超大型沉管防台方式对比

宁进进，朱岭，李进

0 引言

热带气旋（Tropical Cyclone，简称TC）是热带海洋大气中形成的中心高温、低压的强烈涡旋的统称。其水平环流半径一般为数百公里，垂直环流高度约10 km[1]。

港珠澳大桥沉管隧道施工区位于珠江口，属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，根据统计1949—2011年63 a间经过珠江口海域的热带气旋共75个，年平均1.2个，最多时1 a有4个热带气旋影响该海域[2]。

1 工程概况

港珠澳大桥沉管隧道总长度为5 664m，预制安装管节33节，东西两端与人工岛暗埋段相接，沉管隧道为东西走向，穿越伶仃西航道和规划30万t油轮航道，最大水下深度46m。

沉管出坞、浮运、系泊、安装以及防台避风主要通过沉放驳锚机系统进行控制保护，每节沉管浮运安装需要2艘沉放驳，每艘沉放驳上的缆绳系统包括系泊缆索（M缆）、吊索缆索（L缆）、安装缆索（H缆）、绞船缆索（P缆），如图1所示。每条缆索与其操作绞车对应，所有的缆索卷筒和绞车均布置在沉放驳系统甲板上，缆索规格见表1。

2 热带气旋对超大型沉管的安全危害

2.1 强风灾害

超强风力可能造成船舶与管节连接缆绳等防风设施因抗风能力不足而断裂，导致船舶与沉管发生碰撞，损坏沉管。

图1 沉放驳缆索布置图Fig.1 Arrangement of sinking barge cable

表1 沉放驳缆索规格一览表Table 1 A listof specifications for sinking barge cable

船管在抗风过程中，主要受风面是沉放驳，其风阻力计算公式为：

式中：籽为空气密度，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，计算结果详见表2，受大风影响，沉管和沉放驳受力增加数倍。

表2 沉放驳、沉管风阻力计算表Table 2 The calculating table of wind resistance of sinking bargeand immersed tube

沉管管顶设有人孔井和测量塔，属于高耸结构，最大高度接近40 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。超强风作用下可能存在倾倒碰撞，严重危害沉管安全。

2.2 暴雨灾害

台风影响时，多数时候伴有暴雨，甚至是大暴雨或特大暴雨，海上能见度降低至几米[3-4]，防台抢险人员带缆防护工作困难加大，而且大暴雨期间管节和船甲板湿滑，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。

2.3 风暴潮灾害

台风天气带来的风暴潮减水可能造成管节触底，导致GINA、端钢壳、管节损坏。

3 超大型沉管防台方式

从近几年的台风登陆情况看，台风对珠江口影响的可能性较高，强度也大，为了尽量保证沉管安全，降低台风破坏风险，港珠澳大桥沉管安装团队开展了在封闭式、半封闭式、开敞式区域进行船管防台的技术研究，提出了4种船管防台方式，详见表3。

表3 4种沉管防台方式Table 3 Anti-typhoon schemes of 4 kinds of immersed tube

3.1 开敞式+漂浮

开敞式防台是将沉管存放在无掩护的开阔水域，这种防台方式是在施工区现场或者人工岛附近、开阔水域进行现场防台，通过沉放驳缆系和现场拖轮进行联合防台，其中缆系是通过船上的系泊缆绳（120 t）与8口大抓力锚连接。沉放驳现场系泊抗风缆系见图2。

目前港珠澳大桥沉管现场系泊、安装锚型选用的为HY-17型大抓力锚。根据现场地质、水文等条件确定安装锚的极限锚抓力为100 t，系泊锚的极限锚抓力为160 t，锚系数量、性能见表4。

图2 锚系布置图Fig.2 Anchor system layout

表4 HY-17型锚数量及性能Table 4 The quantity and performance of HY-17 anchor

3.2 开敞式+坐底

沉管坐底式防台是将沉管提前下沉至预先开挖好的下潜区进行防台避风，一般在无掩护的水域遇到强台风才采用沉管坐底防台。

在1978年“丽泰”台风登陆香港期间，香港公共交通地铁沉管隧道第11根管节不得不采用开敞式+坐底的方式防台，管节暂时沉到基槽底部，然后进行压载水控制、封闭人孔等作业，通过海上作业船的8条系泊锚缆连接，并将缆绳放到最长，现场安排2艘拖轮应急，整个防台下沉和起浮作业共耗时7 d，耽误了一次沉管安装的作业窗口。

开敞式+坐底方式防台避风，需要预先开挖沉管的下潜防台区域，考虑到疏浚和挡风影响，该区域应该选择在人工岛附近，为了保证管节水下临时寄存、起浮以及防台避风的安全，下潜区域需要提前铺设一节标准管节碎石垫层，并在下潜区周边提前布设预拉好8口系泊锚系。当出现强台风恶劣天气或施工现场出现突发情况不能安装时，管节回拖至下潜区并沉放至碎石垫层上，通过锚艇将沉放驳系泊缆绳连接至防台大抓力锚上进行防风锚固。

管节沉入海底防台避风期间，沉放驳的脐带缆保持与管节连接，同时需要安排专人监测管节封门安全、CCTV和管节运动姿态，确保管节在海底的安全。

3.3 封闭式+漂浮

封闭式防台是将沉管存放在一个四周封闭的水域内进行防台避风。以桂山深坞区为例，防台方式就是以封闭式+漂浮进行防台。

沉管预制厂浮坞门采用钢筋混凝土重力式箱形结构+钢扶壁组合结构形式[5]，浮坞门沉箱长59 m，宽25.2 m，高29.1 m，重量约为1.3万t，设计吃水10.5m。

根据台风生成强弱情况，决策是否需要进行浮坞门关闭作业。浮坞门关闭是通过绞缆系统将浮坞门沿规定路线从寄存区绞移至坞口区，通过控制舱格内压载水高度，精确地放置到坞口基础上，坞门绞移线缆、坞门关闭流程详见图3。从坞门关闭的施工经验看，坞门关闭需要乘潮作业，一般情况下关闭坞门需要24~36 h，因此防台保护措施需要提前2 d进行部署，这就需要精准预测台风动向，便于决策的及时有效。

图3 浮坞门寄存区和坞口区平面示意图Fig.3 Schematic diagram of the floating dock gate storage area and dock area

坞门关闭完成后，沉管采用漂浮的方式在深坞区抗风，在管节坞内系泊的基础上增加尼龙缆系加固。

3.4 半封闭式+漂浮

半封闭式防台是将沉管存放在一个不完全封闭的水域内进行防台避风，这种防台方式也是属于坞内防台，只是防台期间坞门未关闭。

管节在深坞采用漂浮方式，坞内系泊缆系基本与封闭+漂浮相同，采用P缆、H缆和尼龙缆进行系泊抗风。

4 超大型沉管防台方式对比

结合港珠澳大桥沉管隧道防台避风施工经验，对以上4种防台方式进行优劣比对，见表5。

表5 防台方式对比分析Table 5 Contrastive analysisof anti-typhoon schemes

4.1 开敞式对比

根据施工经验判断，开敞式防台方式风险很大，船舶、沉管和现场作业人员安全很难保障，其中开敞式+坐底式防台方式需要提前开展疏浚、碎石基床整平和锚系预拉布设，其造价高，防台准备工序繁多。根据目前港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道安装使用的沉放驳设计情况和锚抓力能力[6]，船管可以在7级风以下进行现场系泊抗风，因此在限定风速内可以使用开敞+漂浮方式进行船管现场抗风。

4.2 封闭式对比

从整体上看封闭式防台比开敞式安全、可控。以港珠澳大桥桂山岛深坞防台的实际情况，对封闭式防台进行对比分析。

4.2.1 半封闭式防台案例

2014年第15号台风“海鸥”于9月12日下午在菲律宾以东的西北太平洋洋面上生成，登陆时中心附近最大风力40m/s。

为保证E13管节顺利安装，本次防台桂山岛预制厂深坞区坞门没有关闭。根据以往防台经验，结合台风“海鸥”特点，采取了如下防台措施，平面布置图如图4所示。

图4 安装船及沉管防台带缆示意图Fig.4 Schematic diagram of the installation vesseland immersed tube anti-typhoon cable

1）沉放驳上8根绞船缆绳P缆（25 t）全部与陆上系缆柱相连接，缆绳连接方式为“交叉”方式。

2）沉放驳上4根安装缆绳H缆（65 t）穿过沉管管顶绞缆盘与陆上系泊缆桩连接，缆绳连接方式为“八字”方式。

3）在沉管上增加10根尼龙缆与陆上系缆柱相连加固，缆绳布置位置为：GINA端4根，沉管中间2根，非GINA端4根。

4）沉放驳上4根吊索缆绳L缆（40 t）与沉管吊点连接，L缆受力提起沉管，使单个吊点受力增大至280 t，同时增添了8根尼龙缆加固船管连接。

5）同时安排专人24 h值班，关注台风变化情况。

由于坞门未关闭，波浪从北侧由坞口传入深坞。15日夜间受坞外涌浪影响，管节开始出现晃动，晃动幅度较大。

台风“海鸥”破坏力巨大，给沉管系泊设施造成了较大破坏。本次防台损失累计：断裂25 t系船柱2个，断裂直径准40高强尼龙缆16根，断裂直径准65普通尼龙缆14根，断裂直径准90和准80丙纶缆各1根，断裂沉放驳钢丝绳P缆4根，丢失50 t快速脱钩器2个，直接经济损失高达数百万元。

4.2.2 封闭式防台案例

2016年7月27日，台风“妮妲”在菲律宾棉兰老岛以东海面生成，在深圳市大鹏新区附近沿海登陆，登陆时最大风力45m/s。

根据以往防台经验，对沉放驳、沉管采取以下系泊措施：

1）关闭桂山岛预制厂深坞坞门。

2）坞内沉放驳、沉管系泊抗风带缆位置与上述相同（详见图4）。

3）为抵抗涌浪、阵风等造成的脉冲性荷载，在钢丝缆与系缆桩之间连接同等破断力的尼龙缆，利用尼龙缆的弹性给管节提供一定的卸荷作用，保证沉管及钢丝缆的安全。

4）沉放驳上安排人员24 h值班、记录，保持电话通畅，根据台风、风暴潮级别大小，专人实时监控，及时调整缆绳长度。

深坞坞门关闭后防止外海涌浪进入，对沉管起到很好保护作用。本次台风风力比“海鸥”更大，且几乎正面袭击沉管所在区域，但未造成设备、材料损失。

5 结语

超大型沉管隧道防台保护措施研究对沉管安全起着至关重要的作用。通过沉管防台保护措施方式对比和桂山岛坞内沉管防台实例分析，从安全性、实效性、经济性等多方面综合比选，确定“封闭式+漂浮”方式为沉管防台保护最优方案，为后续同类型沉管隧道施工提供借鉴。

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[2] 秦鹏，黄浩辉，李春梅. 珠江口海域热带气旋气候特征及最大风速计算[J]. 气象研究与应用，2013，34（2）：26-30.QIN Peng, HUANG Hao-hui, LI Chun-mei. Climatic characteris-tics of tropical cyclones and its maximum wind speed calculation in Pearl River estuary and the nearby sea area[J]. Journal of Meteoro-logical Research and Application, 2013, 34(2): 26-30

[3]冯颖竹.登陆广东热带气旋的气候特征及灾害特点[J].仲恺农业工程学院学报，1997，10（2）：38-44.FENG Ying-zhu.The climatic and disaster features of tropical cyclone in Guangdong[J].Journal of Zhongkai Aguotechaical Col—lege,1997,10(2):38-44.

[4] 刘春霞.登陆或影响广东省热带气旋气候规律的初步分析[J].广东气象，1998（S2）：49-51.LIU Chun-xia.Preliminary analysis of landing or influencing climate laws of tropical cyclones in Guangdong Province[J].Guangdong Meteorology,1998(S2):49-51.

[5] 李惠明，梁杰忠，袁立.坞门大沉箱预制技术[J].中国港湾建设，2013（3）：55-59.LIHui-ming,LIANG Jie-zhong,YUAN Li.Technology for pre-casting of caisson type dock gate[J].China Harbour Engineering,2013(3):55-59.

[6]苏长玺，冯海暴.大型沉管安装工程用锚选型及锚系设计试验研究[J].中国港湾建设，2017（5）：82-86.SU Chang-xi,FENG Hai-bao.Experimental study on mooring anchor selection and anchor system design of large immersed tube installation[J].China Harbour Engineering,2017(5):82-86.