寧進(jìn)進(jìn)

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

1 工程概述

港珠澳大橋島隧工程的沉管隧道位置在珠江口外的伶仃洋海域，與珠江入?？诘木嚯x為51 n mile，沉管段長(zhǎng)5 664 m，共有管節(jié)33個(gè)，單根重78 000 t，排水量8萬m3，是目前世界上最大的混凝土構(gòu)件[1]。浮運(yùn)航道總長(zhǎng)約12 km，基槽內(nèi)浮運(yùn)最大距離約3 km。每節(jié)管節(jié)浮運(yùn)需經(jīng)3次航道轉(zhuǎn)換。

浮運(yùn)航線有2條，沉管浮運(yùn)航道有3條：

1）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道一→第一轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（E1—E8、E10、E12—E14管節(jié)）→系泊作業(yè)。

2）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道二→伶仃西航道→第二轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（E9、E11、E15—E20管節(jié)）→系泊作業(yè)。

3）預(yù)制場(chǎng)航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道三→第三轉(zhuǎn)向區(qū)→基槽→安裝位置（E21—E28、E33—E29管節(jié)）→系泊作業(yè)。

沉管浮運(yùn)是島遂施工中技術(shù)難度最高、風(fēng)險(xiǎn)最大的施工，主要風(fēng)險(xiǎn)和難度包括：浮運(yùn)時(shí)需13艘拖輪同時(shí)配合作業(yè)，一致性要求高，協(xié)同作業(yè)難度大；管節(jié)尺寸及重量大、慣性大，現(xiàn)場(chǎng)姿態(tài)控制難度大；施工區(qū)域?qū)儆谕夂?，并臨近珠江口，受氣象、流場(chǎng)、徑流影響大，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜；流向與基槽垂直，基槽水流力較大，風(fēng)險(xiǎn)大；基槽滿足浮運(yùn)要求的區(qū)域狹窄，姿態(tài)控制難度大；管節(jié)基槽橫拖距離較大，約1.2 km。

為了降低沉管浮運(yùn)安裝的風(fēng)險(xiǎn)，在首節(jié)沉管出運(yùn)前，在浮運(yùn)航道區(qū)采用拖帶大型半潛駁的方式進(jìn)行了4次拖航演練。

2 演練船舶

港珠澳大橋島隧工程的沉管寬度、高度分別為37.95 m、11.4 m，長(zhǎng)度主要分為6種，最短的管節(jié)長(zhǎng)度為112.5 m，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的長(zhǎng)度為180 m?？紤]到首次拖航為短管節(jié)，因此按照短管節(jié)的尺寸和排水量安排了2艘半潛駁船“重任1500”、“招商重工1號(hào)”進(jìn)行拖航演練，2艘半潛駁船與短管節(jié)E1、E2的對(duì)比情況見表1。

表1 演練半潛駁船主要尺寸情況Table1 Themaindimensionparameterofsemi-submerged barge

3 拖帶方式

目前沉管通用的拖航方式一般分為2種，在非受限水域采用4艘拖輪“吊拖”的方式，如上海外環(huán)隧道管段浮運(yùn)[2]采用4艘拖輪吊拖（圖1）；在受限水域特別對(duì)沉管姿態(tài)要求嚴(yán)格時(shí)在吊拖的基礎(chǔ)上增加傍拖拖輪，如國(guó)內(nèi)在建的紅谷隧道在拖航過程中沉管兩側(cè)增加了傍拖拖輪（圖2）[3]。

圖1 上海外環(huán)隧道管段浮運(yùn)方式Fig.1 Floating method of Shanghai outer ring immersed tunnel

圖2 紅谷隧道拖輪編隊(duì)方式Fig.2 Honggu tunnel tug formation method

考慮到港珠澳大橋沉管浮運(yùn)航道最窄區(qū)域僅為240 m，為了更好地進(jìn)行管節(jié)姿態(tài)控制，初步確定了“吊拖+傍拖”的組合拖航方式，隨著演練的逐漸深入，傍拖拖輪的帶纜方式和拖輪數(shù)量也逐步優(yōu)化。

第1次演練時(shí)，安排2艘拖輪傍拖，拖輪艏艉通過尼龍纜連接到半潛駁的系船柱上，需要頂推時(shí)尾端尼龍纜松纜實(shí)現(xiàn)直接頂推，見圖3。為了便于傍拖拖輪進(jìn)行頂推作業(yè)，在第2次演練時(shí)優(yōu)化去掉了拖輪尾端纜繩，見圖4。在第3次、第4次演練中，從控制管節(jié)尾端左右位置考慮，在半潛駁船左右兩側(cè)后方新增加2艘傍拖，帶纜方式不變，見圖5。

圖3 第1次演練拖輪編隊(duì)方式Fig.3 The first tug formation method

圖4 第2次演練拖輪編隊(duì)方式Fig.4 The second tug formation method

圖5 第3次、第4次演練拖輪編隊(duì)方式Fig.5 The third and fourth tug formation method

在演練中，著重對(duì)吊拖拖輪的操控性進(jìn)行研究，并通過現(xiàn)場(chǎng)流速觀測(cè)了解拖輪尾流對(duì)被拖船的影響，采用射流理論對(duì)尾流進(jìn)行計(jì)算[4]，相關(guān)速度場(chǎng)計(jì)算見式（1）、式（2）。

綜合考慮將首尾端拖纜的長(zhǎng)度由原來120 m、100 m改成100 m、60 m，并將吊拖拖輪的拖拽角范圍定在30°～45°，后續(xù)33節(jié)沉管拖航中拖纜長(zhǎng)度、角度基本保持不變。

4 演練情況

4.1 演練時(shí)間與路線

在2013年1月28—29日、3月1日、4月8—9日和4月27—28日進(jìn)行4次大型浮運(yùn)演練?？紤]到E1現(xiàn)場(chǎng)施工情況，第1次、第2次浮運(yùn)演練選擇模擬E29管節(jié)進(jìn)行演練，采用浮運(yùn)線路一，即塢口編隊(duì)區(qū)→預(yù)制廠支航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道一→第一轉(zhuǎn)向區(qū)（逆時(shí)針）→基槽→E29系泊位置。第3次、第4次浮運(yùn)演練模擬E1管節(jié)進(jìn)行演練，采用浮運(yùn)線路一，即塢口編隊(duì)區(qū)→預(yù)制廠支航道→榕樹頭航道→出運(yùn)航道一→第一轉(zhuǎn)向區(qū)（順時(shí)針）→基槽→E1系泊位置。

4.2 驗(yàn)證性演練

為了模擬實(shí)際拖航中的各種工況，模擬浮運(yùn)流程開展了驗(yàn)證性演練，主要包括：

1）起拖演練：艏端2艘吊拖拖輪5 000 kW（6 800 HP）、5 071 kW（6 900 HP）的轉(zhuǎn)速在 500～550 r/min，在10 min內(nèi)航速由0提高到1 kn。

2）剎車演練：艉端吊拖、傍拖拖輪配合，將航速由2 kn降到0.2 kn，總剎車距離約100 m，用時(shí)5 min。

3）轉(zhuǎn)向演練：回旋水域轉(zhuǎn)向是由縱向拖航改成橫向拖航的關(guān)鍵，水流力增大到原來的4倍左右。調(diào)頭區(qū)轉(zhuǎn)向演練選擇在平潮期，分別針對(duì)不同的轉(zhuǎn)向區(qū)進(jìn)行順時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)向過程，轉(zhuǎn)向中吊拖1號(hào)、2號(hào)和傍拖5號(hào)拖輪調(diào)整頻繁。

4）系泊穩(wěn)船演練：由于沉管系泊和送纜期間需要現(xiàn)場(chǎng)拖輪配合保持船管位置不動(dòng)3～4 h左右，因此在基槽橫流期間開展了多次系泊穩(wěn)船演練。

4.3 加速演練

管節(jié)拖航是在浮運(yùn)安裝的作業(yè)窗口系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，且是關(guān)鍵線路。為了了解浮運(yùn)的總體時(shí)間，便于編制合理的浮運(yùn)安裝計(jì)劃，演練中著重進(jìn)行了幾種加速演練，主要包括：

1）艏端拖輪直拖演練：艏端拖輪拖拽角調(diào)整成0°，見圖6（a），整體提高航速約0.5 kn。

2）傍拖拖輪提速演練：傍拖拖輪配合艏端吊拖拖輪進(jìn)行加速，艏端拖輪拖拽角度保持30°，可以增速0.5 kn。

3）“出”字形加速演練：演練艉端拖輪向前吊拖的情況，“出”字形拖帶方式見圖6（b），該種方式可以提高航速約0.2 kn。

圖6 拖帶方式示意圖Fig.6 Tug diagrammatic sketch

4.4 應(yīng)急演練

采用頭腦風(fēng)暴法與專家調(diào)查法相結(jié)合的方式，由沉管安裝風(fēng)險(xiǎn)管理組、任務(wù)組、作業(yè)班組所有相關(guān)人員和咨詢專家共同辨識(shí)和確認(rèn)施工風(fēng)險(xiǎn)源，并結(jié)合相關(guān)項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)管節(jié)浮運(yùn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)篩選，初步篩選出19項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)中經(jīng)過處置仍處于高風(fēng)險(xiǎn)的情況，在浮運(yùn)演練中有針對(duì)性地進(jìn)行了相關(guān)應(yīng)急演練，主要開展了人員落水演練、斷纜應(yīng)急演練、出基槽擱淺演練、回拖演練和霧航演練。通過相關(guān)應(yīng)急演練，熟悉和優(yōu)化了演練過程，切實(shí)降低后續(xù)浮運(yùn)施工風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 系泊送纜演練

經(jīng)過多次錨抓力試驗(yàn)，選擇了8 t HY-17大抓力錨為系泊用錨，并設(shè)計(jì)了沉管施工錨系布置，其中包括8根M纜系泊錨系、4根H纜安裝纜系[5]?？紤]到HY-17錨的特性，并盡量縮短系泊期間關(guān)鍵線路作業(yè)時(shí)間，管節(jié)系泊錨系的作業(yè)過程分為提前拋錨、現(xiàn)場(chǎng)帶纜、錨系解除和移錨。為演練關(guān)鍵線路系泊過程，開展了系泊送纜演練。

按照標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)的錨位，在E1系泊區(qū)域南側(cè)提前布設(shè)4口錨。系泊演練定在漲潮期進(jìn)行，按照系泊流程演練南側(cè)4根M纜的送纜過程和錨系連接過程，驗(yàn)證系泊送纜的功效，期間1號(hào)、3號(hào)拖輪與軸線夾角在30°～45°，2號(hào)、4號(hào)拖輪與軸線夾角在45°～60°。采取兩組起錨艇進(jìn)行帶纜作業(yè)，一組為兩艘起錨艇，一艘為全回轉(zhuǎn)起錨艇，另一艘為非全回轉(zhuǎn)起錨艇，按照系泊帶纜順序依次帶纜。接纜時(shí)錨艇要90°頂在安裝船上，接到纜繩后倒車離開，倒出100 m后調(diào)頭改為正拖，系泊演練示意圖見圖7。

圖7 系泊演練示意圖Fig.7 Mooring drill diagrammatic sketch

5 浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)改進(jìn)

國(guó)內(nèi)的沉管隧道如紅谷隧道工程、廣州侖頭—生物島沉管隧道也開發(fā)了沉管導(dǎo)航軟件“沉管隧道施工綜合定位系統(tǒng)”，是在“海上導(dǎo)航定位系統(tǒng)”基礎(chǔ)上的改進(jìn)版，目前“海上導(dǎo)航定位系統(tǒng)”已廣泛應(yīng)用于淺海過渡帶勘探的導(dǎo)航定位[3]。

為了滿足外海、有限航區(qū)拖航的使用要求，便于同時(shí)指揮超過10艘拖輪，自主研發(fā)了基于GPS定位的導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，并在演練中進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、試驗(yàn)。由于新開發(fā)的系統(tǒng)尚不成熟，在演練中出現(xiàn)了信號(hào)中斷、信號(hào)延遲、拖輪信息丟失等情況。針對(duì)出現(xiàn)的問題，增加了2套R(shí)TK GPS定位導(dǎo)航軟件，用于顯示沉管位置，用信標(biāo)機(jī)信號(hào)作為備用數(shù)據(jù)。RTK GPS和信標(biāo)機(jī)均安裝在主駁上，信號(hào)通過有線連接進(jìn)入軟件，避免由于無線傳輸障礙引起數(shù)據(jù)丟失，并在顯示界面上增加了便于拖輪指揮的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、海流顯示、拖纜情況顯示、航標(biāo)顯示等多項(xiàng)功能，經(jīng)過4次演練，導(dǎo)航系統(tǒng)逐步成熟、完善。

6 管節(jié)拖航仿真模擬桌面系統(tǒng)

為使指揮人員對(duì)沉管操控性更熟悉，便于在電腦上模擬管節(jié)拖航操作，在演練經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了“管節(jié)拖航仿真模擬桌面系統(tǒng)”[6]。

桌面系統(tǒng)的主界面包括電子海圖、拖輪和管節(jié)示意圖、菜單欄、狀態(tài)欄等。菜單欄可以進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行、暫停等一系列操作，可以調(diào)出水文氣象數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)瀏覽、串口通信等子窗口程序。狀態(tài)欄實(shí)時(shí)顯示管節(jié)的經(jīng)緯度、航速和首向信息。

拖輪控制界面包括拖輪配置示意圖、拖輪操作和管節(jié)信息。拖輪配置示意圖顯示拖輪的編號(hào)情況。拖輪操作部分可控制拖輪并顯示拖輪馬力情況。管節(jié)信息部分顯示管節(jié)的詳細(xì)信息，包括橫向和縱向速度、角速度、加速度以及受力信息等，為管節(jié)操縱提供輔助。

7 結(jié)語

經(jīng)過4次大規(guī)模的浮運(yùn)演練，已基本掌握航道水深、航道寬度和拖輪性能等情況，逐步完善了浮運(yùn)導(dǎo)航軟件、浮運(yùn)系泊流程等關(guān)鍵內(nèi)容，提出的“吊拖+傍拖”的組合拖帶方式和“管節(jié)拖航仿真模擬桌面系統(tǒng)”，成功地降低了有限航區(qū)、外海浮運(yùn)施工的風(fēng)險(xiǎn)，為沉管管節(jié)E1—E33零事故浮運(yùn)安裝打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。