外海超大型沉管拖航演练研究

宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

1 工程概述

港珠澳大桥岛隧工程的沉管隧道位置在珠江口外的伶仃洋海域，与珠江入海口的距离为51 n mile，沉管段长5 664 m，共有管节33个，单根重78 000 t，排水量8万m3，是目前世界上最大的混凝土构件[1]。浮运航道总长约12 km，基槽内浮运最大距离约3 km。每节管节浮运需经3次航道转换。

浮运航线有2条，沉管浮运航道有3条：

1）预制场航道→榕树头航道→出运航道一→第一转向区→基槽→安装位置（E1—E8、E10、E12—E14管节）→系泊作业。

2）预制场航道→榕树头航道→出运航道二→伶仃西航道→第二转向区→基槽→安装位置（E9、E11、E15—E20管节）→系泊作业。

3）预制场航道→榕树头航道→出运航道三→第三转向区→基槽→安装位置（E21—E28、E33—E29管节）→系泊作业。

沉管浮运是岛遂施工中技术难度最高、风险最大的施工，主要风险和难度包括：浮运时需13艘拖轮同时配合作业，一致性要求高，协同作业难度大；管节尺寸及重量大、惯性大，现场姿态控制难度大；施工区域属于外海，并临近珠江口，受气象、流场、径流影响大，现场施工环境复杂；流向与基槽垂直，基槽水流力较大，风险大；基槽满足浮运要求的区域狭窄，姿态控制难度大；管节基槽横拖距离较大，约1.2 km。

为了降低沉管浮运安装的风险，在首节沉管出运前，在浮运航道区采用拖带大型半潜驳的方式进行了4次拖航演练。

2 演练船舶

港珠澳大桥岛隧工程的沉管宽度、高度分别为37.95 m、11.4 m，长度主要分为6种，最短的管节长度为112.5 m，标准管节的长度为180 m。考虑到首次拖航为短管节，因此按照短管节的尺寸和排水量安排了2艘半潜驳船“重任1500”、“招商重工1号”进行拖航演练，2艘半潜驳船与短管节E1、E2的对比情况见表1。

表1 演练半潜驳船主要尺寸情况Table1 Themaindimensionparameterofsemi-submerged barge

3 拖带方式

目前沉管通用的拖航方式一般分为2种，在非受限水域采用4艘拖轮“吊拖”的方式，如上海外环隧道管段浮运[2]采用4艘拖轮吊拖（图1）；在受限水域特别对沉管姿态要求严格时在吊拖的基础上增加傍拖拖轮，如国内在建的红谷隧道在拖航过程中沉管两侧增加了傍拖拖轮（图2）[3]。

图1 上海外环隧道管段浮运方式Fig.1 Floating method of Shanghai outer ring immersed tunnel

图2 红谷隧道拖轮编队方式Fig.2 Honggu tunnel tug formation method

考虑到港珠澳大桥沉管浮运航道最窄区域仅为240 m，为了更好地进行管节姿态控制，初步确定了“吊拖+傍拖”的组合拖航方式，随着演练的逐渐深入，傍拖拖轮的带缆方式和拖轮数量也逐步优化。

第1次演练时，安排2艘拖轮傍拖，拖轮艏艉通过尼龙缆连接到半潜驳的系船柱上，需要顶推时尾端尼龙缆松缆实现直接顶推，见图3。为了便于傍拖拖轮进行顶推作业，在第2次演练时优化去掉了拖轮尾端缆绳，见图4。在第3次、第4次演练中，从控制管节尾端左右位置考虑，在半潜驳船左右两侧后方新增加2艘傍拖，带缆方式不变，见图5。

图3 第1次演练拖轮编队方式Fig.3 The first tug formation method

图4 第2次演练拖轮编队方式Fig.4 The second tug formation method

图5 第3次、第4次演练拖轮编队方式Fig.5 The third and fourth tug formation method

在演练中，着重对吊拖拖轮的操控性进行研究，并通过现场流速观测了解拖轮尾流对被拖船的影响，采用射流理论对尾流进行计算[4]，相关速度场计算见式（1）、式（2）。

综合考虑将首尾端拖缆的长度由原来120 m、100 m改成100 m、60 m，并将吊拖拖轮的拖拽角范围定在30°～45°，后续33节沉管拖航中拖缆长度、角度基本保持不变。

4 演练情况

4.1 演练时间与路线

在2013年1月28—29日、3月1日、4月8—9日和4月27—28日进行4次大型浮运演练。考虑到E1现场施工情况，第1次、第2次浮运演练选择模拟E29管节进行演练，采用浮运线路一，即坞口编队区→预制厂支航道→榕树头航道→出运航道一→第一转向区（逆时针）→基槽→E29系泊位置。第3次、第4次浮运演练模拟E1管节进行演练，采用浮运线路一，即坞口编队区→预制厂支航道→榕树头航道→出运航道一→第一转向区（顺时针）→基槽→E1系泊位置。

4.2 验证性演练

为了模拟实际拖航中的各种工况，模拟浮运流程开展了验证性演练，主要包括：

1）起拖演练：艏端2艘吊拖拖轮5 000 kW（6 800 HP）、5 071 kW（6 900 HP）的转速在 500～550 r/min，在10 min内航速由0提高到1 kn。

2）刹车演练：艉端吊拖、傍拖拖轮配合，将航速由2 kn降到0.2 kn，总刹车距离约100 m，用时5 min。

3）转向演练：回旋水域转向是由纵向拖航改成横向拖航的关键，水流力增大到原来的4倍左右。调头区转向演练选择在平潮期，分别针对不同的转向区进行顺时针、逆时针转向过程，转向中吊拖1号、2号和傍拖5号拖轮调整频繁。

4）系泊稳船演练：由于沉管系泊和送缆期间需要现场拖轮配合保持船管位置不动3～4 h左右，因此在基槽横流期间开展了多次系泊稳船演练。

4.3 加速演练

管节拖航是在浮运安装的作业窗口系统内进行，且是关键线路。为了了解浮运的总体时间，便于编制合理的浮运安装计划，演练中着重进行了几种加速演练，主要包括：

1）艏端拖轮直拖演练：艏端拖轮拖拽角调整成0°，见图6（a），整体提高航速约0.5 kn。

2）傍拖拖轮提速演练：傍拖拖轮配合艏端吊拖拖轮进行加速，艏端拖轮拖拽角度保持30°，可以增速0.5 kn。

3）“出”字形加速演练：演练艉端拖轮向前吊拖的情况，“出”字形拖带方式见图6（b），该种方式可以提高航速约0.2 kn。

图6 拖带方式示意图Fig.6 Tug diagrammatic sketch

4.4 应急演练

采用头脑风暴法与专家调查法相结合的方式，由沉管安装风险管理组、任务组、作业班组所有相关人员和咨询专家共同辨识和确认施工风险源，并结合相关项目的施工经验，对管节浮运进行风险筛选，初步筛选出19项风险。

对于风险点中经过处置仍处于高风险的情况，在浮运演练中有针对性地进行了相关应急演练，主要开展了人员落水演练、断缆应急演练、出基槽搁浅演练、回拖演练和雾航演练。通过相关应急演练，熟悉和优化了演练过程，切实降低后续浮运施工风险。

4.5 系泊送缆演练

经过多次锚抓力试验，选择了8 t HY-17大抓力锚为系泊用锚，并设计了沉管施工锚系布置，其中包括8根M缆系泊锚系、4根H缆安装缆系[5]。考虑到HY-17锚的特性，并尽量缩短系泊期间关键线路作业时间，管节系泊锚系的作业过程分为提前抛锚、现场带缆、锚系解除和移锚。为演练关键线路系泊过程，开展了系泊送缆演练。

按照标准管节的锚位，在E1系泊区域南侧提前布设4口锚。系泊演练定在涨潮期进行，按照系泊流程演练南侧4根M缆的送缆过程和锚系连接过程，验证系泊送缆的功效，期间1号、3号拖轮与轴线夹角在30°～45°，2号、4号拖轮与轴线夹角在45°～60°。采取两组起锚艇进行带缆作业，一组为两艘起锚艇，一艘为全回转起锚艇，另一艘为非全回转起锚艇，按照系泊带缆顺序依次带缆。接缆时锚艇要90°顶在安装船上，接到缆绳后倒车离开，倒出100 m后调头改为正拖，系泊演练示意图见图7。

图7 系泊演练示意图Fig.7 Mooring drill diagrammatic sketch

5 浮运导航系统改进

国内的沉管隧道如红谷隧道工程、广州仑头—生物岛沉管隧道也开发了沉管导航软件“沉管隧道施工综合定位系统”，是在“海上导航定位系统”基础上的改进版，目前“海上导航定位系统”已广泛应用于浅海过渡带勘探的导航定位[3]。

为了满足外海、有限航区拖航的使用要求，便于同时指挥超过10艘拖轮，自主研发了基于GPS定位的导航系统[1]，并在演练中进行系统调试、试验。由于新开发的系统尚不成熟，在演练中出现了信号中断、信号延迟、拖轮信息丢失等情况。针对出现的问题，增加了2套RTK GPS定位导航软件，用于显示沉管位置，用信标机信号作为备用数据。RTK GPS和信标机均安装在主驳上，信号通过有线连接进入软件，避免由于无线传输障碍引起数据丢失，并在显示界面上增加了便于拖轮指挥的运动趋势、海流显示、拖缆情况显示、航标显示等多项功能，经过4次演练，导航系统逐步成熟、完善。

6 管节拖航仿真模拟桌面系统

为使指挥人员对沉管操控性更熟悉，便于在电脑上模拟管节拖航操作，在演练经验的基础上，研发了“管节拖航仿真模拟桌面系统”[6]。

桌面系统的主界面包括电子海图、拖轮和管节示意图、菜单栏、状态栏等。菜单栏可以进行系统运行、暂停等一系列操作，可以调出水文气象数据输入、数据浏览、串口通信等子窗口程序。状态栏实时显示管节的经纬度、航速和首向信息。

拖轮控制界面包括拖轮配置示意图、拖轮操作和管节信息。拖轮配置示意图显示拖轮的编号情况。拖轮操作部分可控制拖轮并显示拖轮马力情况。管节信息部分显示管节的详细信息，包括横向和纵向速度、角速度、加速度以及受力信息等，为管节操纵提供辅助。

7 结语

经过4次大规模的浮运演练，已基本掌握航道水深、航道宽度和拖轮性能等情况，逐步完善了浮运导航软件、浮运系泊流程等关键内容，提出的“吊拖+傍拖”的组合拖带方式和“管节拖航仿真模拟桌面系统”，成功地降低了有限航区、外海浮运施工的风险，为沉管管节E1—E33零事故浮运安装打下坚实的基础。