外海沉管浮运安装作业窗口管理及工艺计划研究

宁进进, 岳远征

(中交一航局第二工程有限公司， 山东 青岛 266071)

0 引言

沉管浮运安装是沉管隧道施工中技术难度最高、风险最大的分项工程。为了保证施工安全，一般沉管隧道都会提出有针对性的作业窗口限制条件，像日本的川崎港隧道、临海隧道均提出了“气象海况基准值”作业窗口限制条件。

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5 664 m，共有管节33个，是迄今世界上规模最大的海上沉管隧道工程。单根管节质量为7万8 000 t，排水量为8万m3，是目前世界上最大的混凝土构件[1]。港珠澳大桥沉管隧道属于外海施工，尺寸巨大，受风浪流影响比较明显。为了降低沉管浮运安装的风险，开创性地针对每个关键工序提出严格的外海、超大型沉管浮运作业窗口管理系统，并在窗口范围内结合潮位、海流情况对每管节制定详细的浮运安装工艺计划，为每根沉管安装选择了最佳的作业时机。本文将从浮运安装作业流程、作业窗口管理及浮运安装工艺计划等方面介绍港珠澳大桥沉管隧道沉管的浮运安装作业。

1 浮运安装作业流程简介

管节安装施工的主要过程包括浮运和沉放2个阶段，是一个连贯的、不间断的作业过程，其主要施工流程包括出坞、浮运、系泊、沉放及对接等。

沉管出坞是沉管浮运安装中的首道工序，主要利用安装驳上的绞车及岸上的卷扬机完成，出坞后在坞口区拖轮直接编队进行浮运。沉管出坞用的设施包括安装驳绞车、岸上卷扬机、岸上系缆柱和海上系船浮鼓等[2]。

沉管浮运是沉管由预制场转移到安装区的工序，管节浮运包括坞口浮运编队、航道和基槽内浮运及转向区转向等作业。浮运航道总长度约12 km，基槽内浮运最远距离约3 km。港珠澳大桥沉管隧道的浮运是通过10～12艘大马力全回转拖轮将沉管由特定的浮运航道拖运到施工现场。为了保证沉管浮运安全和社会船舶正常作业，港珠澳项目部开辟了3条浮运专用航道[3-4]。

沉管系泊是沉管由拖轮控制转为锚系控制的过程，为了减少关键线路的系泊作业时间，浮运安装前提前将12口HY-17大抓力锚在指定位置进行抛锚和预拉等作业，标准段管节系泊锚系包括8根系泊缆和4根安装缆(见图1)。管节在基槽内纵拖至距离已沉管节尾端20～50 m位置时开始进行系泊定位作业。GPS实时监测管节具体位置，拖轮编队抵抗水流影响，采用多艘锚艇分2组协同同时送缆，驶至相应锚位后与安装锚、系泊锚相连，形成管节系泊定位锚系[5]。

图1 标准段管节锚系布置图(单位： m)

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

沉放和对接作业在沉管隧道施工中风险最大、难度最高。管节系泊等待直至沉放窗口来临，开始沉放对接作业。利用压载水控制管节负浮力[6]、锚碇系统控制管节平面位置、吊索绞车系统控制管节沉放速度、测控系统指导管节对接就位。管节落于基床后，拉合千斤顶精确测量、调整管节对接端偏差，并进行拉合使GINA初步压缩。接合腔排水使GINA完全压缩完成水力压接。贯通测量确定管节轴线偏差，偏差超过设计要求时采用体内调整系统精调。管节安装偏差满足设计要求后，向压载水箱内灌水至1.05倍抗浮系数[6]，完成管节沉放对接。锁定回填[7]后拆除舾装设施，完成管节安装。

2 作业窗口管理

2.1 施工区水文气象条件

伶仃洋潮汐类型属于不规则的半日混合潮。从实测潮位过程曲线分析，不等现象明显，其中大潮期间日潮现象较明显，小潮期间半日潮现象明显，中潮介于两者之间。涨潮的流向以偏N为主，落潮的流向多为偏S。水域汛期潮位变化见图2。工程水域高潮位由外海向珠江口内逐渐增大，低潮位由外海向珠江口逐渐降低，潮差也有由外海向珠江口内逐渐增大的趋势[8]。

图2 水域汛期潮位变化图

根据九澳站1986—2001年波浪观测资料统计，常浪向为SE、ESE和S向，出现频率分别为20.024%、18.693%和16.907%；强浪向为ESE—S向；有效波高大于1 m的波出现频率为4.96%。该站实测最大有效波高(Hs)为2.86 m，周期(T)为10.1 s，波向为SE向，出现于1989年7月18日8908号(Gordon)台风期间。港珠澳大桥站2007年4月—2008年3月和2008年6—10月的实测资料显示，全年常浪向为S向，出现频率为17.79%，次常浪向SSW向，出现频率为13.14%；强浪向为SSW向，有效波高大于0.8 m的波出现频率为 2.04%。该站实测最大有效波高(Hs)为3.64 m，周期(T)为5.3 s，出现于2008年12号台风“鹦鹉”期间。

工程区盛行风向以东南偏东和东风为主，但季节变化明显。香港横澜岛测风站一年四季的盛行风向均为东风，秋冬季主导风向为东北风，春季为东和东南偏东风，夏季主导风向扇面较宽，在西南到东风之间变化，其中以西南风为主。

按能见度小于1 000 m为标准计算，香港年平均雾日为5.9 d。多雾天气集中于每年的1—4月，其中以3月雾日最多，平均7.3 d，6—11月极少出现雾日。

2.2 作业气象窗口的确定

作业气象窗口是指一个连续的时间段，在此期间水文、波浪及气象条件满足浮运安装作业要求。日本川崎港隧道也提出了作业气象窗口(气象海象基准值)，但只是较为宽泛地对应全施工过程。川崎港隧道作业窗口条件见表1。

表1 川崎港隧道作业窗口限制条件表

管节浮运沉放关键作业(从出坞、浮运至沉放完成的施工阶段)需要的作业时间为24～36 h，考虑实际施工中因各种原因可能产生的延误，确定单管节安装(浮运和沉放)周期为48～72 h，即每个管节安装的必要作业窗口时间为2～3 d。

为了减小外部水文气象条件对沉管浮运安装的影响，并降低船舶、设备的建造费用，提出作业窗口的概念，即寻找能满足目前船舶作业能力的作业窗口条件。作业限制条件主要包括对浮运安装影响显著的海流、波浪、风和雾等外部环境条件，其中海流力占所有外部作用力的80%～90%,是作业窗口限制条件的首要因素。

2011年开展浮运阻力模型试验，初步确定沉管拖航过程中的水阻力系数[9]，考虑到逆流拖航时船舶操控性比较好，初步选定拖航方式为逆流拖航。按照配备拖轮的能力，暂定作业窗口条件为表层10 m，平均流速小于0.8 m/s。2011年第4季度开展大量锚抓力试验，最终确定系泊锚系采用荷兰的HY-17型锚[10-12]。锚的最大拉力按照1 200 kN计算，考虑缆绳角度和一定安全系数，初步确定系泊的流速限制条件为流速小于1.3 m/s。关于对接窗口的边界条件，经查阅国外相关资料、借鉴日本和韩国施工情况，并考虑潜水水下作业要求，初步确定沉放对接的流速限制条件为小于0.5 m/s。

通过数值分析，在港珠澳沉管的浮运和锚泊力的计算中，除水流力外还考虑波浪力的作用，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%计算。

项目初期的窗口限制条件是根据前期招标文件、数学物理模型计算提供成果进行分析确定的，经过4次浮运演练和十几根管节的现场实际作业，并综合考虑目前船舶的能力，进一步修订、完善了作业窗口限制条件，主要修改的内容为流速条件。修改后的作业窗口限制条件见表2。

表2 修改后的作业窗口限制条件表

港珠澳大桥处于珠江口影响范围内，珠江流域的降雨引起的大径流对施工区的海流影响显著，结合现场研究暂定珠江的北江、东江和西江(马口站、三水站、博罗站)的径流量总和不大于2万m3的情况满足作业条件[13-14]。

2.3 作业窗口保障系统

本项目委托国家海洋环境预报中心进行长期观测数据、预报模型的分析和工程区水文气象综合预报保障系统的建立，为管节安装提供窗口预报保障服务和决策支持。后方预报包括精细化天气、海浪、海流的数值预报产品，以及针对工程区的各类常规预报产品。现场实时监测目的有2个： 一是校核预报系统模型，二是作为现场作业的保障。主要预报内容如下： 1)气象预报要素，包括天气现象、风向、风速及水平能见度等； 2)海浪预报要素，包括波高、周期及波向； 3)海流预报要素，包括流速及流向； 4)潮汐预报要素，包括潮高、高低潮位及高低潮时等。

3 浮运安装工艺计划

水流力是沉管浮运安装中受到的最大外力，工艺计划的编制主要参考潮位和流速条件。阴历的7日和23日左右是阴历1个月中2次潮汐动力最弱的时期，也就是流速相对较小的时期，本地船长称之为“死水期”。经过长期的观测，珠江口区域的7日和23日的潮汐存在一定的差异。整体而言，上半年的23日附近的窗口期优于7日的窗口期，下半年7日的窗口期优于23日的窗口期。

3.1 工艺计划的初步确定

项目初期，结合大型沉箱的拖航经验暂定了逆流拖航的作业条件，在E1沉管拖航到“出运航道1”时由于现场水流力超过物理数学模型计算的情况，出现沉管拖不动甚至后退的情况；经过E3现场实体沉管抗流试验验证决定将浮运作业条件暂定为顺流拖航，因为桂山岛预制场在施工现场的外海侧，即是涨潮流拖航。

按照浮运的涨潮流拖航的前提条件，相应确定出坞的窗口是在低平潮、转向和基槽浮运的作业窗口在高平潮期、系泊窗口在落潮期、沉放窗口在落潮期及对接在次高潮的涨潮期的初步作业窗口条件。

3.2 对接窗口

在E10沉管沉放过程中,遭遇世界性难题——深水深槽，经过现场实测发现水下35 m左右、涨极时刻存在较大的流速。为了保证沉管对接安全和质量，提出“对接窗口”概念，对接窗口包括的作业内容为已安管节和待安管节即将接触的时刻，即对接过程中的拉合作业期，对接作业窗口的条件为到涨极之后、流速小于0.25 m/s。

3.3 浮运安装工艺计划

根据浮运作业要求，潮位、潮流采用高分辨率小区域数值模式，预报结果由国家海洋环境预报中心提前1～2月提供。主要预报数据有潮位预报、流速预报，其中流速预报为分区域预报，分为坞口A点，榕树头航道B点，出运航路1和出运航路2交界C点，出运航路F点，3个转向区D、E、G点以及基槽预报。预报点位见图3。该流速预报结果误差在±20 cm/s以内，满足浮运作业要求。

管节浮运、沉放作业要求的作业窗口期为48～72 h。一般情况下，每根管节需要制定首选窗口和2个备选窗口。以E12管节浮运安装计划为例说明详细的浮运安装计划，见图4。

图3 流速预报点位置示意图

图4 E12管节浮运安装工艺计划图(2015年)

Fig. 4 Process planning sketch of E12 floating transportation and installation in 2015

4 结论与讨论

1)在作业气象窗口期间，水文、波浪、气象条件要满足浮运安装作业要求。

2)管节浮运、沉放关键作业需要的时间为24～36 h，考虑到实际施工中因各种原因可能产生的延误，确定单管节安装周期为48～72 h。

3)一般情况下，每根管节需要制定首选窗口和2个备选窗口。

港珠澳大桥沉管隧道已安全、高效地完成了33节沉管的浮运安装作业。项目部提出的浮运安装作业窗口管理系统，按照潮汐条件、结合国家海洋预报中心提供的预报数据，制定了详细、完善的浮运安装工艺计划，为隧道顺利竣工提供了有力保障。随着红谷隧道、港珠澳沉管隧道的顺利实施，国内将迎来沉管隧道施工的黄金期，希望这套浮运安装作业窗口管理技术能给类似沉管隧道施工提供参考。

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