浅析捷龙轮在港珠澳大桥沉管边施工工艺

浅析捷龙轮在港珠澳大桥沉管边施工工艺

林全凯

中交广州航道局有限公司  广东广州 510300

【摘要】被誉为“海底吸尘器”的捷龙轮承担沉管安放、对接前对海底基槽清淤工作，为沉管安放扫清障碍，保证“深海之吻”工程顺利对接成功起到关键性作用。钢封门是保护沉管水密、保证沉管间彼此贯通的重要屏障。由于其裸露在沉管两侧，最终接头区域狭窄，而捷龙轮在附近施工，其安全性得不到确切的保障。如何提高、改善捷龙轮的施工工艺成为保障钢封门和水密胶条安全的重要举措。现就港珠澳大桥沉管“最终接头端”施工浅析管边施工的安全保障。

【关键词】海底沉管   施工工艺   安全保障   最终接头

一、海底沉管概述

港珠澳大桥由桥梁以及海底隧道两部分组成，其中施工技术难度最大的当属大桥主体工程中的海底隧道。港珠澳大桥海底隧道全长6648米，由33个沉管连接而成。因其跨越珠江口主航道，沉管隧道需沉埋深度近50米，故沉箱间对接工程是当今世界上最难的海底隧道工程，被誉为“深海之吻”。然而，两个沉管对接，沉管两端的钢封门是否能顺利打开被列为对接作业的监控重点。钢封门具有水密封门的作用且裸露在沉管外侧，它的安全被视为整个沉管隧道的生命线，假如遭到外界物体的碰撞或变形，其后果可能是不可预测的严重后果，因此必须避免此类状况的发生。

二、最终接头端清淤施工要求

沉管隧道最终接头是在管节E29与管节E30之间，采用“三明治”结构，整体呈楔形，底宽9.6m，顶宽12m，如图1-1。E29管节尾端（东侧）与E30管节首端（西侧）均设置导向托架和保护罩，中轴线两侧对称设置两个120t系缆桩。导向托架位于轴线偏北7.065m，宽2,8m，高约2m，外加保护罩，保护罩呈四棱台布置，高度约2.2m。两侧各为沉管端面，各有一个钢封门，清淤范围是下宽4.8米上宽5.6米长42米，清淤深度-28.7米。基槽槽底临近各管节尾端均已铺设宽为2m的碎石垫层，回淤物主要为粘性淤泥，厚度约为50～60cm，必须将该梯形槽内的淤积物精确清除至1.26g/cm3淤积物厚度小于10cm。

图1-1  最终接头位置示意图

三、捷龙轮清淤工艺流程

捷龙轮在港珠澳大桥海底隧道建设项目中被称为"海底吸尘器"，其工作职责是在管道沉箱安放前进行清淤作业，以满足工程设计的要求。施工方在安放巨型沉管前，需对基槽底部的进行泥浆密度测试。当测试结果表明槽底海水浓度高于1.026吨/立方米时，施工方就必须进行清淤施工以净化海水环境，为沉管的安放扫清障碍。

捷龙轮利用离心式泥泵的作用产生真空，然后通过吸泥管将水下泥浆吸进泵内。吸入泥浆后，泥泵将泥浆提升，并通过其产生的排压在排泥管中挤压泥浆从而让其在管线中流动。最后，泥浆可以通过输泥管线输送到泥驳舱内进行排放、装驳满舱后由泥驳运至海洋许可倾倒区抛卸作业。                                                                                                                                      

    清淤工艺流程如下图所示：

图3-1：清淤施工工艺流程图

四、施工前风险评估

结合施工环境、捷龙轮六锚定位特点、清淤施工工艺及特殊海况况等因素综合判断，在沉管最终接头范围清淤施工存在比较大的风险。

图4-1  钢端门前清淤施工布置（立面）示意图

1.捷龙轮桥梁在下放过程中桥梁轴承不可避免的产生摆动，根据分析计算，轴承摆动1mm，可导致桥梁顶端吸口位置出现8cm的偏移；目前船舶清淤监控系统只能监控桥梁和吸淤头的俯视角度，而无法对清淤过程中的摆动进行测量和监控；桥梁下放过程中将导致桥梁出现明显的左右摆动的现象，且最终接头区域狭窄，造成下放过程中碰触钢端门的风险极大。

2.捷龙清淤船“六锚定位”布锚所采用的钢丝锚属于柔性，大风浪、急流、紊流、船行波、邻近其他船舶施工干扰等情况下，极易造成桥梁与吸淤头移位、偏荡，甚至导致锚抓力不足、锚机设备稳定性故障、主桥梁钢丝或绞车负荷过大而断裂等情况发生，导致施工过程中桥梁架碰触钢端门的风险极大。

3.最终接头整体呈楔形，底宽9.6m，顶宽12m，施工区域狭窄，保障安全作业条件下需在钢端门前设置2.0m宽的安全距离，导致施工过程中，桥梁左右摆动角度仅有5度左右，该允许范围人工操作难度极大，存在很大的不确定性所导致的桥梁或者吸淤头触碰的钢端门风险极大。

4.施工过程中出现设备故障、外界干扰等应急情况下，现场处置禁止起离桥梁与吸淤头、左右移动，保持桥梁与吸淤头原有姿态，通过调整锚缆由北向南后拖处理，将导致吸淤头严重损伤、桥梁折断，进而引发碰触钢端门的风险。

5.施工过程中GPS信号失锁，船舶操作人员将失去操作控制依据，无有效应急措施，仅能保持原位不动且不得采取任何操作行为，所引发的风险严重不可控。

6.施工时对天气、海流、流速等水温条件有极高的要求，现场施工时机仅能选择在平或缓涨潮时段（高低平潮潮位差±0.10m）条件下，施工过程中驾驶室仅且仅能由一人连续操作，存在较大的人为操作不当或思维反应慢等安全隐患，不确定因素繁多，施工的同时保证绝对安全，操作要求极高且未能有十足之把握，所引发的风险可控范围有限。

7."捷龙"轮是一艘庞大的船舶，由锚缆系定位，桥梁长度约80米，最大宽度达4.2米，而吸淤头的直径为1.6米，同时吸淤头与桥梁之间采用铰接结构，最大宽度近2.4米。庞大的船体采用柔性锚缆定位方式，这使得在正常的风浪流中，船体可能会发生一定的偏移或晃动，进而引起船舶稳定性的风险。对于最终接头清淤作业来说，这是最大的风险。如果遭遇大风浪、船行波或者垂直于锚缆方向的波浪或锚地紊流等异常情况，极有可能会造成桥梁与吸淤头的移位或偏晃，进而引发安全隐患。

五、施工前安全保障

鉴于钢封门的重要性及门前邻近区域清淤施工存在较大的安全风险，我轮对此进行操作改进防范措施，以确保它的安全。具体如下：

1．技术交底

施工前，船长应召集作业班组，并根据施工计划和现场情况与项目部进行清淤技术和施工安全方面的交底。在踏勘现场并仔细分析研究土质、水文、气象、船舶动态、排泥距离等资料的基础上，船长、轮机长及船员干部应合理考虑施工机具的更换、改造、修理和备配件的安排，以及土质对挖泥机具磨损的影响情况。同时，对于关键的定位仪器和仪表，也需进行校验、检定，必要时更新以确保施工质量和安全性的控制。在进入作业段时，需详细作好计划，根据不同的气象条件和移动距离来确定进场时机，同时对进场路线上以及作业段周围的其他作业船和锚标的情况要作正确的影响评估，并与附近有影响的作业船进行联系和协商，特别沉箱及其舾装件构造进行讲解，防止锚缆钩到沉箱的舾装件，如导向架等。

2．自然条件

伶仃海域风、流、浪海况复杂。选取合适的环境条件，有利于保障沉箱安全性，驾驶员操作的稳定性。故我轮进入“钢封门施工警戒区”，都将安排在白天平或缓潮时段作业，风、流向尽量与沉箱是吹开风SW风、流向NE流，如风流不适的话，只能在级数小（风力4级以下，浪高小于1.5m）时进行施工；同时注意防范天气变化，当突发恶劣天气，我轮即及时撤出“钢封门施工警戒区”，避免造成不必要的事故。

3．锚缆系统

船舶固定船位和横摆主要靠锚缆，靠近钢封门附近起锚、布锚尤其重要。船舶首向是南北向时，抛锚方向尽量与沉箱成大角度，长距离抛锚，且不能在基槽边坡上抛锚，长度约300m；抛锚后都要保证钢丝受力，方向与锚位一致。由于施工区域不止我船单独施工，抛石船“振驳28”、铺石船“经纬”、挖泥船“金雄轮”、“华铨轮”共同在管节附近作业，锚位交错频繁，故加强和兄弟船舶沟通合作，及时通报各种锚位作业动态，预防彼此锚缆相互缠绕，扯动他船施工船位或扯断钢丝缆。

4.清淤安全保障措施

(1)清淤期间交叉作业时，移锚需跨压附近施工船舶的锚缆时应加强与其它施工船舶的沟通与协调；

(2)清淤期间应按海事规定悬挂施工信号等；

(3)施工锚和管线锚应加强锚标灯的检查，及时更换锚标灯；

(4)采用两套独立定位系统校对吸头及船位精度；

(5)施工文件水深图标志警戒线，严禁吸头横摆时超越该警戒线，避免与钢封门“亲密接触”。

(6)施工时间采取涨潮全时段施工，落潮流速过快时停止施工。

(7)在“钢封门施工警戒区”作业时，须船长或大副以上人员在场操作或监督其他驾驶员操作，避免发生与沉箱有任何剐碰，保证安全。

(8)提高吸淤精度，有平常的吸淤范围直径2.5-3m提高为1.5-2m，而且多遍清淤，轨迹交错重叠，做到吸淤效果符合设计验收标准。

(9)值班水手辅助瞭望，如发现大型波形浪或过往船只会给吸淤带来影响时，及时报告驾驶员采取停止作业，把吸头侧移离开钢封门门前区域。

(10)当监控GPS信号或RTK发生异常情况时，造成捷龙轮船位浮动，不适于施工时，驾驶员停止作业，远离钢封门，避免浮动的信号带来吸头碰撞钢封门局面。

(11)横流清淤时，应加强观察船位的稳定性和锚缆的受力情况，适时调整船位与水流夹角，保持船的稳性，必要时暂停施工作业。

5.清淤作业主要风险分析及应对

（1） 在进行清淤作业时，可能会遇到船舶设备或导航仪器故障或受到外部干扰的风险，而吸淤头通常会贴近基床，一旦出现异常情况，应立即精准地贴近基床并紧贴，以保持船体的基本稳定。在作业前，必须全面检查主要船舶设备、传感器和导航等仪器的状态，并备好备件，以应对突发情况。

(2) 由于施工区域非常狭窄，清淤作业要求操作精度极高，任何操作不当或应急反应慢的情况都可能导致重大安全隐患，因此船舶操作人员面临着巨大的风险和心理压力。为了确保施工安全，需要组建一支经验丰富、能够应对突发情况的船干队伍来进行作业。

(3) 在施工过程中，清淤范围非常狭窄，仅有4.8米的底宽，且深度达到15米，四周又受到限制，形同一个高度差约15米的狭长深槽。此外，吸淤头和桥梁宽度分别仅为2.4米和4.2米，为避免桥梁碰触已安装的管节顶部导向托架，需要始终保持桥梁垂直于隧道基槽中轴线，操作难度非常之大。如将吸淤头类比为一辆小轿车，以上操作犹如要求小轿车顺利穿越一条一百多米长的狭窄“小巷”，车身与左右墙壁剩余空间仅约15cm，所有的作业都是在海底30米的深海环境下进行的。因此，为了确保作业的安全性和准确性，现场应该进行"模拟操练"，让所有参与作业的船员能够熟悉作业流程并做到心中有数。

6.现场“模拟操练”试验

由于接头基槽清淤施工存在极大的风险，为了解决风、浪、流等因素对清淤作业的影响，以及掌握桥梁和吸淤头晃动的最大范围并熟悉操控工艺技术，有必要进行现场模拟操练。试验区域位于最终接头基槽南侧延伸线边坡上，大小为南北42米*东西4.8米，是吸淤头不能偏离的清淤范围，两侧平移2.4米，9.6米宽的范围代表了桥梁不能越过的警戒线。试验之前进行了充分的策划和现场交底，对船舶的主要设备、传感器、导航定位、锚缆刹车和显示系统进行了全面的检查和校对，并更换了更大的前中锚。试验安排在涨落潮较小的时间段进行，由南向北，单点步距为2.8米，吸头下放20米深度。共模拟了18个点，在施工过程中，桥梁和吸淤头都在4.8米范围警戒线内控制，没有出现越界的情况，操作稳定可控。总共进行了两次试验。

六、施工工艺

1.清淤范围边界处理原则

基槽底边坡清淤：根据回淤检测断面图、回淤厚度及回淤强度分析确定基槽底边线外清淤宽度，底边坡清淤宽度可参考5～15m。对于回淤强度和回淤厚度大的底边坡（一般急流流向的一侧回淤较大），应拓宽清淤宽度和增大吸淤时间，以备纳淤，减少边坡上的淤泥自然塌落流入基槽中。

相邻管节边界清淤：清淤范围应超出相邻管节交界线外，并应根据邻近管节回淤厚度、基槽纵向坡度比及水流流向确定拓宽清淤长度，一般不宜少于20m。

邻近沉放管节边界清淤：临近已沉放管节的一侧的清淤必须考虑沉管的管壁及安装设备的安全，吸盘最外缘应距离已沉放管节管壁1m处吸淤，并控制吸头移动速度避免吸盘触损管壁或安装的设备。

2.清淤作业实施

（1）选择合适清淤时机

根据潮位变化，最终接头垄口流速0.2m/s以下，此时是清淤作业的最佳时期。

（2）创造良好作业环境

1）为了减少高速大型船舶航行波对清淤施工造成的影响，在进行清淤作业之前，广东省海事局发布了航行通告，要求在作业期间，伶仃航道A1至广州港2号灯浮之间和龙鼓西航道LC1至LC7灯浮之间的航段上，所有船舶的航速控制在10节以下。

2）在清淤作业期间，最终接头周边1公里范围内，禁止其他船舶进入，在“捷龙”轮四周各调配一艘船舶作为警戒线，以应对其他船舶的误入施工区。

（3）合理施工展布

“捷龙”轮桥梁在施工作业时时垂直于隧道基槽中轴线，由于捷龙轮是六锚定位的施工展布。为使得“捷龙”轮保持稳定的船舶姿态，艉中锚、前中锚应按平行于水流布置，以抵消水流力影响，其它4个边锚应有尽量大的摆开角度。

（4）减少桥梁升降次数

本次清淤工程需要进行2-3遍清淤，拟清除的淤积物厚度约为30~60厘米。考虑到桥梁升降期间的风险较大，我们采用优化吸淤头的布点方式，通过减小步距、加密布点的方式来提高清淤效率。单点清淤面积由通常的2.8米*2.8米加密至2.2米*2.2米，以减少桥梁升降总次数并达到清淤验收标准的目标。最终接头基槽清淤分为东西两侧各一遍，第一遍采用由南往北逐点"盖章式"推进的方向进行作业，第二遍则逐点回退采用由北往南的方向进行作业。

(5)加强人员风险管控

在最终接头基槽清淤工程中，我们延续了现场试验的船舶干排布局，并由经验丰富的船长指挥作业，熟练操作的大副当班操作，并有另一位大副随时待命。同时，项目主管领导也在船上值班。在施工过程中，清淤操作人员严格按照清淤系统所显示的信息，严控作业范围和深度，并密切关注吸淤头和桥梁的位置。在移位时，操作人员收紧锚钢丝，减少锚钢丝弹性变形对船舶偏移的影响，并减少锚机的收发幅度，通过增加操纵次数来保证船舶轴线始终处于中轴线附近。

综上所述，捷龙轮靠近沉箱尾端施工防止与沉箱钢封门，水密胶条及舾装件碰撞或损坏的施工工艺是有相当大难度的。这就要求挖泥长施工作业时控制好船位摆动，有掌握分析判断各种事态的预判的能力（如风、流、锚位等），避免吸头与沉管钢封门直接接触，使得船舶处于既能施工清淤，又不会对钢封门造成威胁。33个沉管对接就需要捷龙轮在沉管边清淤33次，特别是最终接头段的清淤尤为惊险，所以保证沉管钢封门前的清淤施工安全是捷龙轮全体船员的光荣职责。我们全船上下团结一心，在项目部的统一领导和指挥下，坚定信念，脚踏实地做好岗位工作，反复做好典型施工模拟操作，认真总结经验，操作技术精益求精，创新拼搏攻克难关，2017年4月20日我轮已顺利完成最终接头段的清淤工作，保证了最终接头的准时顺利安放，为港珠澳大桥岛隧工程赢取胜利做出了应有的贡献，为努力实现建设世界级跨海通道这一地标性建筑，贡献出了自己的一份力量！

参考文献：

①  陈婕  《港珠澳大桥首节沉管对接》  2013年5月4日  金羊网-新快报

②   陈松波、何波、黄育生 《捷龙清淤作业指导书》   2013年12月

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