重力錨在“世越號(hào)”打撈中的應(yīng)用

楊 鵬 陳世海 蔣 巖 王偉平

重力錨在“世越號(hào)”打撈中的應(yīng)用

楊 鵬 陳世海 蔣 巖 王偉平

2017年3月22日，沉沒1 077天的“世越號(hào)”在上海打撈局590天的緊張施工下緩緩浮出水面，一時(shí)舉世矚目。以側(cè)臥的姿態(tài)從44米深水中整體打撈重達(dá)萬噸的沉船被稱為世界打撈史上的奇跡。由于“世越號(hào)”打撈現(xiàn)場(chǎng)海底泥質(zhì)堅(jiān)硬，普通的抓力錨很難提供上百噸的錨抓力，因此根據(jù)實(shí)際海底地質(zhì)情況和理論計(jì)算，我們?cè)O(shè)計(jì)了鋼筋混凝土重力錨，在實(shí)際施工過程中該重力錨提供了200噸以上的錨抓力，為“世越號(hào)”打撈的順利推進(jìn)提供了很好的助力。

重力錨；碎石海底；“世越號(hào)”；打撈

一、概述

2014年4月16日，韓國載有476人的“世越號(hào)”客輪在全羅南道珍島郡海域發(fā)生浸水事故后沉沒。該事故造成295人死亡，142人受傷，9人下落不明?！笆涝教?hào)”船長145米，寬22米，沉船重量約8 000噸。

為尋找遇難者遺骸并調(diào)查客輪沉沒原因，2015年4月22日，韓國政府決定打撈“世越號(hào)”。通過激烈的國際競(jìng)標(biāo)，上海打撈局和韓國海洋工程公司在全球25家頂級(jí)打撈公司組成的7個(gè)聯(lián)合體競(jìng)標(biāo)中憑借鋼梁托底這一人性化設(shè)計(jì)方案脫穎而出。根據(jù)設(shè)計(jì)方案穿引首部的18根鋼梁需要通過浮吊船將船首吊起10米左右，為保證船首起吊過程中的穩(wěn)定性，使難船在吊起的過程中不被流吹動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，船首兩側(cè)遠(yuǎn)端各設(shè)置了一個(gè)能夠提供200噸拉力的系固點(diǎn)。在正式施工之前，我們對(duì)安放重力錨區(qū)域的地基進(jìn)行了巖土勘察，根據(jù)巖土勘察結(jié)論，重力錨區(qū)域海底表層1.9~2.3米的厚度為直徑20～50毫米的碎石和沙土；第二層為礫質(zhì)黏性土和沙質(zhì)黏性土，若以此層作為基礎(chǔ)持力層，在這種底質(zhì)的海底，普通的抓力錨很難提供大抓力。為此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在這種沙石地質(zhì)海底提供200噸以上抓力的錨。根據(jù)實(shí)際情況，項(xiàng)目組決定采用設(shè)計(jì)建造重力錨形式的錨定塊來固定船首。在重力錨建造完畢之后、使用之前還須進(jìn)行拉力試驗(yàn)以確保其滿足要求。吊船首重力錨安裝布置圖如圖1所示。

二、受力分析

根據(jù)海底地質(zhì)勘探報(bào)告，我們采用現(xiàn)場(chǎng)施工主作業(yè)船舶“大力號(hào)”的150噸蛤式抓斗在海底抓取深坑。為了盡量獲得大的錨抓力，坑越深越好。抓坑時(shí)，海底表層2米內(nèi)的泥沙可以輕松挖出，2米以下的泥質(zhì)是一種堅(jiān)硬的礫泥層，抓斗的抓齒無法嵌入海底泥層抓出深坑。因此，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，重力錨的有效埋入深度最大取為2米。根據(jù)現(xiàn)行的錨碇設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1]：錨碇在載荷作用下不發(fā)生沉降、滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)反復(fù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，重力錨的最終方案如圖2所示。

重力錨在海底的受力情況如圖3所示。計(jì)算主要考慮重力錨受到的主動(dòng)土壓力Ea、被動(dòng)土壓力Ep、摩擦力f、重力G以及外部拉力T。

根據(jù)庫侖土壓力理論[2]，主動(dòng)土壓力的最大值計(jì)算公式為

圖1 吊船首重力錨安裝布置圖

圖2 重力錨設(shè)計(jì)圖

圖3 重力錨受力分析

其中，Ka為庫侖主動(dòng)土壓力系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

被動(dòng)土壓力的計(jì)算公式為

其中，Kp為庫侖被動(dòng)土壓力系數(shù)，其計(jì)算公式如下：上述兩式中：γ為土的重度，取10.7 kN/m3；H為錨埋入土中的高度，計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)取2 m，計(jì)算被動(dòng)土壓力時(shí)取3 m；ε為錨被動(dòng)面與豎直面的夾角，取30°；ψ為內(nèi)摩擦角，取25°；δ為外摩擦角，取 13°；β為土坡角度，取0°。

錨抓力計(jì)算：錨能提供的錨抓力F為

F=PpH-Pa+f

其中：PpH= Eplcos（ε-δ）；Pa=Eal；f=μ[G+Epl sin（ε-δ）]

計(jì)算出F=1 181 kN，即單個(gè)重力錨能夠提供120 t錨抓力。由于回復(fù)力矩明顯大于翻轉(zhuǎn)力矩，經(jīng)過校核重力錨不會(huì)在拖動(dòng)中翻轉(zhuǎn)。

三、拉力試驗(yàn)

在理論計(jì)算結(jié)束后，為了檢驗(yàn)重力錨的性能，在“世越號(hào)”打撈現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了重力錨拉力試驗(yàn)。重力錨安裝之前需在布放重力錨的區(qū)域除去海底表層2米左右的碎石和沙土，之后將重力錨放入坑中。使用“大力號(hào)”的大抓斗，在海底重力錨布放的區(qū)域內(nèi)抓出2米左右深的一片區(qū)域作為重力錨試驗(yàn)區(qū)。將重力錨與多功能浮吊船“聚力號(hào)”錨絞車連接。重力錨布放到設(shè)計(jì)的坑中以后，“聚力號(hào)”開動(dòng)兩個(gè)主推進(jìn)器加車。圖4為重力錨拖拉試驗(yàn)圖。

圖4 重力錨拖拉試驗(yàn)

兩個(gè)主推進(jìn)器逐漸加車至錨鋼絲拉力70噸，然后增加兩個(gè)伸縮槳推力至60%，使最大拉力增至93噸。整個(gè)過程中，重力錨沒有產(chǎn)生任何位移。之后“聚力號(hào)”繼續(xù)加車至90%，使總拉力增大到150噸，重力錨發(fā)生4～5米滑動(dòng)。繼續(xù)增加拉力至171噸時(shí)，重力錨又發(fā)生5米位移。之后繼續(xù)增大拉力至215噸并保持半小時(shí)，重力錨沒有明顯位移。重力錨在運(yùn)動(dòng)了11米后，在拉力增大到215噸時(shí)穩(wěn)定下來，據(jù)此可以認(rèn)為重力錨在坑內(nèi)初始位置可承受不小于150噸的拉力，穩(wěn)定后可承受不小于215噸的拉力。圖5為通過MS1 000聲吶掃測(cè)的海底重力錨試驗(yàn)前后位置比較情況。

圖5 試驗(yàn)前（左）后（右）水泥塊位置比較

通過試驗(yàn)可知，重力錨在受力150噸時(shí)，錨出現(xiàn)走錨滑動(dòng)，此時(shí)受力大于實(shí)際設(shè)計(jì)的120噸。在走錨11米之后，重力錨能夠提供215噸以上的錨抓力，說明該重力錨在設(shè)計(jì)區(qū)域的錨抓力大于設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)方案是成功的。

為了保持一定的安全系數(shù)，重力錨在實(shí)際使用時(shí)采用如圖6所示的雙錨并聯(lián)的方式，確保在“世越號(hào)”吊船頭過程中重力錨能夠提供200噸以上的錨抓力，從而確保項(xiàng)目的施工安全和順利進(jìn)行。

圖6 重力錨并聯(lián)形式

四、總結(jié)

鋼筋混凝土式的重力錨制作方便，安全可靠，其提供的錨抓力可以隨著挖坑深度的增加而提高，在海洋工程施工中能夠起到很大的作用。本次“世越號(hào)”打撈工程中，重力錨除了在吊船首過程中為穩(wěn)定抬起的船首提供較大抓力外，在最后難船起浮過程中，其作為抬浮駁的錨固點(diǎn)也起到了非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)海洋工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]的建議，對(duì)于這種堅(jiān)硬的凍脹礫泥層，當(dāng)傳統(tǒng)蛤式抓頭無法抓取時(shí)，可對(duì)抓斗進(jìn)行改進(jìn)：一是改進(jìn)抓斗閉合繩對(duì)于抓齒有效重量減少的影響，安裝閉合油缸系統(tǒng)；二是在抓斗上增加重型振動(dòng)器，從而助力抓齒插入泥中。 通過本次打撈工程中的有效應(yīng)用，檢驗(yàn)了埋入式重力錨的有效性和可靠性。

[1]周夢(mèng)波.懸索橋手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]陳國興,樊良本,陳甦.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3]陳剛.海洋工程設(shè)計(jì)手冊(cè):海上施工分冊(cè)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.002

楊鵬（1987—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心，工程師，碩士。

陳世海（1972—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局技術(shù)開發(fā)中心，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士。

蔣巖（1962—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局副局長，“世越號(hào)”打撈工程項(xiàng)目經(jīng)理，碩士，正高。

王偉平（1960—），男，交通運(yùn)輸部上海打撈局工程船隊(duì)書記，“世越號(hào)”打撈工程施工總監(jiān)，高級(jí)工程師，碩士。