李進，朱嶺，侯亞飛，寧進進

強對流天氣對超大型沉管浮運安裝的影響及應急預案

李進，朱嶺，侯亞飛，寧進進

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

強對流天氣是珠江流域夏季高發(fā)的災害性天氣，且很難預報。如果在沉管浮運安裝過程中遭遇強對流天氣，將嚴重影響沉管、船舶和作業(yè)人員的安全。港珠澳大橋島隧工程針對強對流可能對沉管的影響，提前準備，制定有針對性的應急措施，并在E27管節(jié)安裝中成功戰(zhàn)勝強對流天氣。

強對流；超大型沉管；浮運；安裝；預報；應急預案

0 引言

強對流天氣是珠江流域氣象災害的主要天氣類型之一，發(fā)生強對流天氣時常伴有雷雨大風、冰雹、龍卷風和局部強降雨等惡劣天氣現(xiàn)象。強對流天氣在氣象學上指發(fā)生在中小型尺度的天氣系統(tǒng)，空間尺度小，具有發(fā)生突然、移動迅速、破壞力極強的特點[1-2]。由于其發(fā)生發(fā)展的突發(fā)性和局域性強，預報難度較大。

沉管浮運安裝有嚴格氣象作業(yè)窗口要求，浮運安裝中如果遭遇強對流天氣，將造成不可預估的后果。

1 工程概況

港珠澳大橋島隧工程隧道段長5 664 m，共33個管節(jié)，標準管節(jié)長180 m，采用2艘雙沉放泊吊扛浮運安裝，管節(jié)及安裝船斷面詳見圖1。施工區(qū)域處于伶仃洋區(qū)域，受特殊地理環(huán)境影響，自然災害頻繁，除了臺風、冬季季風對施工區(qū)影響較大之外，強對流天氣更是多次襲擊施工區(qū)域。

港珠澳大橋沉管浮運安裝中遭遇多次強對流惡劣天氣，其中E27系泊期間遭遇強對流時間長達80 min，現(xiàn)場實測10 min最大累計降水為13.7 mm（見表1），現(xiàn)場實測有效波高最大為0.72 m，實測最大風速為10.41 m/s，水平能見度降低到6 km以內(nèi)，嚴重影響正常浮運安裝作業(yè)，只能啟動應急預案，暫?，F(xiàn)場作業(yè)。

圖1 管節(jié)及安裝船斷面示意圖Fig.1Section of tunnel element and immersion barge

表1 E27安裝期間強對流期間降雨量統(tǒng)計表Table 1Statistics of rainfall in severe convection during installation of E27

2 強對流對沉管浮運安裝的影響

強對流天氣對沉管浮運安裝作業(yè)影響很大，主要影響包括能見度降低、瞬時大風和強降雨等。

2.1 能見度降低

雷雨來臨時，烏云翻滾，雨點大而密集使能見度突然降低，視線模糊不清，能見度甚至只有幾米。2016年6月11日3:40—5:00強對流期間，現(xiàn)場實測能見度由40.71 km瞬間降低到不足6 km。

強降雨不僅降低能見度，還對雷達影響明顯，雷達屏幕上雜波影響巨大，很難發(fā)現(xiàn)目標回波。目測或雷達觀察受限，船舶航行抓點定向的目標很難確定，現(xiàn)場很難準確判斷船位。

受雷達、GPS等助航設備、性能的影響，進入雨區(qū)，船舶之間互見性變差，而且沉管浮運拖航編隊船舶超過40艘，包括浮運船舶和海事警戒船，且船舶距離較近，在近距離發(fā)現(xiàn)來船后，船舶控制難度大，如果采取錯誤的避讓方法和行動，給浮運船隊操作帶來極大威脅，易發(fā)生船損事故。

2.2 大風影響

雷雨時伴隨著大風，且發(fā)展快，風力從原來3耀5級可在短短1耀2 min之內(nèi)猛增至9級以上，其風向與原風向基本不一致。

沉管浮運安裝過程中，主要受風面是安裝船，其中風阻力估算公式為：

Ra=0.5籽V2移CsAi伊10-3

式中：籽為空氣密度，kg/m3，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(shù)，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，計算情況詳見表2，受大風影響，沉管和安裝船受力增加數(shù)倍。

表2 安裝船、沉管風阻力計算表Table 2Calculation of wind resistance of installation vessel and immersed tube

沉管非GINA端設置了人孔井和測量塔，屬于高聳結(jié)構(gòu)，最大高度接近42.2 m，測量塔為三角形鋼結(jié)構(gòu)，人孔為圓筒形式，迎風面大，約為113 m2。

瞬時大風將導致浮運拖輪受風橫搖加劇，船舶操控難度增大，且航道寬度僅為240 m，如果流向和風向一致，很容易導致沉管偏離航道擱淺，4艘綁拖拖輪綁在安裝船上，在風浪作用下極易造成拖輪與安裝船碰撞、拖纜斷裂等事故，嚴重威脅沉管施工作業(yè)安全。

2.3 降雨影響

強降雨影響船上和管上人員作業(yè)安全，大雨期間管節(jié)和船甲板容易濕滑，作業(yè)人員容易摔倒，且均為鄰水、臨邊作業(yè)，如果落水，既難以發(fā)現(xiàn)，又難以施救。

3 強對流處置措施

3.1 臨近預報

強對流天氣生命史短、生成迅速、有突發(fā)性，在所有的天氣類型中屬于最難預測和預報的天氣之一[3]。

國家海洋預報中心結(jié)合“降水率的雷達回波圖”，提前半小時預報強對流天氣，為安裝團隊提供最新數(shù)據(jù)。

3.2 能見度不足應對措施

項目部設計開發(fā)的浮運導航系統(tǒng)，是利用一臺雙天線信標機作為沉管定位設備，主界面實時顯示沉管信息，指揮室通過有線傳輸視頻信號實現(xiàn)軟件顯示。浮運導航系統(tǒng)實時、同步采集GPS的坐標數(shù)據(jù)，可以顯示出沉管、拖輪、航道的相對位置。在能見度降低時，可以利用該系統(tǒng)進行拖輪指揮[4]。

為保證編隊在浮運過程中的安全，海事部門進行環(huán)繞式海事警戒船艇布置，由內(nèi)向外分別布置核心警戒組和第1～第3警戒組[5]，引導社會船舶與沉管編隊保持安全距離，詳見圖2。編隊使用VHF與VTS時刻與來往船舶保持聯(lián)系，隨時通報船位，按章鳴放聲號。利用視覺、聽覺等一切有效手段保持正規(guī)瞭望，開啟遠近2部雷達，開啟船舶自動識別系統(tǒng)（AIS）、利用多部VHF值守獲取周圍船舶信息，將瞭望情況隨時與雷達圖像進行對照，及時判斷是否存在碰撞危險。如繼續(xù)航行困難或者指揮中心禁止續(xù)航時，應及時停航等待，需指揮各拖輪密切配合控制好沉管位置，按章鳴放霧號和顯示號燈號型。

圖2 浮運期間海事警戒船布置圖Fig.2Arrangement of maritime altering vessel in floating stage

結(jié)合同樣造成能見度降低的大霧的影響，在E14沉管浮運期間進行霧航（能見度受限）演練，通過VHF、VTS與海事警戒船聯(lián)動，演練船舶碰撞、外部船舶闖入等情況。

3.3 大風應對措施

如果編隊受到大風作用而發(fā)生偏航時，主拖輪應立即減速，降低船隊的速度、暫停拖航，同時安排應急拖輪協(xié)助穩(wěn)定船舶。

為了增加測量塔和人孔井的結(jié)構(gòu)安全性，增加測量塔和人孔井的連接件——抱箍結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件計算，增加抱箍后人孔井、測量塔頂端在各種荷載作用下變形明顯變小[6]。另外為了保證在偶然工況下人孔井上部結(jié)構(gòu)先于預埋件破壞而沉管主體結(jié)構(gòu)不受損壞，在原人孔井結(jié)構(gòu)的基礎上增加剛度弱化節(jié)段，其高度0.5 m，壁厚18 mm，相對于其他節(jié)段，壁厚減少2 mm，以實現(xiàn)人孔井整體剛度弱化的目的。

4 E27現(xiàn)場處置情況

管節(jié)浮運安裝期間E27（2016年6月11日），連續(xù)遭遇6次短時強對流，其中第1輪強對流過程（系泊期間）帶來的影響最大，風力增強到4～5級，持續(xù)約0.5 h，10 min最大風速8.1 m/s，1 min瞬時風速最大為11.1 m/s，10 min最大累計降水達到13.7 mm，這是E1～E28安裝期間遭遇的最強降雨。

4.1 應急流程

沉管浮運安裝期間，由國家海洋預報中心天氣預報現(xiàn)場工作組對即將影響施工區(qū)域的強對流天氣系統(tǒng)進行跟蹤、分析和預報，并將相關情況隨時報告給現(xiàn)場決策組。決策組根據(jù)強對流天氣預報和現(xiàn)場實際施工情況召集浮運安裝指揮人員研究下一步工作，并下達命令。由浮運安裝指揮人員及時發(fā)布停止作業(yè)、原地待命或恢復作業(yè)等具體工作指令。

現(xiàn)場HSE負責人員和國家海洋預報中心現(xiàn)場工作組密切聯(lián)系，保持溝通，并根據(jù)最高決策組的要求及時發(fā)布強對流天氣等預警信息至相關船舶和班組，提醒相關船舶、班組做好人身防護、防風浪、防暴雨、防雷電等安全工作。

4.2 現(xiàn)場應急措施

為確保現(xiàn)場作業(yè)人員安全，下達暫停施工指令，要求所有作業(yè)人員停止現(xiàn)場施工，到船艙內(nèi)避雨避風，防止淋雨和雷擊。

浮運指揮通過浮運導航軟件進行現(xiàn)場拖輪指揮，拖輪船長通過船上導航軟件按照軟件位置進行應急準備。浮運指揮一方面組織綁拖拖輪進行現(xiàn)場抗流，穩(wěn)住沉管，確保管節(jié)、安裝船安全；一方面通知系泊錨艇按照應急預案就近靠泊、避免碰撞。

現(xiàn)場HSE通過VHF通告外圍海事警戒船暫停作業(yè)，并通報主要船舶的位置。海事警戒船通過高頻通知臨近往來船舶，一方面控制航速，一方面避免進入沉管系泊區(qū)域。

4.3 后續(xù)計劃調(diào)整

沉管出塢、浮運、沉放對接是一系列復雜施工工序，各流程環(huán)環(huán)相扣，每個工序都有明確時間限定，由于系泊暫停作業(yè)，后續(xù)工作將推遲。現(xiàn)場指揮結(jié)合現(xiàn)場強對流情況，啟動浮運安裝備用計劃，科學決策將管節(jié)沉放分為兩階段進行，這是沉管安裝以來第一次分兩個階段進行沉放施工，嚴格按照對接窗口要求施工，有效避開了強對流天氣對浮運安裝的影響。

5 結(jié)語

強對流天氣嚴重威脅沉管安全拖航和作業(yè)，為保證沉管在浮運安裝過程中的安全，港珠澳大橋安裝團隊一方面聯(lián)合國家海洋預報中心加強雷暴等強對流天氣的臨近分析和預警預報；一方面提前準備制定預案、改進結(jié)構(gòu)安全性，提高應對防護能力。后續(xù)將結(jié)合沉管浮運安裝特點，細化完善相關應急預案。

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DINGYu-cheng,NING Jin-jin.Simulation and control of manholes and force and deformation of measurement tower[J]. Port&Waterway Engineering,2014(9):170-176.

Effect of severe convection weather on ultra-large immersed tube floating installation and its contingency plan

LI Jin,ZHU Ling,HOU Ya-fei,NING Jin-jin
（No.2 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Severe convection weather is the high incidence disastrous weather of the Pearl River in the summer,and difficult to predict.If severe convective weather in the ultra-large immersed tube floating and installation process,it will seriously affect the safety of immersed tube,sinking barge ships and workers.For the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge island and tunnel project,we prepared in advance for severe convection,made corresponding emergency measure,and successfully overcame the severe convection in installation of E27 tunnel element.

severe convection;ultra-large immersed tube;floating;installation;forecast;contingency plan

U655.2

A

2095-7874（2017）09-0103-04

10.7640/zggwjs201709023

2017-04-08

李進（1973—），男，山東平度人，高級工程師，港口與航道工程專業(yè)。E-mail：409914291@qq.com