陳林，何波，楊秀武

1 概述

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道最終接頭，處于沉管E29管節(jié)與E30管節(jié)之間，采用“三明治”結(jié)構(gòu)，整體呈楔形，底寬9.6 m，頂寬12.0 m（如圖1）；其東西兩側(cè)分別是E29與E30管節(jié)尾端的端封門。E29尾端（東側(cè)）與E30尾端（西側(cè)）頂端中軸線位置均設(shè)置導(dǎo)向托架（標(biāo)高約-14 m），中軸線兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置2個(gè)120 t系纜柱[1]。在最終接頭位置區(qū)域，底槽夯平塊石基床面上有一個(gè)狹長的梯形槽，下寬4.8 m，上寬5.6 m，長42 m（如圖2），底槽平均高程約-28.7 m。由于晾置了一段時(shí)間及種種原因，該梯形槽內(nèi)淤積了厚度約30～60 cm黏性較強(qiáng)的淤積物。在鋪設(shè)碎石墊層之前，必須將該梯形槽內(nèi)的淤積物清除，允許厚度小于4 cm[2]。

圖1 最終接頭示意圖Fig.1 Sketch map of final joint

圖2 最終接頭區(qū)域塊石基床面示意圖Fig.2 Sketch of stone bed surface at final joint area

2 清淤設(shè)備和工藝選型

擬清淤的最終接頭基槽，為一條狹長的深槽，處于一個(gè)非常特殊的“高差約15 m的深坑”內(nèi)，四面受限，東西兩側(cè)的沉管端封門、頂端的導(dǎo)向托架不允許觸碰，已鋪設(shè)的碎石墊層及南北兩端的基槽復(fù)合邊坡等范圍也不允許損壞，否則后果不堪設(shè)想；淤積物具有較高的稠度和黏性；清淤質(zhì)量要求高；由于受限于最終接頭的安裝時(shí)間，須在規(guī)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)完成；且最終接頭范圍的水下龍口各個(gè)位置水流狀況復(fù)雜。因此，最終接頭清淤施工，是一項(xiàng)施工難度、安全風(fēng)險(xiǎn)非常高的挑戰(zhàn)。

鑒于以上特殊作業(yè)工況條件及高質(zhì)量、時(shí)間節(jié)點(diǎn)等高標(biāo)準(zhǔn)要求，最終接頭清淤船舶設(shè)備，應(yīng)該具備3個(gè)條件：1）船舶穩(wěn)定性高，即最好采用樁腿定位。2）吸淤頭定位精確且可控，即與船體應(yīng)剛性連接，且對(duì)接觸面的適應(yīng)性較高。3）具備一定強(qiáng)度的深槽吸淤能力。

清淤設(shè)備和工藝比選：

1）現(xiàn)有的各類型疏浚船舶（自航耙吸船、抓斗船、絞吸船等），顯然均不適用。

2）采用四樁定位的碎石整平船，后增加了碎石基床高精度清淤功能，但由于其吸淤頭對(duì)清淤基床面的平整度要求很高，且其吸淤頭高壓沖水及水下泵功率有限，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，其對(duì)于黏稠性較高的淤積物清淤效率很低，無法滿足節(jié)點(diǎn)工期的要求。

3）專用清淤船“捷龍”輪，具備吸淤頭定位精確又可控、適應(yīng)性強(qiáng)，且吸淤能力較強(qiáng)，但采用錨纜定位，存在較大的船舶穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)。

4）若采用大功率勁馬泵清淤，但其柔性連接方式，使得吸淤頭定位難以控制，存在撞擊沉管端封門或破壞已鋪設(shè)好的碎石墊層的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

5）若采用人工清淤，輔助小型吸淤泵，由于最終接頭區(qū)域水流狀況復(fù)雜，一天適合“深潛”作業(yè)時(shí)間非常有限，且淤積物有一定的黏性，人工清淤效率相當(dāng)?shù)停矡o法滿足節(jié)點(diǎn)工期要求。

因此，最終接頭清淤，沒有現(xiàn)成的清淤設(shè)備和相對(duì)成熟的工藝技術(shù)。綜合相關(guān)工作要求和受限條件因素考慮，經(jīng)多輪研究評(píng)審，最終推薦采用“捷龍”輪。

3 專用清淤船“捷龍”輪簡介

專用清淤船“捷龍”輪由原深水取砂船技改而成（圖3），船舶參數(shù)見表1，采用六錨定位，定點(diǎn)“蓋章”式清淤。為確保吸淤頭下放過程中，最大程度的避免對(duì)基槽槽底面的撞擊破壞，吸淤頭與橋梁架的連接采用鉸接結(jié)構(gòu)，通過液壓裝置實(shí)現(xiàn)吸淤頭的平穩(wěn)收放[3]。施工前，將施工導(dǎo)航文件導(dǎo)入清淤監(jiān)控系統(tǒng)中。定點(diǎn)清淤施工時(shí)，清淤監(jiān)控系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示吸淤頭位置、深度、泥漿密度等參數(shù)，操作人員根據(jù)施工導(dǎo)航文件所規(guī)劃的子區(qū)域逐點(diǎn)對(duì)照吸淤。當(dāng)清淤點(diǎn)的濃度和水深達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，通過收放錨纜移動(dòng)船舶至下一個(gè)清淤點(diǎn)。完成單點(diǎn)清淤后，系統(tǒng)會(huì)記錄清淤軌跡，操作人員可根據(jù)清淤覆蓋情況，進(jìn)行局部加密補(bǔ)吸。

圖3 專用清淤船“捷龍”輪Fig.3 The special dredger"Jielong"

表1 專用清淤船基本參數(shù)表Table1 Basic parameter table special dredger

4 清淤作業(yè)主要風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)

“捷龍”輪為錨纜系定位的“龐然大物”，其橋梁長約80 m，橋梁最大寬度達(dá)4.2 m，吸淤頭為直徑1.6 m的圓盤，吸淤頭與橋梁的鉸接結(jié)構(gòu)最大寬度近2.4 m，重量近3 t。在外海水文條件復(fù)雜多變的情況下，“捷龍”輪紋絲不動(dòng)地就位和伸進(jìn)水下龍口作業(yè)，任何一個(gè)外界的干擾或細(xì)微的操作疏忽都會(huì)帶來不可接受的后果，如E29或E30管節(jié)端封門遭碰撞破壞而進(jìn)水，甚至對(duì)整個(gè)沉管隧道可能造成毀滅性破壞。因此，結(jié)合工況條件、“捷龍”輪船舶性能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，對(duì)最終接頭清淤作業(yè)的主要風(fēng)險(xiǎn)及防范措施分析如下：

1）船舶穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，是最終接頭清淤作業(yè)的最大風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)椤敖蔟垺陛啿捎萌嵝缘腻^纜定位，龐大船體在正常風(fēng)浪流作用下都會(huì)產(chǎn)生一定的偏移或晃動(dòng)。如遭遇大風(fēng)浪、船行波、最終接頭龍口紊流等異常情況，更易造成橋梁與吸淤頭移位、偏晃，既有吸淤頭觸碰端封門的風(fēng)險(xiǎn)[4]，又有橋梁觸碰管頂導(dǎo)向托架的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)選擇良好的水文作業(yè)時(shí)機(jī)，有效管控周邊通航船舶航速，加大錨抓力，提前檢查錨纜、剎車系統(tǒng)，并模擬分析、掌握在正常水文和六錨纜鎖定情況下，船體、橋梁、吸淤頭晃動(dòng)的最大范圍。

2）船舶設(shè)備、導(dǎo)航儀器等故障或外部干擾時(shí)的應(yīng)急風(fēng)險(xiǎn)。作業(yè)過程中吸淤頭一般比較靠近基床，如有異常情況，應(yīng)盡快準(zhǔn)確貼住基床并壓緊，使得船體基本穩(wěn)定；作業(yè)前全面檢查主要船舶設(shè)備、傳感器和導(dǎo)航等主要儀器的狀況，并且備好備件。

3）船舶操作人員風(fēng)險(xiǎn)。由于施工區(qū)域狹窄，操作精度要求極高，任何人為操作不當(dāng)或應(yīng)急反應(yīng)慢等都可能釀成重大安全隱患，作業(yè)過程中船舶操作人員心理壓力很大，因此，必須安排過得硬的干將來操控。

4）施工操控工藝技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。由于擬清淤范圍為底寬僅4.8 m的狹長深槽，處于一個(gè)高差約15 m又四面受限的“深坑”內(nèi)，吸淤頭與橋梁寬度分別為2.4 m和4.2 m，為確保橋梁不碰觸已安放管節(jié)頂端的導(dǎo)向托架，清淤作業(yè)過程中橋梁必須幾乎時(shí)刻垂直于隧道基槽中軸線，左右擺動(dòng)<1.5%，而這一切是在海底下約30 m深處，持續(xù)操控難度非常大。因此，現(xiàn)場“模擬操練”很有必要，讓參與作業(yè)的船員們都心中有數(shù)。

5）橋梁升降操作過程中的風(fēng)險(xiǎn)。因橋梁起離速度緩慢（1.8 m/min），橋梁起離導(dǎo)向托架之上需要時(shí)間長（約8 min），這無疑大大增加了碰觸端封門的風(fēng)險(xiǎn)。這期間，橋梁軸承不可避免產(chǎn)生擺動(dòng)，將導(dǎo)致橋梁頂端的吸淤頭出現(xiàn)偏移；另外，船舶現(xiàn)有清淤監(jiān)控系統(tǒng)僅能對(duì)俯視角度的橋梁、吸淤頭進(jìn)行控制，橋架下放、起離過程無法監(jiān)測擺動(dòng)軌跡，導(dǎo)致橋梁升降過程中吸淤頭觸碰端封門的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)很大。為此，正常情況下在最終接頭的龍口范圍內(nèi)不要進(jìn)行橋梁升降操作，應(yīng)提前就位好船位和下放橋梁。

5 現(xiàn)場“模擬操練”試驗(yàn)

鑒于以上風(fēng)險(xiǎn)分析，最終接頭基槽清淤施工風(fēng)險(xiǎn)極大，為了摸清最終接頭龍口的風(fēng)、浪、流等因素對(duì)船舶清淤施工影響，模擬統(tǒng)計(jì)與分析橋梁與吸淤頭晃動(dòng)的最大范圍，并熟悉相應(yīng)的操控工藝技術(shù)，有必要進(jìn)行現(xiàn)場“模擬操練”。試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置在最終接頭基槽南側(cè)延伸線邊坡上，南北42 m×東西4.8 m，作為吸淤頭不能偏離出界清淤范圍，兩側(cè)各平移2.4 m，9.6 m寬范圍即為橋梁不能跨越的警戒線（見圖4）。

圖4 現(xiàn)場模擬操練平面布置示意圖Fig.4 Layout sketch of a field simulated drill

現(xiàn)場“模擬操練”試驗(yàn)前，進(jìn)行了充分的方案策劃和現(xiàn)場交底，同時(shí)針對(duì)船舶主要設(shè)備與傳感器、導(dǎo)航定位、錨纜剎車、顯示系統(tǒng)等進(jìn)行了全面的檢查與校對(duì)，還更換了更大的前中錨。試驗(yàn)安排在漲退潮較小時(shí)段，由南向北，單點(diǎn)步距2.8 m，吸頭不觸底下放20 m深度。共模擬吸淤點(diǎn)18個(gè)，施工過程中橋梁及吸頭控制在4.8 m范圍警戒線之內(nèi)，沒有出現(xiàn)越出警戒線的情況，操作平穩(wěn)可控，共進(jìn)行了2次試驗(yàn)。

6 清淤作業(yè)實(shí)施

1）選擇合適的清淤時(shí)機(jī)

根據(jù)國家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心潮汐預(yù)報(bào)，2017年4月20日正值小潮時(shí)段，上午7:00-12:00潮位變化0.2 m以內(nèi)，最終接頭龍口流速0.2 m/s以下，是非常合適的清淤時(shí)機(jī)。

2）創(chuàng)造良好作業(yè)環(huán)境

為減少高速大型船舶船行波可能對(duì)清淤施工帶來的影響，清淤作業(yè)前，通過廣東省海事局發(fā)布航行通告，要求作業(yè)期間，伶仃航道A1至廣州港2號(hào)燈浮之間和龍鼓西航道LC1至LC7燈浮之間航段的船舶航速控制在10 kn以下。

在清淤施工期間，施工區(qū)周邊1 km范圍內(nèi)，禁止無關(guān)船舶進(jìn)入，同時(shí)在“捷龍”輪四周各布置一條警戒船舶，加強(qiáng)現(xiàn)場施工協(xié)調(diào)及應(yīng)急警戒。

3）合理施工展布

由于橋梁須垂直于隧道基槽中軸線，“捷龍”輪因此展開相應(yīng)的施工展布。為使得“捷龍”輪保持穩(wěn)定的船舶姿態(tài)，艉中錨、前中錨應(yīng)按平行于水流布置，以抵消水流力影響，其它4個(gè)邊錨應(yīng)有盡量大的擺開角度。清淤施工平面布置示意圖見圖5。

圖5 “捷龍”輪清淤施工展布平面圖Fig.5 Layout plan of desilting construction by"Jielong"

4） 減少橋梁升降次數(shù)

本次擬清除的淤積物厚度約30～60 cm，通常情況下需要進(jìn)行2～3遍清淤。前面已提及橋梁升降期間會(huì)造成極大風(fēng)險(xiǎn)，為減少橋梁升降總次數(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了吸淤頭布點(diǎn)，采用減小步距、加密布點(diǎn)的方式。單點(diǎn)清淤面積由通常2.8 m×2.8 m加密至2.2 m×2.2 m，以達(dá)到一次升降橋梁即可滿足清淤驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)[5]。最終接頭基槽清淤共進(jìn)行了東西兩側(cè)各1遍，第1遍的作業(yè)方向由南向北逐點(diǎn)“蓋章式”推進(jìn)，第2遍則由北向南逐點(diǎn)回退，清淤施工軌跡見圖6。

圖6 吸淤頭定點(diǎn)“蓋章式”清淤軌跡圖Fig.6 Track map of fixed-point"sealed"desilting of sludge suction head

5）加強(qiáng)人員風(fēng)險(xiǎn)管控

最終接頭基槽清淤，延續(xù)了現(xiàn)場試驗(yàn)的操船人員安排，由經(jīng)驗(yàn)豐富的船長指揮作業(yè)，既有熟練操作經(jīng)驗(yàn)又有良好心理素質(zhì)的大副當(dāng)班操作，另一位大副同時(shí)當(dāng)班待命，同時(shí)項(xiàng)目主管領(lǐng)導(dǎo)駐船值班。

施工過程中，清淤操作人員嚴(yán)格按清淤系統(tǒng)所顯示信息控制作業(yè)范圍及深度，密切關(guān)注吸淤頭和橋梁的位置顯示。移位時(shí)收緊錨纜，減少錨纜彈性變形引起船舶偏蕩影響，并減少錨機(jī)收放幅度，通過增加操縱次數(shù)來保證船舶軸線始終處于中軸線附近。

6） 清淤結(jié)果

清淤作業(yè)完成后，當(dāng)即進(jìn)行了多波束水深測量和人工潛水探摸。根據(jù)多波束檢測數(shù)據(jù)形成水深色塊對(duì)比圖、斷面圖分析，本次清淤施工效果良好，同時(shí)，經(jīng)潛水探摸確認(rèn)，最終接頭塊石溝內(nèi)無回淤物殘留，碎石邊坡上無回淤物殘留，兩側(cè)碎石層表面局部有1 cm浮泥。據(jù)此，基礎(chǔ)質(zhì)量監(jiān)控組認(rèn)為本次清淤施工滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語

港珠澳大橋島隧工程沉管隧道最終接頭意義

非凡，該位置基槽清淤施工條件特殊，施工難度和安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，為此應(yīng)用專用清淤船舶，通過現(xiàn)場“模擬操練”試驗(yàn)，優(yōu)化布點(diǎn)方式等風(fēng)險(xiǎn)管控措施，最終取得圓滿成功，填補(bǔ)了我國外海沉管隧道最終接頭特殊區(qū)域清淤技術(shù)的空白，也是錨纜定位船舶在極度受限空間內(nèi)精準(zhǔn)清淤的技術(shù)突破。本文對(duì)清淤作業(yè)條件、風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)對(duì)、實(shí)施過程做了詳細(xì)介紹，希望能對(duì)今后類似極端條件下的高精度清淤施工作業(yè)有所借鑒。為將極端受限工況條件下作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，如果時(shí)間允許，建議盡量采用樁腿定位的船舶，同時(shí)采取優(yōu)化其吸淤頭結(jié)構(gòu)和高壓沖水裝置，適當(dāng)增加水下泵功率等有效措施。