长距离复杂水域环境中内河沉管隧道管节浮运风险分析及应对措施

谢震灵， 何晓波

(江西中昌工程咨询监理有限公司， 江西 南昌　330038)



长距离复杂水域环境中内河沉管隧道管节浮运风险分析及应对措施

谢震灵， 何晓波

(江西中昌工程咨询监理有限公司， 江西 南昌330038)

内河沉管隧道管节在长距离复杂水域环境中浮运时，浮运线路构筑物和风险源多，水上交通和水情复杂，浮运风险较高。以南昌红谷隧道工程管节浮运为例，比较海口区域与内河沉管隧道管节浮运风险差异，采用风险矩阵法对管节浮运过程中出坞接拖、航道存在浅点、通过小跨径桥梁、急流区回旋、高流速区浮运等5种风险工况进行评估分级，预测红谷隧道管节首次浮运可能发生的高风险工况，总结红谷隧道管节首次浮运出现的风险和采取的应对措施，实现首节管节安全浮运，并为后续管节浮运提供借鉴。

内河沉管隧道； 长距离复杂水域； 浮运风险； 风险矩阵法； 首次浮运

0　引言

沉管法是隧道穿越海底以及江河水底的一种特殊施工方法。从1910年美国在底特律河采用沉管法修建第一座用于交通运输的水下隧道起,截至目前世界上已建、在建的沉管隧道已达120多座[1]。沉管法与盾构法、矿山法相比具有许多优点,如： 管段预制,作业环境和施工质量好;管段对地层压力较小,地质条件适应性强;隧道埋深小,可最大限度缩短隧道长度; 管节施工分节段预制、 浮运、沉放,机械化程度高,施工速度快等[2]。

随着我国经济的发展,在上海、宁波、广州等沿海地区相继修建了一些沉管隧道,如上海外环沉管隧道、广州生物岛—大学城沉管隧道等。目前国内建成的沉管隧道主要集中在海口区域，管节浮运窗口一般选择在高平潮期，水流流速较缓，管节浮运安全可控[3]。由于我国沉管隧道施工起步较晚,针对内河中段沉管隧道管节浮运风险因素的研究较为有限，特别是长距离复杂水域中内河沉管隧道管节浮运中的风险[4]。因此，对长距离复杂水域环境中的内河沉管隧道管节浮运的重大风险源及应对措施进行研究非常必要。

内河沉管隧道管节浮运受浮运线路构筑物与水上交通影响较大，内河水流急，水情复杂，施工风险较高[5]。红谷隧道位于赣江中段，属于典型的内河沉管隧道。红谷隧道是目前国内首次尝试在内河长距离复杂水域环境中进行管节浮运的沉管隧道，因缺乏内河施工经验，增加了施工风险。因此，有必要系统地对红谷隧道管节浮运的施工风险及应对措施进行研究。

1　工程概况

南昌市红谷隧道工程为目前国内内河规模最大、最长的城市道路双向6车道沉管隧道。主线隧道长2 650 m，匝道总长2 510 m，江中沉管段为直线沉管隧道，总长1 329 m。沉管分12节，其中E1—E9管节每节管长115 m，E10管节长96.5 m，E11管节长107.5 m，E12管节长90 m。管节从干坞浮运8.51 km至隧址后，从东西两岸向江中段依次沉放，采用水下最终接头，隧道最终接头设在E10-1与E10-2之间，水下接头长为2.5 m。管节间均采用柔性接头，接头间采用PC钢索连接。横断面为“两孔一廊道”矩形钢筋混凝土结构形式，结构外宽30 m，外高8.3 m。

赣江流域水量丰富，径流主要由大气降水补给。赣江水位及水流流速随季节呈现出周期性的变化，汛期水位及流速变化幅度较大： 4—6月为主汛期，水位可达18 m以上，暴雨影响期间平均水流速度达0.8 m/s以上，非暴雨影响期间平均水流速度也达0.6 m/s以上； 7—9月为降雨季节，河段易出现洪水，洪峰时段水位变化大。由于赣江水位变化较大，且水流湍急，管节浮运时需充分注意赣江水流的影响。

2　内河沉管隧道管节浮运的风险分析

2.1内河沉管隧道管节浮运特点

沉管隧道管节在海口区域浮运时，海口区域河流的水位仅受涨退潮影响，且海口区域河流的流速较缓，管节易于控制。海口区域河流每个月均有高平潮浮运窗口期，管节浮运对水深要求高的问题容易满足，且海口区域河流的航道及通航水域一般较宽，对拖轮控制的要求较低。内河沉管隧道管节浮运与海口区域管节浮运存在较大的差异，相比海口区域管节浮运，内河沉管隧道管节浮运有以下特点：

1)内河水流流速随季节呈周期性变化，受流域雨水补给及上游水利构筑物泄洪的影响明显，流速稍有增大就会急剧提高对浮运控制系统的要求；

2)内河水位随季节受流域范围内雨水补给影响呈周期性变化，每年管节浮运的窗口期有限；

3)内河区域管节浮运航道较窄，对拖轮船长的驾驶技术要求极高，且拖轮编队需紧密配合；

4)内河管节浮运受桥梁影响大，桥墩间距决定管节浮运风险的高低，通过小跨径的桥梁风险极大，管节一旦碰撞桥墩，后果严重；

5)航道内影响因素较多，对河道的封航要求高，须完全阻断全航道交通，社会压力大[6]。

2.2内河沉管隧道管节浮运存在的风险源

1)管节出坞存在的风险源。坞口处浮运航道水深不够，管节搁浅或碰撞坞口、管面绞车自持力不足、水流速度过快导致管节失控、拖轮碰撞管节、锚缆断裂、管节浮运监控量测设备突然失效。

2)管节坞口外侧横移的风险源。管节搁浅、拖轮出现故障、缆绳断缆、管节偏荡严重、其他船舶碰撞管节等。

3)管节过桥存在的风险源。管节偏荡严重、管节碰撞桥墩、绞拉设备出现故障、拖轮断缆、锚块走锚、管节临时系泊时船只碰撞管节。

4)管节在主航道急流区回旋时存在的风险源。管节转向困难，无法回旋调头、中桩系泊锚块走锚、锚块缆绳断裂、管节搁浅、拖轮搁浅。

5)管节从回旋区进入隧址时存在的风险源。管节搁浅、拖轮搁浅、管节失控。

2.3内河沉管隧道管节浮运的风险量及发生概率分析

采用风险矩阵法[7]对管节出坞及浮运过程中的关键风险点进行评估，对其存在的风险量、发生概率及可能发生的原因等进行分析，风险分析评估结果见表1。在风险分析评估表中将风险等级在3C(中度风险)及以上的风险源确定为重大风险源，在施工过程中须对重大风险源进行重点控制。

表1　风险评估

表1(续)

3　红谷隧道管节首次浮运的高风险分析及应对措施

3.1红谷隧道管节首次浮运高风险分析

由表1管节浮运的风险评估，得出红谷隧道管节首次浮运的高风险主要有管节出坞接拖、航道存在浅点、管节浮运通过小跨径桥梁(南昌大桥浮运通航孔净跨仅62 m)、急流区管节调头回旋、E1管节通过西汊高流速区域等5种工况。

3.1.1管节出坞接拖

管节出坞接拖是管节由绞拖控制系统转换为拖轮控制系统的过程[8]，管节出坞接拖布置见图1。在控制系统逐步转换的过程中需要2个系统协调操作，如果控制不协调，就有发生管节失控的风险,从而导致管节搁浅或撞击下游桥梁。管节出坞时纵断面迎流，此时管节受到的水流力最大，且坞口处岩面高，重力锚块埋深不足，承载能力有限，造成绞拖系统的控制能力相对较低。管节在由绞拉系统转换为拖轮系统的过程中，若管节失控，则整个管节及现场所有机械设备、人员、周边既有建筑物的安全很难得到保证。

3.1.2航道存在浅点

由于浮运航道线路较长(全长8 510 m)，浮运航道地质勘察时，勘察点位稀疏，造成坞口至生米大桥段的地质情况未完全查明。设计图纸要求航道底标高为3.6 m，坞口至生米大桥段绝大部分岩面标高在4.5～5 m，现有的绞吸船、链斗船、抓斗船等均无法有效开挖。在有浅点的情况下进行浮运是违反设计及规范要求的，若强行浮运管节，管理及施工风险较大。管节一旦搁浅将影响整个社会航道的通行，且会给管节的质量及安全带来极大的风险[9]。

A—E为拖轮； W1—W10为绞车； 1#—4#为锚块。

图1管节出坞接拖(单位： m)

Fig. 1Tunnel segment undocking(m)

3.1.3管节浮运通过小跨径桥梁

南昌大桥进行桥墩防撞加固后，浮运通航孔的净跨径压缩为62 m，管节本身宽30 m，旁拖轮宽11 m，管节两侧的富余宽度仅有10.5 m。南昌大桥承台基础为高桩承台，抵抗水平冲击的能力较弱。南昌大桥处水流与桥轴线存在60°的夹角，桥头直线段航道仅有300 m长，姿态调整距离短。管节(2.8万t)一旦在浮运时与桥墩发生碰撞，后果不堪设想。

3.1.4急流区高流速状态下管节调头回旋

因围堰压缩主河道，引起回旋区水流流速急剧上升，流速高达1.7 m/s。管节调头回旋时，将出现纵断面迎流的状况，此状态下拖轮系统无法确保管节的安全。管节在此处失控，必将造成搁浅，且管节搁浅面积较大。一旦出现水位下降，在低水位状况下无法将其拖出；高水位状态下必将出现高流速，此状况下也无法将搁浅的管节拖出，后果极为严重。

3.1.5E1管节通过西汊高流速区域

江心洲西侧至西岸围堰段，在高水位状况下，赣江水流将漫过西汊老丁坝，在此处形成一个高流速区，高流速点集中在E2—E3管节基槽位置处，最大流速可达1.0 m/s。管节整个纵断面迎流状态下受到的水流力较大[10]，E1管节浮运通过此区段时，受到的水流力达980 kN。该区段基槽两侧均为高点，基槽两侧的管节通航区域较窄，一旦失控极易搁浅。

3.2红谷隧道管节首次浮运过程中出现的风险及应对措施

3.2.1红谷隧道管节首次浮运过程中出现的风险

红谷隧道首节管节的浮运是对整套浮运系统的检测和验证。浮运过程中主要出现了以下风险：

1)风险1。水流下游管首位置的旁拖轮在接拖时失控，发生管首下移；

2)风险2。浮运过程中社会船只及游泳人员进入浮运航道；

3)风险3。管节过南昌大桥(桥梁东西走向)时往西侧的偏距过多，存在碰撞桥墩的风险；

4)风险4。管节浮运时，水位不断上涨，流速逐渐增大，管节进入回旋区调头回旋时，管节中桩腰缆断缆，管节失控，往基槽下游侧搁浅；

5)风险5。对水流的大小估计不足，致使施工方案中的拖轮系统无法有效控制管节；

6)风险6。隧址西汊出现高流速区，管节在高流速区域内纵断面迎流，拖轮系统无法抵抗水流力；

7)风险7。E1管节进入E2管节基槽位置系泊区时，管节前进动力不足；

8)风险8。E1管节系泊在E2管节基槽位置时，水位突涨，流速增大，存在走锚风险。

3.2.2红谷隧道首次浮运过程中出现风险的原因分析及应对措施

3.2.2.1风险1原因分析及应对措施

1)原因分析。下游管首位置的旁拖轮在接拖时，拖轮失控，发生了管首下移。管节上游布设一艘绞拖船，绞拖船上安设2台15 t液压绞车、管首及管尾均布设2台20 t液压绞车。主要是上游处绞拖船卸力过早，拖轮动力处于微速状况下，拖轮的顶推力不足以抵抗水流力，管节接拖布置详见图1。在这种状态下，绞车W6、W7、W9、W10钢缆与管节的纵向角分别为36°、37°、59°、76°。在绞车W10提前卸力的情况下，管节能提供的横向力F=200·sin 36°+150·sin 76°+150·sin 56°+150·sin 37°=332.2 kN； 管节完全绞出坞口，在水流流速为0.576 m/s时，水流对管节的作用力p= 0.5Cw·ρv2A[11]=0.5×2.0×103×0.62×954.5=343.6 kN。因此，绞车钢丝绳无法稳住管头，从而出现了管首下移。

2)应对措施。及时用绞拖船加力(或加大旁拖轮的顶推力)，增加绞车W10的绞力，则管节能提供的横向力F=200·sin 36°+150·sin 76°+150·sin 56°+150·sin 37°=477.7 kN，大于水流力即可把住管首方向。

3.2.2.2风险2原因分析及应对措施

1) 原因分析。管节拖航前方警戒船只瞭望人员不足，未及时对浮运线路内的社会船只及游泳人员进行瞭望监督，造成浮运过程中社会船只及游泳人员进入浮运航道。

2) 应对措施。水上公安加强封航警戒力度，禁止社会船只及游泳人员进入封航区；船上人员加强瞭望，发现异常情况及时汇报并处理。

3.2.2.3风险3原因分析及应对措施

1) 原因分析。在南昌大桥桥前未能将管节姿态调整到位，同时对自西向东的水流力估计不足，管节过南昌大桥时往西侧的偏距过多，距离西侧桥墩较近，存在碰撞桥墩的风险。

2) 应对措施。过桥前控制管节浮运速度，调整管节姿态，缓慢过桥，防止管节发生偏荡。

3.2.2.4风险4原因分析及应对措施

1) 原因分析。在管节浮运过程中，由于赣江上游2个水电站泄洪，水位不断上涨，水流流速不断增大，造成管节调头回旋时中桩腰缆断缆，管节失控，往基槽下游侧搁浅。

2) 应对措施。①发生管节搁浅事故后，要求各拖轮采用高速挡拖带管节，且不得卸力，防止管节发生严重搁浅；②管节搁浅时，管首位置水深较深，管首位置的压载水箱适当压水，可解决管尾局部搁浅的问题，配合拖轮顺水流拖航即可将管节拖出搁浅区；③因当前的流速窗口不符合浮运要求，需择期浮运进隧址；④将管节在系泊区顺水系泊，并安排拖轮通宵护卫，防止管节失控，管面安排人员进行24 h值班。

3.2.2.5风险5原因分析及应对措施

1) 原因分析。管节调头回旋时，原方案中管节控制措施不足以抵抗目前的水流力，造成中桩缆绳断裂。

2)应对措施。①按照原应急方案在管节中桩位置设置腰缆，腰缆由原来的φ34钢丝绳改为高强度尼龙缆；②管节向基槽移动时，应尽量缓慢，以减小管节的惯性力，防止腰缆被剪断；③管节回旋时采用绕中桩方式旋转，腰缆配合拖轮抵抗纵断面的水流力；④管节完成回旋后至管身2/3进入基槽范围内的过程中必须带腰缆，防止发生意外状况，同时配合拖轮提供纵断面迎流的力；⑤对管节回旋进隧址的各姿态进行受力分析，确保控制系统能够抵抗水流力[11]。管节调头回旋进隧址见图2。

图2　管节调头回旋进隧址

3.2.2.6风险6原因分析及应对措施

1) 原因分析。管节采用旁拖拖航浮运时，上游旁拖轮的有效功率一般较低[12]。西汊高流速区水流方向与管节纵断面基本垂直，该工况下管节完全纵断面迎流，拖轮编队无法确保管节的安全。

2) 应对措施。①在拖轮编队通过西汊高流速区域时，在上游设置3个重力锚块，并布设2艘绞拖船协助管节通过高流速区； ②在绞拖船上配置合适吨位的绞车，配合各工况的受力计算，确保绞拖系统和拖轮系统均能满足高流速状况下管节的可控。管节过西汊高流速区应对措施见图3。

N1、N2、S1、S2、S5、S6、S13、S14、S15为锚块； W9—W12为绞车； E1—E6为管节基槽编号。

图3管节过西汊高流水区应对措施

Fig. 3Tunnel segment crossing area with high flow velocity

3.2.2.7风险7原因分析及应对措施

1) 原因分析。由于E1管节基槽位于围堰内，管节无法在E1管节基槽内进行二次舾装，必须在E2位置进行系泊，管节在隧址内向E1位置拖航时，提供前进动力的锚缆系在E2基槽管首位置的锚块上，隧址缆绳的角度不断减小，造成管节前进动力不足。

2) 应对措施。及时启用岸控系统的锚块以提供管节前进的动力，保证管节能够安全带上系泊锚缆。

3.2.2.8风险8原因分析及应对措施

1) 原因分析。由于上游水电站泄洪，水流流速及水位突增，造成系泊在E2位置处的E1管节受到的水流力突然增大，存在走锚风险。

2) 应对措施。提前将E1管节绞拖进入E1沉放区的围堰内，围堰内管节不受水流力影响且管尾系泊在抗拉承载力为784 kN的锚块上，管节安全度过高流速时期，并在围堰内完成管节的二次舾装。

4　结论与建议

4.1结论

1)管节浮运通过高流速区时，需提前考虑应对措施，才能保证管节浮运的安全。E1管节浮运通过西汊高流速区时，提前加强绞拉系统，确保拖轮系统拖带E1管节安全通过西汊高流速区。

2)管节浮运受水流、水深的影响，提前预测浮运水文窗口是保证管节安全浮运的关键，对水文评估不足，会给浮运带来高风险。E1管节浮运时对水流情况评估不足，造成管节搁浅，后续管节浮运前需充分考虑水文情况。

3)干坞与隧址的距离影响管节浮运的安全，应尽量缩短干坞与隧址的距离，从而有效降低工程地质、工程水文等方面的施工风险。

4.2建议

1)航道浅点是影响沉管隧道管节浮运的关键因素之一，浅点处理不到位会影响管节浮运窗口的选择，建议深入研究浅点处理的方法。

2)管节浮运受水流流速、管节迎流面大小、浮运航道沿线构筑物等的影响，施工风险大，风险控制成本高。因此，建议系统研究内河沉管隧道管节纵断面迎流通过高流速通航区域和主航道急流区内管节调头回旋、系泊的风险及应对措施。

3)工程风险应有应对措施，同时需加强施工过程中的管理，有效规避因管理原因导致的工程风险。

4)管节浮运受水流流速影响大，自然风险可采取管理措施进行规避，如提前与水文气象等单位沟通。

5)高风险的分部分项工程施工时，需系统管理工程风险，系统风险管理涵盖重大风险源管理、项目管理风险评估、自然风险预报预测等方面，通过系统风险管理切实有效规避或减轻施工及管理风险。

[1]宁茂权，肖明清.海底沉管隧道关键技术设计与分析[J].铁道工程学报，2008(8)： 50-53,57.(NING Maoquan，XIAO Mingqing.Design and analysis of key technology about chunnel immersed tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2008(8)： 50-53,57.(in Chinese))

[2]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京： 人民交通出版社，2010.(WANG Mengshu. Tunnelling and underground engineering technology in China[M]. Beijing:China Communications Press, 2010.(in Chinese))

[3]孟民强.沉管法隧道管段浮运施工工艺[J].广东造船，2014(1): 62-65.(MENG Minqiang. On the construction of immersed tunnel tube floating transport [J]. Guangdong Shipbuilding, 2014(1): 62-65.(in Chinese))

[4]陈韶章，陈越.沉管隧道施工手册[M].北京： 中国建筑工业出版社，2014: 160-175.(CHEN Shaozhang,CHEN Yue. Construction manual for immersed tunnel [M]. Beijing: China Architecture & Building Press，2014: 160-175. (in Chinese))

[5]王朝辉.内河沉管隧道浮运沉放施工技术[J].施工技术, 2012, 41(18): 117-120.(WANG Chaohui. Construction technology of floating and sinking of immersed tunnel crossing inland river [J]. Construction Technology, 2012, 41(18): 117-120.(in Chinese))

[6]王吉云.港珠澳大桥岛隧工程沉管隧道施工新技术介绍[J]. 地下工程与隧道，2011(1)： 22-26.(WANG Jiyun. New construction technology in immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Island Tunnel Project [J]. Underground Engineering and Tunnels, 2011(1): 22-26.(in Chinese))

[7]张青海.外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理研究[J].隧道建设，2015,35(11)： 1150-1156.(ZHANG Qinghai. Risk management in offshore towing and installation of immersed tunnel tubes [J]. Tunnel Construction, 2015,35(11)： 1150-1156.(in Chinese))

[8]邓建林.沈家门港海底沉管隧道浮运、沉放施工控制技术[J].隧道建设，2015,35(9)： 914-919.(DENG Jianlin. Control technology for towing and sinking of immersed tubes： Case study of Shenjiamen Port Subsea Tunnel [J]. Tunnel Construction, 2015,35(9): 914-919. (in Chinese))

[9]郭建文.海河隧道沉管沉放对接的主要施工技术[J].铁道标准设计，2013(4)： 73-77.(GUO Jianwen. Key construction technologies of sinking and docking of immersed tube of Haihe River Tunnel [J]. Railway Standard Design, 2013(4): 73-77. (in Chinese))

[10]陈智杰，王永学，王国玉,等.波浪作用下沉管管段沉放过程运动响应的试验研究[J].大连海事大学学报,2009,35(2): 10-14.(CHEN Zhijie，WANG Yongxue，WANG Guoyu，et al. Experimental investigation on motion responses of immersing tunnel element under wave actions [J].Journal of Dalian Maritime University, 2009,35(2): 10-14. (in Chinese))

[11]内河沉管法隧道设计、施工及验收规范：DB/T 29—219—2013[S].天津:天津市建设工程技术研究所,2013: 45-46.(Code for design, construction and acceptance of immersed tunnel in the inland river: DB/T 29—219—2013[S].Tianjin：Tianjin Construction Engineering Technogoly Research Institute,2013: 45-46. (in Chinese))

[12]陈绍章，苏宗贤，陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术[J].隧道建设，2015,35(5)： 396-403.(CHEN Shaozhang,SU Zongxian,CHEN Yue.New technologies used for immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project [J]. Tunnel Construction, 2015,35(5): 396-403.(in Chinese))

Analysis of Risks in Long-distance Floating Transportation of Immersed Tunnel Segment in Complex Inland River and Their Countermeasures

XIE Zhenling, HE Xiaobo

(JiangxiZhong-changEngineeringConsultationandSupervisionCo.,Ltd.,Nanchang330038,Jiangxi,China)

There are many risk sources on the segment floating transportation route of inland river immersed tunnel. The risk differences between segment floating transportation in sea and that in river are compared. The risks, including segment undocking, low water level points, segment crossing bridge with small span, segment turning area with high flow velocity and segment floating transportation in area with high flow velocity, are assessed and classified by risk matrix method. The risks of segment floating transportation are predicted and their countermeasures are summarized. The segment floating transportation for the first time is successful and can provide reference for follow-up segment floating transportation.

inland river immersed tunnel; long-distance complex water area; floating transportation risk; risk matrix method; floating transportation for first time

2016-05-09;

2016-08-04

谢震灵(1966—)，男，江西樟树人，1998年毕业于中国社会科学院,建设项目管理学专业，硕士，高级工程师，现主要从事给排水、市政道路桥梁、轨道交通、房屋建筑工程专业监理工作。E-mail： 956965570@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.09.010

U 455

B

1672-741X(2016)09-1095-06