外海超大型沉管应急回坞预案

张建军，管泽旭，宁进进

（中交一航局第二工程有限公司，山东 青岛 266071）

0 引言

沉管隧道施工技术含量高、施工难度大、不确定因素多以及跨多学科和专业综合运用集中。目前世界范围内已成功建设了120多条类似的公路、铁路沉管隧道，近几年的典型工程有丹麦厄勒海峡隧道、土耳其博斯普鲁斯海峡隧道、韩国釜山巨济隧道以及中国港珠澳大桥沉管隧道。

隧道工程是具有高风险特征的工程，世界范围内的沉管隧道施工中，沉管在安装作业中出现过不同程度的风险事故，为了便于处理事故和降低次生风险，也出现过沉管拖航回坞的情况。

韩国釜山巨济沉管隧道E16沉管浮运就位前GINA止水带受意外碰撞造成损伤事故，采取的措施是进行沉管拖航回坞、GINA止水带修复作业后再进行沉放对接，导致工期延误3个月；日本多摩川沉管隧道某沉管沉放就位后，测量结果发现对接端偏差过大，在纠偏过程发生GINA止水带侧翻事故，采取的措施是重新起浮沉管，拖航回坞、修复GINA止水带后再进行沉放对接；宁波常洪沉管隧道E4沉管沉放前由于基床某根桩的截桩不到位，导致桩顶标高高于管底标高，沉管无法沉放到位，采取的措施是沉管拖航回坞，对桩顶进行重新处理后再进行沉放对接。

1 项目概况

港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道位于珠江口外的伶仃洋海域，距珠江入海口51 n mile，沉管段长5 664 m，包含沉管33根，单根重78 000 t，排水量8万m3，主体结构采用钢筋混凝土构造，是目前世界上体量最大的混凝土构件[1]。沉管浮运采用社会航道与专用航道的组合航路，总长约12 km，基槽内最大浮运距离约3 km。

港珠澳大桥岛隧工程施工初期，按照沉管浮运安装工序进行相应的风险管控，采用风险源的辨识、分析、评估和风险处置的方法，形成了一套完整的风险管理体系。其中，在沉管浮运安装关键工序风险排查中，筛查出了关键设备故障、基床回淤、GINA止水带破损、测控系统故障等无法继续进行浮运安装的重大风险，并需要制定相应的应急预案。在风险管控的基础上，开展了应急处置专项研究并制定了沉管拖航回坞的应急预案[2]。

2 应急方案比选

采用头脑风暴法和专家评估法，假定沉管在浮运安装过程中出现异常的情况下，筛选出了若干应急处理方法，结合国内外沉管隧道的施工经验和港珠澳大桥项目的实际情况，最终形成了3个初选应急预案，分别为沉管现场系泊、沉管坐底抗流和沉管拖航回坞应急预案。

2.1 沉管现场浮态系泊应急预案

该应急预案采取的措施是在施工现场设置临时系泊区域，问题或事故发生后将沉管拖航至该区域，采用临时系泊锚系协助沉管进行现场浮态抗流，进行问题或事故处置后重新沉放安装。预案应用流程为：启动该预案→临时系泊锚系布设→沉管移位→沉管系泊→现场处置问题或事故→抗流等待作业窗口→解除系泊重新沉放安装。现场系泊示意图如图1所示。

图1 现场系泊示意图Fig.1 Mooring diagrammatic sketch

该应急预案适用于发生的问题、事故可短时间内（2 d内）在现场处置完成，比如关键设备故障、测控系统故障等。若处置周期超过2 d，将错过当次作业窗口，需现场抗流等待下一个小潮汛期作业窗口（约15 d），但未来15 d内发生的风险不可控，主要风险为：

1）大潮汛期的大流速

沉管至少要在临时系泊区等待15 d，期间要经历1次大潮汛，结合施工水域现场实测历史数据和预报系统预测，大潮汛期间的最大流速为1.3～1.4 m/s，根据计算得出沉管所受水流力约为800 t，系泊锚系及连接缆绳无法满足现场的抗流要求。

2）恶劣天气影响

目前的预报条件无法准确预报未来15 d内的天气情况，如果遭遇台风、冷空气、突发强对流天气等，其产生的风、浪对沉管的荷载若超过沉管结构的承受极限，则造成的后果无法预料，风险巨大。

3）警戒风险

施工水域处于珠江口航道区附近，沉管长时间系泊对海事警戒和现场值守要求高、压力大，如果外来船舶闯入临时系泊区，则沉管安全无法保障。同时，长时间的航道封航、限速将严重影响港口正常营运。

2.2 沉管现场坐底应急预案

该应急预案采取的措施是在施工现场设置临时系泊区域，问题或事故发生后将沉管拖航至该区域沉放坐底进行抗流，问题或事故处置后，现场等待合适的作业窗口重新沉放安装。预案应用流程为：启动该预案→碎石垫层整平→临时系泊锚系布设→沉管移位→沉管系泊→沉管坐底→现场处置问题或事故→坐底等待作业窗口→沉管起浮→重新沉放安装。

该预案需要提前铺设沉管坐底的碎石基床。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根沉管采用了坐底防台的方案。

该应急预案相对于“沉管现场浮态系泊方案”，增加了沉管坐底，可以减少大汛潮流速、波浪和大风的影响，可进行长期现场抗流等待，但还需要考虑其他风险：

1）无满足要求的碎石基床基础

沉管坐底需要在整平好的碎石基床上，现场没有满足要求的碎石基床。若采取施工前进行坐底基床铺设，则整个施工周期中，坐底基床存在回淤风险；若采取出现问题现场进行坐底基床铺设，则作业周期近半个月，风险大、不可实施。

2）沉管起浮风险大

沉管长时间坐底等待后，基床受淤泥淤积，而且沉管底部淤泥无法清除，沉管底部与基床之间的吸附力增大，起浮过程中易发生骤然跳出的风险。

3）深槽紊流

大潮汛期深槽底部的紊流情况复杂、流速大，沉管受力情况不清晰，GINA止水带和端钢壳受损几率高，风险大。

2.3 沉管拖航回坞方案

该应急预案采取的措施是问题或事故发生后立即选择合适的海况进行沉管拖航回坞作业，在坞内进行问题或事故处置后，选择合适的作业窗口重新浮运沉管至现场进行沉放安装。预案应用流程为：启动该预案→回拖作业窗口选定→沉管拖航回坞→坞内处置问题或事故→等待合适作业窗口→沉管重新浮运至现场进行沉放安装。

相对于以上2个应急预案，该预案的沉管拖航回坞可以避免沉管长期外海存放的海流、风浪和海事警戒等诸多风险。但该方案同样面临着其他不确定风险：

1）浮运线路差别

正常沉管浮运是由狭窄航道进入宽阔水域，返航作业正好相反，沉管拖航操控习惯不同，沉管姿态控制难度增大。

2）落潮流速略大

沉管返航浮运选择顺流拖航，即落潮浮运。根据施工水域历史小潮汛实测资料，落潮流流速普遍比涨流流速大0.1～0.2 m/s左右，现场拖航难度增大。

3）进坞作业无实操经验

进坞采用“出坞缆系”控制进坞沉管姿态和速度，虽然有出坞操作经验和成套的应急预案，但无相关实操经验，现场实操难度大。

2.4 应急预案制定

对比研究3种应急预案进行风险评级，从风险相对最小、风险可控方面考虑，最后选择了综合风险等级最低的沉管拖航回坞方案为现场出现问题或事故时的应急预案，以该方案为基础，制定了一系列的应急保障措施，并进行了2次现场实施。以港珠澳大桥岛隧工程E15沉管一次回拖为例，进行详细阐述。

3 E15沉管拖航回坞作业

港珠澳岛隧工程E15沉管是项目开工以来施工难度最大的一节沉管，由于基槽异常回淤问题导致了E15沉管“三次浮运、两次回坞”的情况。

E15沉管第一次浮运过程中出现基槽异常回淤引起基床破坏，处置周期超过10～15 d，且根据国家海洋预报中心提供的资料将有一股冷空气到达，给施工海域带来强风天气，沉管不再具备继续进行沉放安装的条件，决定启动沉管拖航回坞应急预案，E15沉管进行第一次回拖。

根据应急预案，沉管拖航回坞作业主要包括作业窗口选定、回坞准备、航道浮运、坞口系泊区临时系泊、沉管进坞等内容。

3.1 作业窗口选定

为了减小外部水文气象条件对沉管浮运安装的影响，并降低船舶、设备的建造费用，提出作业窗口的概念，寻找能满足目前船舶作业能力的作业窗口条件。

根据应急预案，考虑到预制厂与隧址的相对位置，常规浮运施工按照涨潮流拖航的前提条件，返航回坞作业选择与常规浮运“相反”的窗口，即返航选择落潮顺流返航，回坞过程选择在低平潮进行。

考虑到狭窄航道和进坞难度，为了保证拖航回坞作业的安全，根据应急预案在原作业窗口的基础上增加两个限制条件：预制场支航道拖航限制条件是流速0.3 m/s以下；沉管进坞限制条件是流速0.2 m/s以下。当沉管进坞作业窗口不满足作业条件时，可选择在榕树头航道北段宽敞水域进行现场抗流，等待下一个作业窗口。

E15沉管第一次返航回坞时制定的窗口计划如图2所示。

图2 回拖计划Fig.1 Process planning of dock back

3.2 回坞准备

回坞准备工作主要包括：

1）作业人员回坞安全技术交底；

2）拖轮、起锚艇船机检查；

3）坞口进坞锚系布置和预拉；

4）坞内卷扬机缆绳前引缆到坞口；

5）坞口增设多台照明设备；

6）坞口流场测量。

根据应急预案，海事部门也在第一时间启动配套的通航应急处置办法，在最短时间内协调港口运营和社会有关部门制定应急封航和护航方案，11艘海事警戒船艇参与了E15沉管返航警戒工作，回拖过程中拦截误入船舶多艘，有力地保障了沉管回拖安全。沉管进坞过程中现场安排4艘海事警戒船值守警戒[3]，见图3。

图3 浮运期间海事警戒船布置图Fig.3 Arrangement of maritime altering vessel in floating stage

3.3 浮运编队

E15沉管拖航回坞采用的航道为专用浮运航道，即“原路返回”。浮运线路为：系泊区编队→基槽横拖→第二转向区→伶仃航道→出运航道二→榕树头航道→预制厂航道→坞口系泊区。

沉管回拖过程受到寒潮大风的影响，现场风浪条件接近作业窗口的上限，考虑到首次进行拖航回坞作业，在原有浮运编队的基础上，增加2艘拖轮作为应急备用，即采用4艘大马力拖轮吊拖、4艘绑拖、2艘在基槽抗流、3艘拖轮备用[4]。

3.4 进坞作业

沉管进坞是整个拖航回坞作业中难度最大的工序，进坞作业与出坞作业不同，是从开阔水域向狭窄水域绞移的过程，施工难度比沉管出坞[5]难度大。沉管进坞流程为：坞口临时系泊区沉管系泊→沉管姿态调整→沉管绞移至坞口→缆系转换→沉管进坞及坞内系泊。

沉管进坞作业借助现有的出坞卷扬机系统实现，主要施工难点和重大风险在进坞作业初期，当船管绞移到坞口内部“港湾”区域后，进坞作业基本不再受到外海的风浪流影响，风险等级降低到可以接受范围之内，因此本文重点描述进坞作业初期阶段的流程。

沉管进坞作业初期阶段包括临时系泊区系泊、沉管姿态调整、沉管绞移至坞口3个步骤。施工过程中主要依靠拖轮与缆绳共同配合控制管节姿态。拖轮离开后主要依靠岸上卷扬机系统、安装船卷扬机系统和坞外的锚泊缆系提供前进动力，控制姿态。

1）临时系泊区系泊：浮运到位后，解除艏端1号、2号两艘拖轮，利用剩余拖轮控制沉管姿态后，同时完成沉管艏艉两端5根缆绳的连接，收紧缆绳后解除艉端1号、2号，左舷6号、8号拖轮。

2）沉管姿态调整：由于缆系能力有限，采用2艘大马力拖轮顶推和缆系配合调整沉管姿态，将沉管轴向调整到与坞口平行，并做好进坞绞移准备。

3）沉管绞移至坞口：绞移初期采用艏端绞车提供前进动力，艉端锚缆控制绞移速度，右舷5号、7号拖轮顶推配合控制沉管轴线，至艏端绞车角度呈45°左右，可控制沉管姿态后，解除右舷拖轮，完成拖轮控制到缆系控制的转换，缆系控制更容易控制沉管的位置、姿态和安全。沉管绞移到“喇叭口”后，更换坞内绞移缆系，后续绞移进坞风险较低，这里不再赘述。

4 结语

港珠澳大桥岛隧工程E15沉管两次拖航回坞，是国内外的首次外海沉管拖航回坞作业，是在全面风险排查、成功的施工决策和可行的应急预案的保障下，克服了毫无施工经验、寒潮恶劣天气、水文条件的影响下达成的，避免了由于进行问题或事故处置而可能引发的新风险或事故的发生。

该案例的成功实施验证了所制定的沉管浮运安装突发问题、事故下沉管拖航回坞应急预案的可行性。该应急预案以及配套的风险管理措施为后续沉管隧道施工提供了难得的经验，值得借鉴。