超大型沉管浮运的风险管控

宿发强

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道穿越珠江口广州、深圳西部港区出海主航道，沉管段长5 664 m，共有沉管33节。沉管截面采用两孔一管廊形式，标准沉管长180 m，宽37.95 m，单节重78 000 t。

该项目的沉管是目前世界上体量、重量最大的预制钢筋混凝土构件，一方面沉管迎流面积大，惯性大，造成沉管姿态控制难度极大；另一方面沉管浮运是在外海、有限航区浮运，海浪、海流条件复杂；另外沉管的浮运方式与传统的沉箱拖运差别很大。在充分考虑施工难度、风险的情况下，项目部从浮运设计、前期演练、浮运指挥等方面进行风险管理，争取将风险降到零。

1 浮运风险分析

1.1 航道狭窄

浮运航道总长约12 km，基槽内浮运最大距离约3 km，为了不影响社会船舶的通航，采用3条浮运线路，每节管节浮运有3次航道转换。满足管节浮运的航道底标高为-14.4 m（1985国家高程基准），浮运航道和基槽最窄宽度仅为240 m和76 m。

1.2 水流力大

航道区轴线几乎和涨落潮主流向平行，基槽轴线几乎和涨落潮主流向垂直。浮运区落潮流向（逆流作业） 主要有180°和167°两个方向。

通过以下水流力公式可计算出沉管在拖航阶段的拖航阻力[1]：

式中：R为拖航阻力，kN；Cw为水阻力系数；ρ为水的密度；A为迎流的面积，m2；V为流速，m/s。

沉管纵拖按照流向180°、流速1 kn、绝对航速2 kn计算标准管节纵拖阻力约为500 kN，考虑20%的波浪增阻，水流力合计约为600 kN；沉管横拖按照流向180°和流速1 kn，绝对航速1 kn计算标准管节横拖阻力约为1 000 kN，考虑20%的波浪增阻，水流力合计为1 200 kN。

1.3 船舶配合难度大

经过浮运演练确定了10艘拖轮配合的拖带方式，为降低风险，现场安排4艘起锚艇随航应急。10艘拖轮相互配合控制沉管拖航速度、姿态难度大，指挥人员同时协调14艘船舶难度大。

1.4 警戒难度大

港珠澳大桥岛隧工程位于珠江口伶仃洋西部、大屿山以东水域，岛隧区及附近水域现有通航航道主要有伶仃航道、铜鼓航道、榕树头航道和龙鼓西航道等，航线密集，通航密度大，船舶种类复杂，几乎涵盖了所有船种，现场海事部门警戒、封航难度大。

2 浮运设计

2.1 浮运演练

在首节沉管浮运前，使用排水量超过45 000 t的半潜驳替代沉管进行了4次浮运演练。主要演练内容见表1。

经过4次浮运演练，基本掌握航道水深、航道宽度和拖轮性能等情况，增加拖轮配合熟练程度，并为首节浮运做好准备。

图1 沉管纵拖、横拖示意图Fig.1 Sketch of vertical and horizontal pulling the immersed tube

表1 浮运演练的主要内容Table1 Main content of floating drills

2.2 拖带方式

经过4次沉管浮运演练，确定了4艘拖轮吊拖、4艘拖轮绑拖和2艘拖轮基槽内顶流的拖轮拖带方式。现场需要10艘拖轮抗流、调整姿态和控制沉管在航道内浮运，拖轮配合和指挥难度大。考虑到拖轮及尾流等因素[2－3]，经过计算和现场演练，确定了4艘吊拖拖轮的拖拽角和缆绳长度分别为30°～45°和60～80 m。沉管纵拖、横拖方式见图1。

2.3 作业窗口

为了降低海流对沉管浮运、安装的影响，沉管的浮运作业窗口选择在每月的小潮汛期间。在总结浮运演练和前两节沉管浮运过程的基础上，摸索出沉管可以顺流拖航。作业窗口的选择除了考虑涨落潮、流速，还要考虑上下工序的限制条件和各相关工序的作业时间。根据总体气象窗口限制条件，选择浮运气象窗口见表2。

表2 浮运作业窗口Table2 Operation window of floating

3 安全措施

3.1 浮运导航软件

浮运导航系统利用1台双天线信标机作为沉管定位设备，主界面实时显示沉管信息，指挥室通过有线传输视频信号实现软件显示。主要硬件配置包括信标机、无线电台、无线AP、电脑等。为降低风险，现场共配备3套独立浮运导航系统。

浮运导航系统实时、同步采集GPS的坐标数据，计算各特征点与GPS之间的空间关系；显示沉管在深坞及出坞编队区的地理位置；实时显示实测的流速、流向数据，实时显示现场实测的海水密度；用户可以设置使用不同颜色显示不同的水深范围及满足出坞浮运要求的水深范围，设置不同颜色显示沉管出坞航道的控制边线、中心线，在显示器上准确显示沉管位置和到坞门、边坡的距离，并设置每5 m 1条横向间隔线以判断沉管出坞的实际位置，见图2。所有数据实时记录，可回放用于事后观摩研究。自动记录相关数据为数据库格式。

图2 浮运导航软件现场施工图Fig.2 Construction site by using floating navigation software

3.2 海流观测、预报

为了掌握浮运航道的海流特征及变化规律，为沉管浮运提供水文参数，在浮运航道的重要转折点、回旋水域和基槽南北侧，共安放固定的测流仪5台。在流场比较复杂区域如坞口、基槽进行多点、定期测流。

联合专业单位对各航道进行潮位、海流预报，流场复杂的区域增加潮位、流速预报点，如在坞口设置3个预报点，利用预报数据选择符合作业窗口的时间段，编制浮运计划。

3.3 风险排查

浮运施工风险排查以“全员、全过程、动态管理”为思路，采用头脑风暴法与专家调查法相结合的方式，由沉管浮运技术人员、操作人员和咨询专家共同辨识和确认出浮运中可能出现的风险，并根据施工经验分析制定针对筛选出的风险对应的风险等级和风险应对措施等相关内容。截止到现在，共筛选出浮运风险20余项。

针对筛选的浮运风险，制定一系列的风险排查工作。目前风险排查分两步完成，第一步为不定期的风险排查；第二步是施工前进行全面的风险排查。风险排查的内容见表3。

表3 风险排查记录表样式Table 3 Record chart of risk investigation

3.4 应急预案

通过对管节浮运施工工艺可能存在的危险源的分析和识别，在施工过程中可能会发生沉管搁浅、断缆、突发强对流天气等引发的生产安全事故。为保证人员、设备、工程结构物的安全，结合施工现场的具体特点，除按规定严格做好安全防护，加强管理外，还必须建立适合现场特点的应急救援机制，制订和完善相应的应急组织预案。根据前期施工经验和现场发现的风险点，目前制定了一系列的应急预案，包括坞口编队、搁浅、强对流天气等应急预案。

4 结语

为降低沉管浮运的风险，从前期准备、拖带设计入手，借助导航软件、海流分析预报等手段保障拖航安全，加强日常的风险排查工作，并针对突发风险制定相应的应急预案，从目前的施工情况看，这些风险管控措施是有效的、可行的。