以來施工難度最大的一節沉管，由于基槽異常回淤問題導致了E15沉管“三次浮運、兩次回塢”的情況。

E15沉管第一次浮運過程中出現基槽異常回淤引起基床破壞，處置周期超過10～15 d，且根據國家海洋預報中心提供的資料將有一股冷空氣到達，給施工海域帶來強風天氣，沉管不再具備繼續進行沉放安裝的條件，決定啟動沉管拖航回塢應急預案，E15沉管進行第一次回拖。

根據應急預案，沉管拖航回塢作業主要包括作業窗口選定、回塢準備、航道浮運、塢口系泊區臨時系泊、沉管進塢等內容。

3.1 作業窗口選定

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，尋找能滿足目前船舶作業能力的作業窗口條件。

根據應急預案，考慮到預制廠與隧址的相對位置，常規浮運施工按照漲潮流拖航的前提條件，返航回塢作業選擇與常規浮運“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行。

考慮到狹窄航道和進塢難度，為了保證拖航回塢作業的安全，根據應急預案在原作業窗口的基礎上增加兩個限制條件：預制場支航道拖航限制條件是流速0.3 m/s以下；沉管進塢限制條件是流速0.2 m/s以下。當沉管進塢作業窗口不滿足作業條件時，可選擇在榕樹頭航道北段寬敞水域進行現場抗流，等待下一個作業窗口。

E15沉管第一次返航回塢時制定的窗口計劃如圖2所示。

圖2 回拖計劃Fig.1 Process planning of dock back

3.2 回塢準備

回塢準備工作主要包括：

1）作業人員回塢安全技術交底；

2）拖輪、起錨艇船機檢查；

3）塢口進塢錨系布置和預拉；

4）塢內卷揚機纜繩前引纜到塢口；

5）塢口增設多臺照明設備；

6）塢口流場測量。

根據應急預案，海事部門也在第一時間啟動配套的通航應急處置辦法，在最短時間內協調港口運營和社會有關部門制定應急封航和護航方案，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。沉管進塢過程中現場安排4艘海事警戒船值守警戒[3]，見圖3。

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

3.3 浮運編隊

E15沉管拖航回塢采用的航道為專用浮運航道，即“原路返回”。浮運線路為：系泊區編隊→基槽橫拖→第二轉向區→伶仃航道→出運航道二→榕樹頭航道→預制廠航道→塢口系泊區。

沉管回拖過程受到寒潮大風的影響，現場風浪條件接近作業窗口的上限，考慮到首次進行拖航回塢作業，在原有浮運編隊的基礎上，增加2艘拖輪作為應急備用，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 進塢作業

沉管進塢是整個拖航回塢作業中難度最大的工序，進塢作業與出塢作業不同，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。沉管進塢流程為：塢口臨時系泊區沉管系泊→沉管姿態調整→沉管絞移至塢口→纜系轉換→沉管進塢及塢內系泊。

沉管進塢作業借助現有的出塢卷揚機系統實現，主要施工難點和重大風險在進塢作業初期，當船管絞移到塢口內部“港灣”區域后，進塢作業基本不再受到外海的風浪流影響，風險等級降低到可以接受范圍之內，因此本文重點描述進塢作業初期階段的流程。

沉管進塢作業初期階段包括臨時系泊區系泊、沉管姿態調整、沉管絞移至塢口3個步驟。施工過程中主要依靠拖輪與纜繩共同配合控制管節姿態。拖輪離開后主要依靠岸上卷揚機系統、安裝船卷揚機系統和塢外的錨泊纜系提供前進動力，控制姿態。

1）臨時系泊區系泊：浮運到位后，解除艏端1號、2號兩艘拖輪，利用剩余拖輪控制沉管姿態后，同時完成沉管艏艉兩端5根纜繩的連接，收緊纜繩后解除艉端1號、2號，左舷6號、8號拖輪。

2）沉管姿態調整：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整沉管姿態，將沉管軸向調整到與塢口平行，并做好進塢絞移準備。

3）沉管絞移至塢口：絞移初期采用艏端絞車提供前進動力，艉端錨纜控制絞移速度，右舷5號、7號拖輪頂推配合控制沉管軸線，至艏端絞車角度呈45°左右，可控制沉管姿態后，解除右舷拖輪，完成拖輪控制到纜系控制的轉換，纜系控制更容易控制沉管的位置、姿態和安全。沉管絞移到“喇叭口”后，更換塢內絞移纜系，后續絞移進塢風險較低，這里不再贅述。

4 結語

港珠澳大橋島隧工程E15沉管兩次拖航回塢，是國內外的首次外海沉管拖航回塢作業，是在全面風險排查、成功的施工決策和可行的應急預案的保障下，克服了毫無施工經驗、寒潮惡劣天氣、水文條件的影響下達成的，避免了由于進行問題或事故處置而可能引發的新風險或事故的發生。

該案例的成功實施驗證了所制定的沉管浮運安裝突發問題、事故下沉管拖航回塢應急預案的可行性。該應急預案以及配套的風險管理措施為后續沉管隧道施工提供了難得的經驗，值得借鑒。