大型沉管安裝工程用錨選型及錨系設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

蘇長璽，馮海暴

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

大型沉管安裝工程用錨選型及錨系設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

蘇長璽，馮海暴*

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島266071）

結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道工程，調(diào)研分析了多種型號(hào)的工程用錨，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，得出錨抓力和起錨力等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了外海條件下大型沉管的錨泊系統(tǒng)，為隧道管節(jié)系泊期間的拋錨起錨等操作施工提供了可行的施工方案，可為類似工程提供借鑒。

沉管隧道；錨泊系統(tǒng)；抓重比；起錨力

0 引言

錨不僅使用在船舶上，還被用作海中浮動(dòng)構(gòu)筑物的定位等。隨著沉管隧道工程越來越多，施工條件也越來越差，沉管在基槽內(nèi)系泊和沉放期間，需要通過錨實(shí)現(xiàn)沉管的穩(wěn)定。工程用錨主要為海中漂浮狀態(tài)的沉管提供固定點(diǎn)，避免風(fēng)浪流造成沉管失控。錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要以錨的操作性和抓重比系數(shù)[1]確定選型。針對不同的地質(zhì)條件，錨產(chǎn)生的抓力也大有不同[2]。因此對于重點(diǎn)工程項(xiàng)目，需要根據(jù)工程的自然條件和地質(zhì)條件，通過錨現(xiàn)場試驗(yàn)得出錨的關(guān)鍵參數(shù)和操作性能，為錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供較為詳實(shí)的技術(shù)參數(shù)。由于錨的現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，現(xiàn)在錨的研究多采用理論分析和數(shù)值模擬分析[2]。對于世界矚目的重點(diǎn)工程港珠澳大橋沉管隧道工程，因其處于外海且工況條件惡劣，沒有可以借鑒的技術(shù)資料，理論分析和數(shù)值模擬分析已經(jīng)無法滿足要求[3]，必須采用錨的現(xiàn)場試驗(yàn)來確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和操作性能。本文結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道工程現(xiàn)場的自然條件和地質(zhì)條件，開展了錨的選型和錨的現(xiàn)場試驗(yàn)，為錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

1 工程概況

港珠澳大橋是我國重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，東連香港、西接珠海、澳門，是集橋、島、隧為一體的超大型跨海通道。島隧工程是大橋工程的施工控制性工程，由沉管隧道、東西人工島三大部分組成，其中沉管隧道是目前世界上綜合難度最大的沉管隧道之一。沉管隧道總長度為5 664 m，預(yù)制安裝管節(jié)33節(jié)，東西兩端與人工島暗埋段相接，沉管隧道為東西走向，穿越伶仃西航道和規(guī)劃30萬t油輪航道，最大水下深度46 m。

隧址處表層最大流速達(dá)到1.93 m/s，垂線平均流速達(dá)到1.51 m/s。管節(jié)定位安裝作業(yè)窗口為流速≤1.3 m/s、波高≤0.8 m、波周期6 s，管節(jié)所受波流力約為3 000 kN[4]。

沉管在隧址處系泊等待及沉放安裝時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場的自然條件和施工操控性分析，采用8+4的模式設(shè)計(jì)錨泊系統(tǒng)較為可靠，即沉放駁8纜+沉管4纜的錨泊體系。根據(jù)受力模型分析計(jì)算，該錨泊體系下需要的單個(gè)錨提供抓力最大為1 000 kN，取1.5安全系數(shù)[5]，錨泊系統(tǒng)需配置抓力最大為1 500 kN。

在大的抓力限制條件下具有較好的施工操控性，常規(guī)的錨無法實(shí)現(xiàn)，需要研究選取較大抓重比系數(shù)和較小起錨力的錨型，以利于提高施工的操控性和可靠度。

表1 常用大抓力錨列表Table 1Commonly used large grasping anchor list

2 錨泊系統(tǒng)大抓力錨選型分析

2.1 項(xiàng)目區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況

沉管施工區(qū)域內(nèi)主要地質(zhì)自上而下分別為①1淤泥、①2淤泥、①3淤泥質(zhì)土、①2淤泥混砂、②1黏土、②2粉細(xì)砂、②3粉細(xì)砂、②4中砂、③1淤泥質(zhì)土、③1-1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土夾砂、③2-1粉細(xì)砂、③2-2粉細(xì)砂、③2-3中砂、③3粉質(zhì)黏土、④1粉細(xì)砂、④2粉細(xì)砂。

2.2 用錨選型

2.2.1 調(diào)研分析

港珠澳大橋沉管隧道區(qū)域淤泥及淤泥質(zhì)黏土層厚度較大，通過對國內(nèi)外沉管隧道工程施工用錨調(diào)研分析，錨的抓力受地質(zhì)條件影響較大且沒有既定的規(guī)律，也沒有成熟的計(jì)算解析方法，針對本項(xiàng)目地質(zhì)結(jié)構(gòu)、自然條件和操作工藝分析，初步選取了在實(shí)踐工程中，4種應(yīng)用效果較好的大抓力錨型進(jìn)行分析研究，見表1。

適用于淤泥質(zhì)及砂質(zhì)，多用于工程船系泊如起重船、鋪管船和石油平臺(tái)等。制造和結(jié)構(gòu)簡單，抓重比系數(shù)超大，起錨需專用裝備。

2.2.2 試驗(yàn)用錨選型

1）本項(xiàng)目施工區(qū)域淤泥和黏土層較厚，表1中的錨型對區(qū)域地質(zhì)都有較好的適用性。但VLA錨對受力的方向性要求較高，沉管和沉放駁在現(xiàn)場系泊和沉放安裝時(shí)，無法避免錨纜的方向發(fā)生變化，而VLA錨在錨纜方向變化時(shí)錨抓力將發(fā)生大的變化，在本項(xiàng)目工藝中可靠性較差，因此該錨不作為工程用錨。

對于HYD-14型錨、AC-14型錨和HY-17型錨，通過工程應(yīng)用分析，對本項(xiàng)目的類似地質(zhì)情況都有較好的適應(yīng)性和可靠度，但是錨的抓力隨地質(zhì)的變化影響較大，港珠澳項(xiàng)目沉管的重量大、施工自然條件差，需要具有精確的技術(shù)數(shù)據(jù)和可靠的操控性，因此，對于已經(jīng)以往工程應(yīng)用時(shí)得出的抓重比系數(shù)和操控性，無法在本項(xiàng)目中進(jìn)行定量的分析和直接應(yīng)用，必須通過在本項(xiàng)目施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)體錨試驗(yàn)，得出精確的技術(shù)數(shù)據(jù)和施工操控情況，選取最適合本項(xiàng)目的錨型，用于大型沉管安裝的錨泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保工程的施工安全性和精準(zhǔn)控制。

結(jié)合本項(xiàng)目需要的錨抓力和現(xiàn)有的工程用錨情況，選取了質(zhì)量為3.94 t的AC-14、質(zhì)量4 t的HYD-14和質(zhì)量3 t的HY-17在沉管隧址處進(jìn)行試驗(yàn)。

3 錨抓力試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)域選取以具有代表性的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水深分布的E3、E4、E5管節(jié)附近進(jìn)行試驗(yàn)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)自上而下為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土及粉質(zhì)黏土、粉細(xì)沙等，表層淤泥厚度9.8～22.53 m，水深在8～11 m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 項(xiàng)目典型區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Typical regional geological structure of the project

3.2 試驗(yàn)材料和關(guān)鍵工序控制

1）動(dòng)力裝備及錨纜

試驗(yàn)起錨設(shè)備采用滿洋16號(hào)起錨艇，拉力拖曳設(shè)備為交工55號(hào)，滿足試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求。

錨纜采用直徑52 mm、長度300 m鋼纜。在錨纜端部安裝拉力傳感器用于錨抓力的數(shù)據(jù)采集。

下錨位置和錨拖曳入土距離等參數(shù)通過GPS配合角度測量數(shù)據(jù)得出，設(shè)備配置見表2。

表2 設(shè)備配備及性能表Table 2Equipment and performance table

2）數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)操作方法

①數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)需采集工程區(qū)域的波高、流速等自然條件和錨抓力、起錨力等參數(shù)。

②關(guān)鍵參數(shù)的確定

抓重比系數(shù)的確定：依據(jù)錨抓力隨時(shí)間的變化曲線，直至錨抓力隨時(shí)間曲線出現(xiàn)收斂時(shí)即判定為該型錨的最大錨抓力，最大錨抓力與錨重的比值即為該區(qū)域地質(zhì)的抓重比系數(shù)。

起錨力的確定：在錨抓力隨時(shí)間曲線收斂后，通過起錨艇拉起預(yù)留在錨尾端的與測力計(jì)連接的起錨纜，測力計(jì)另一端與起錨艇拉力繩索連接，啟動(dòng)提升設(shè)備進(jìn)行起錨作業(yè)，記錄起錨過程中拉力隨時(shí)間的曲線，當(dāng)拉力達(dá)到峰值時(shí)突然下降，此時(shí)錨破土快速上升時(shí)得到的拉力峰值，即為起錨力。

③操作方法

試驗(yàn)操作時(shí)錨纜長度為300 m，拖船交工55號(hào)提前在預(yù)定位置待機(jī)，錨艇在預(yù)定區(qū)域拋錨完成后，將錨纜端部與測力計(jì)連接，數(shù)據(jù)采集儀器安放在拖船主控室內(nèi)，啟動(dòng)拖船進(jìn)行錨抓力及拖曳試驗(yàn)。

拖船以1 kn航速勻速航行，使錨纜逐步帶緊。為檢測錨受力方向?qū)ψチΦ挠绊懨舾卸?，結(jié)合工程中可能出現(xiàn)的纜繩變化最大角度60°，在第一次正拉試驗(yàn)完成后，進(jìn)行斜向60°拉力試驗(yàn)。錨抓力試驗(yàn)操作示意見圖2。

圖2 錨抓力試驗(yàn)操作示意圖Fig.2The operation diagram of anchor grip force test

3.3 錨抓力與起錨力試驗(yàn)

3.3.1 錨抓力試驗(yàn)結(jié)果

1）HYD-14錨

根據(jù)工程特點(diǎn)錨抓力試驗(yàn)方案，交工55號(hào)拖輪沿試驗(yàn)區(qū)域的隧道軸線和斜向60°分別進(jìn)行2組試驗(yàn)，HYD-14型錨在E3、E4、E5管節(jié)附近共進(jìn)行了5次錨抓力試驗(yàn)，試驗(yàn)期間裝備運(yùn)行正常，試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)采集達(dá)到了預(yù)期效果，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 HYD-14型錨試驗(yàn)結(jié)果Table 3HYD-14 anchor test results

2）AC-14型錨

AC-14型錨的試驗(yàn)，按照HYD-14錨試驗(yàn)的過程進(jìn)行優(yōu)化操作程序后，以相同的方式在E3、E4、E5管節(jié)附近共進(jìn)行了5次錨抓力，試驗(yàn)儀器和裝備運(yùn)行正常，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 AC-14型錨試驗(yàn)結(jié)果Table 4AC-14 anchor test results

3）HY-17型錨

根據(jù)前兩次試驗(yàn)過程得出，上述試驗(yàn)區(qū)域中，E3、E5管節(jié)的試驗(yàn)區(qū)域更具有代表性，因此決定將HY-17型錨試驗(yàn)確定在E3和E5管節(jié)附近，進(jìn)行了3次錨抓力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 HY-17型錨試驗(yàn)結(jié)果Table 5HY-17 anchor test results

3.3.2 起錨力試驗(yàn)結(jié)果

通過表4中AC-14型錨抓力試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出，該型錨的抓重比系數(shù)介于2.3～3.8，遠(yuǎn)小于預(yù)期值。本項(xiàng)目沉管系泊和沉放安裝期間的穩(wěn)定錨抓力約為1 500 kN（含安全系數(shù)1.5），如要保證沉管施工期間的安全施工，該型錨需要配置的錨最大質(zhì)量約為65 t，錨的尺度也將非常大，隨著錨的質(zhì)量和尺度的增加必將降低錨的操控性，因此該型錨將不再作為工程用錨的選型。起錨力試驗(yàn)只針對HY-17和HYD-14型錨進(jìn)行了試驗(yàn)。

1）HY-17型錨

HY-17錨雖然抓重比最大，其經(jīng)濟(jì)性具有較大優(yōu)勢，文獻(xiàn)[7]對該型錨起錨力研究也較多，因此對該型錨進(jìn)行了1次起錨力試驗(yàn)，起錨操作采用了尾端拖帶的方式，重30 kN的HY-17起錨力為345 kN，最小錨抓力近640 kN，起錨力與錨抓力的比值為53.9%，結(jié)合試驗(yàn)的情況，起錨力配置留有一定的富余量按照錨抓力75%計(jì)算較為可靠。

2）HYD-14型錨

HYD-14型錨起錨力試驗(yàn)同HY-17錨的操作方式，在E3、E4、E5進(jìn)行了3次起錨試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 HYD-14型錨起錨試驗(yàn)結(jié)果Table 6Weigh anchor test results of HYD-14 anchor

4 工程用錨分析

4.1 沉管系泊沉放工程用錨分析

根據(jù)本項(xiàng)目沉管系泊和沉放物理模型試驗(yàn)結(jié)果分析，沉放駁系泊錨最大錨抓力控制值為1 500 kN，沉管安裝錨最大錨抓力控制值為75 kN，通過對HYD-14型錨、AC-14型錨和HY-17型錨的試驗(yàn)結(jié)果分析，AC-14型錨抓重比遠(yuǎn)小于預(yù)期值，不作為本項(xiàng)目的用錨，針對HYD-14和HY-17型錨選型如下：

HYD-14型錨最小抓重比系數(shù)為9.25，按照9倍抓重比配置錨重，系泊錨重18 t，安裝錨重9 t。

HY-17型錨最小抓重比系數(shù)為21.33，按照20倍抓重比配置錨重，系泊錨重8 t，安裝錨重5 t。

通過本項(xiàng)目大型沉管的安裝工藝、拋起錨操控性和施工成本等方面綜合分析，選用HY-17型大抓力錨不僅可以保證沉管順利安裝，而且可有效提高施工工效，降低綜合費(fèi)用，經(jīng)過最終分析選取HY-17型錨作為沉管安裝用錨和沉放駁系泊用錨。結(jié)合錨的試驗(yàn)過程中的操控性和選型，設(shè)計(jì)了沉管施工錨系布置，見圖3。

4.2 錨泊系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

港珠澳大橋沉管隧道工程管節(jié)安裝中采用的HY-17型錨和設(shè)計(jì)的錨系，已順利完成了所有的管節(jié)（33節(jié)）的沉放安裝，施工中錨系運(yùn)行穩(wěn)定，拋錨方式采用了預(yù)拉的方式，不占用沉管系泊帶纜時(shí)間，單口錨起錨平均耗時(shí)30 min，通過施工中采集的起錨力、錨抓力均與試驗(yàn)和分析結(jié)果相符合，達(dá)到了預(yù)期的效果，保障了沉管施工的順利實(shí)施。

圖3 沉管安裝錨系示意圖Fig.3Anchor system schematic diagram of immersed tube installation

5 結(jié)語

1）通過綜合分析，選取了適用于港珠澳工程沉管隧道安裝的試驗(yàn)用錨，通過試驗(yàn)結(jié)果得出，本項(xiàng)目地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，AC-14型錨抓重比系數(shù)為2.3～3.8，達(dá)不到預(yù)期抓力值。HY-17型錨的最小抓重比為21.33～23.33，HYD-14型錨的抓重比系數(shù)為9.25～10。

2）結(jié)合沉管施工工藝的特點(diǎn)和自然條件，采用了理論分析和試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方法，為港珠澳大橋沉管隧道項(xiàng)目優(yōu)選了HY-17型錨作為沉管安裝的工程用錨。

3）設(shè)計(jì)了港珠澳大橋沉管系泊和安裝錨系，并安裝錨為5 t重HY-17，系泊錨為8 t重HY-17。

4）通過綜合分析設(shè)計(jì)了錨抓力試驗(yàn)的方法，并給出了試驗(yàn)關(guān)鍵工序和取值指標(biāo)，為類似的重點(diǎn)工程錨現(xiàn)場試驗(yàn)提供了技術(shù)參考。

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Experimental study on mooring anchor selection and anchor system design of large immersed tube installation

SU Chang-xi,FENG Hai-bao*
（No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Combined with the immersed tunnel engineering of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,through the investigation and analysis of various types of engineering anchors,we obtained the key technical parameters such as the anchor grip force and weigh anchor force by field test,and designed a mooring system of large immersed pipe under offshore conditions,which provides feasible construction method for the drop and weigh anchor operation during tunnel mooring.It can provide reference for similar construction.

immersed tunnel;mooring system;ratio of grip force to weight;weigh anchor force

U455.46

A

2095-7874（2017）05-0082-05

10.7640/zggwjs201705018

2017-03-10

蘇長璽（1965—），男，高級(jí)工程師，從事港口航道、沉管隧道工程施工。

*通訊作者：馮海暴，E-mail：351515258@qq.com