强对流天气对超大型沉管浮运安装的影响及应急预案

李进，朱岭，侯亚飞，宁进进

强对流天气对超大型沉管浮运安装的影响及应急预案

李进，朱岭，侯亚飞，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

强对流天气是珠江流域夏季高发的灾害性天气，且很难预报。如果在沉管浮运安装过程中遭遇强对流天气，将严重影响沉管、船舶和作业人员的安全。港珠澳大桥岛隧工程针对强对流可能对沉管的影响，提前准备，制定有针对性的应急措施，并在E27管节安装中成功战胜强对流天气。

强对流；超大型沉管；浮运；安装；预报；应急预案

0 引言

强对流天气是珠江流域气象灾害的主要天气类型之一，发生强对流天气时常伴有雷雨大风、冰雹、龙卷风和局部强降雨等恶劣天气现象。强对流天气在气象学上指发生在中小型尺度的天气系统，空间尺度小，具有发生突然、移动迅速、破坏力极强的特点[1-2]。由于其发生发展的突发性和局域性强，预报难度较大。

沉管浮运安装有严格气象作业窗口要求，浮运安装中如果遭遇强对流天气，将造成不可预估的后果。

1 工程概况

港珠澳大桥岛隧工程隧道段长5 664 m，共33个管节，标准管节长180 m，采用2艘双沉放泊吊扛浮运安装，管节及安装船断面详见图1。施工区域处于伶仃洋区域，受特殊地理环境影响，自然灾害频繁，除了台风、冬季季风对施工区影响较大之外，强对流天气更是多次袭击施工区域。

港珠澳大桥沉管浮运安装中遭遇多次强对流恶劣天气，其中E27系泊期间遭遇强对流时间长达80 min，现场实测10 min最大累计降水为13.7 mm（见表1），现场实测有效波高最大为0.72 m，实测最大风速为10.41 m/s，水平能见度降低到6 km以内，严重影响正常浮运安装作业，只能启动应急预案，暂停现场作业。

图1 管节及安装船断面示意图Fig.1Section of tunnel element and immersion barge

表1 E27安装期间强对流期间降雨量统计表Table 1Statistics of rainfall in severe convection during installation of E27

2 强对流对沉管浮运安装的影响

强对流天气对沉管浮运安装作业影响很大，主要影响包括能见度降低、瞬时大风和强降雨等。

2.1 能见度降低

雷雨来临时，乌云翻滚，雨点大而密集使能见度突然降低，视线模糊不清，能见度甚至只有几米。2016年6月11日3:40—5:00强对流期间，现场实测能见度由40.71 km瞬间降低到不足6 km。

强降雨不仅降低能见度，还对雷达影响明显，雷达屏幕上杂波影响巨大，很难发现目标回波。目测或雷达观察受限，船舶航行抓点定向的目标很难确定，现场很难准确判断船位。

受雷达、GPS等助航设备、性能的影响，进入雨区，船舶之间互见性变差，而且沉管浮运拖航编队船舶超过40艘，包括浮运船舶和海事警戒船，且船舶距离较近，在近距离发现来船后，船舶控制难度大，如果采取错误的避让方法和行动，给浮运船队操作带来极大威胁，易发生船损事故。

2.2 大风影响

雷雨时伴随着大风，且发展快，风力从原来3耀5级可在短短1耀2 min之内猛增至9级以上，其风向与原风向基本不一致。

沉管浮运安装过程中，主要受风面是安装船，其中风阻力估算公式为：

Ra=0.5籽V2移CsAi伊10-3

式中：籽为空气密度，kg/m3，按1.22 kg/m3计算；V为风速，m/s；Ai为受风面积，m2，按顶风计算；Cs为受风面积Ai的形状系数，按照Cs=1进行计算。

按照该公式对6～8级风进行风阻力计算，其中沉管干舷按照15 cm计算，计算情况详见表2，受大风影响，沉管和安装船受力增加数倍。

表2 安装船、沉管风阻力计算表Table 2Calculation of wind resistance of installation vessel and immersed tube

沉管非GINA端设置了人孔井和测量塔，属于高耸结构，最大高度接近42.2 m，测量塔为三角形钢结构，人孔为圆筒形式，迎风面大，约为113 m2。

瞬时大风将导致浮运拖轮受风横摇加剧，船舶操控难度增大，且航道宽度仅为240 m，如果流向和风向一致，很容易导致沉管偏离航道搁浅，4艘绑拖拖轮绑在安装船上，在风浪作用下极易造成拖轮与安装船碰撞、拖缆断裂等事故，严重威胁沉管施工作业安全。

2.3 降雨影响

强降雨影响船上和管上人员作业安全，大雨期间管节和船甲板容易湿滑，作业人员容易摔倒，且均为邻水、临边作业，如果落水，既难以发现，又难以施救。

3 强对流处置措施

3.1 临近预报

强对流天气生命史短、生成迅速、有突发性，在所有的天气类型中属于最难预测和预报的天气之一[3]。

国家海洋预报中心结合“降水率的雷达回波图”，提前半小时预报强对流天气，为安装团队提供最新数据。

3.2 能见度不足应对措施

项目部设计开发的浮运导航系统，是利用一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。浮运导航系统实时、同步采集GPS的坐标数据，可以显示出沉管、拖轮、航道的相对位置。在能见度降低时，可以利用该系统进行拖轮指挥[4]。

为保证编队在浮运过程中的安全，海事部门进行环绕式海事警戒船艇布置，由内向外分别布置核心警戒组和第1～第3警戒组[5]，引导社会船舶与沉管编队保持安全距离，详见图2。编队使用VHF与VTS时刻与来往船舶保持联系，随时通报船位，按章鸣放声号。利用视觉、听觉等一切有效手段保持正规瞭望，开启远近2部雷达，开启船舶自动识别系统（AIS）、利用多部VHF值守获取周围船舶信息，将瞭望情况随时与雷达图像进行对照，及时判断是否存在碰撞危险。如继续航行困难或者指挥中心禁止续航时，应及时停航等待，需指挥各拖轮密切配合控制好沉管位置，按章鸣放雾号和显示号灯号型。

图2 浮运期间海事警戒船布置图Fig.2Arrangement of maritime altering vessel in floating stage

结合同样造成能见度降低的大雾的影响，在E14沉管浮运期间进行雾航（能见度受限）演练，通过VHF、VTS与海事警戒船联动，演练船舶碰撞、外部船舶闯入等情况。

3.3 大风应对措施

如果编队受到大风作用而发生偏航时，主拖轮应立即减速，降低船队的速度、暂停拖航，同时安排应急拖轮协助稳定船舶。

为了增加测量塔和人孔井的结构安全性，增加测量塔和人孔井的连接件——抱箍结构，利用ANSYS软件计算，增加抱箍后人孔井、测量塔顶端在各种荷载作用下变形明显变小[6]。另外为了保证在偶然工况下人孔井上部结构先于预埋件破坏而沉管主体结构不受损坏，在原人孔井结构的基础上增加刚度弱化节段，其高度0.5 m，壁厚18 mm，相对于其他节段，壁厚减少2 mm，以实现人孔井整体刚度弱化的目的。

4 E27现场处置情况

管节浮运安装期间E27（2016年6月11日），连续遭遇6次短时强对流，其中第1轮强对流过程（系泊期间）带来的影响最大，风力增强到4～5级，持续约0.5 h，10 min最大风速8.1 m/s，1 min瞬时风速最大为11.1 m/s，10 min最大累计降水达到13.7 mm，这是E1～E28安装期间遭遇的最强降雨。

4.1 应急流程

沉管浮运安装期间，由国家海洋预报中心天气预报现场工作组对即将影响施工区域的强对流天气系统进行跟踪、分析和预报，并将相关情况随时报告给现场决策组。决策组根据强对流天气预报和现场实际施工情况召集浮运安装指挥人员研究下一步工作，并下达命令。由浮运安装指挥人员及时发布停止作业、原地待命或恢复作业等具体工作指令。

现场HSE负责人员和国家海洋预报中心现场工作组密切联系，保持沟通，并根据最高决策组的要求及时发布强对流天气等预警信息至相关船舶和班组，提醒相关船舶、班组做好人身防护、防风浪、防暴雨、防雷电等安全工作。

4.2 现场应急措施

为确保现场作业人员安全，下达暂停施工指令，要求所有作业人员停止现场施工，到船舱内避雨避风，防止淋雨和雷击。

浮运指挥通过浮运导航软件进行现场拖轮指挥，拖轮船长通过船上导航软件按照软件位置进行应急准备。浮运指挥一方面组织绑拖拖轮进行现场抗流，稳住沉管，确保管节、安装船安全；一方面通知系泊锚艇按照应急预案就近靠泊、避免碰撞。

现场HSE通过VHF通告外围海事警戒船暂停作业，并通报主要船舶的位置。海事警戒船通过高频通知临近往来船舶，一方面控制航速，一方面避免进入沉管系泊区域。

4.3 后续计划调整

沉管出坞、浮运、沉放对接是一系列复杂施工工序，各流程环环相扣，每个工序都有明确时间限定，由于系泊暂停作业，后续工作将推迟。现场指挥结合现场强对流情况，启动浮运安装备用计划，科学决策将管节沉放分为两阶段进行，这是沉管安装以来第一次分两个阶段进行沉放施工，严格按照对接窗口要求施工，有效避开了强对流天气对浮运安装的影响。

5 结语

强对流天气严重威胁沉管安全拖航和作业，为保证沉管在浮运安装过程中的安全，港珠澳大桥安装团队一方面联合国家海洋预报中心加强雷暴等强对流天气的临近分析和预警预报；一方面提前准备制定预案、改进结构安全性，提高应对防护能力。后续将结合沉管浮运安装特点，细化完善相关应急预案。

[1]孙继松，陶祖钰.强对流天气分析与预报中的若干基本问题[J].气象，2012，38（2）：164-173.

SUN Ji-song,TAO Zu-yu.Some essential issues connected with severe convective weather analysis and forecast[J].Meteorological Monthly,2012,38(2):164-173.

[2]李崇银，屈昕.伴随南海夏季风爆发的大尺度大气环流演变[J].大气科学，2000，24（1）：1-14.

LI Chong-yin,QU Xin.Large scale atmospheric circulation evolu原tions associated with summer monsoon on set in the south China sea [J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,2000,24(1):1-14.

[3]金永兴.局部突发气流对系泊船舶的影响及防范措施[J].上海海运学院学报，1994（2）：9-16.

JIN Yong-xing.Danger of microburst to mooring ship and some precautionary measures[J].Journal of Shanghai Maritime University, 1994(2):9-16.

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SU Fa-qiang.Risk management on floating of ultra-large immersed tube[J].China Harbour Engineering，2015,35(7):1-3.

[5]范铁锐，李瀚，郑秀磊.港珠澳大桥航道区沉管施工安全措施[J].中国港湾建设，2015，35（7）：140-142.

FAN Tie-rui,LI Han,ZHENG Xiu-lei.Security measures of immersed tube construction in shipping channel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering，2015,35(7): 140-142.

[6]丁宇诚，宁进进.管顶人孔井、测量塔的受力变形数值模拟及控制[J].水运工程，2014（9）：170-176.

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

李进（1973—），男，山东平度人，高级工程师，港口与航道工程专业。E-mail：409914291@qq.com