港珠澳大橋沉管快速錨泊定位系統(tǒng)開發(fā)

朱嶺，竇從越，寧進進

1　工程概況

港珠澳大橋沉管隧道全長5 664 m，由33根管節(jié)構(gòu)成，標準管節(jié)長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，重約8萬t，是我國建設(shè)的第一條外海沉管隧道，也是世界最長的公路沉管隧道和唯一深埋沉管隧道。隧址處表層最大流速達到1.93 m/s，垂線平均流速達到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T=6 s，管節(jié)所受波流力約為3 000 kN[1]。

港珠澳大橋沉管錨泊定位是通過系泊錨系的錨抓力來抵擋水流、波浪等對船管產(chǎn)生的沖擊力，將沉放駁與沉管穩(wěn)固在安裝位置，保障沉放駁和管節(jié)的安全。然而對于如此大規(guī)模的沉管隧道，常規(guī)的錨泊系統(tǒng)無法實現(xiàn)大抓力下同時具有較好的施工操控性，因此需要研究具有較大抓重比系數(shù)和較小起錨力的錨型[2]，以利于提高施工的操控性和可靠度，并根據(jù)錨型制定快速錨泊定位方案。

2　系泊大抓力錨選擇

2.1　常規(guī)大抓力介紹

目前使用的錨[3]已有幾十種之多，國內(nèi)大抓力錨的型號主要有燕尾錨、鋼板波爾錨、丹富爾錨和AC-14大抓力錨。無論何種形式的錨，抓力越大、抓土效率越高（錨從入水到抓土達到穩(wěn)定的時間越短，稱其抓土效率越高）、穩(wěn)定性和安全可靠性越高，錨的性能越好。國內(nèi)常用錨見圖1。

圖1　國內(nèi)常用大抓力錨Fig.1　Common high holding power anchor in China

2.2　系泊錨型確定

首先采用理論分析和數(shù)值模擬分析工程系泊用錨[4]，初步確定適用的錨型有3種，根據(jù)分析結(jié)果進一步對HY-17型、HYD-14型、 AC-14型錨開展多組錨抓力試驗，檢驗3種大抓力錨對工程地質(zhì)條件的適應性，確定最適合的系泊用錨。

2.2.1HYD-14錨

HYD-14型錨在E3、E4、E5管節(jié)附近共進行了5次錨抓力試驗，試驗結(jié)果見表1[5]。

表1　HYD-14型錨試驗結(jié)果Table 1　HYD-14 anchor test results

2.2.2AC-14型錨

AC-14型錨在E3、E4、E5管節(jié)附近共進行了5次錨抓力試驗，試驗結(jié)果見表2[5]。

表2　AC-14型錨試驗結(jié)果Table 2　AC-14 anchor test results

2.2.3HY-17型錨

HY-17型錨在E3和E5管節(jié)附近共進行了3次錨抓力試驗，試驗結(jié)果見表3[5]。

表3　HY-17型錨試驗結(jié)果Table3　HY-17 anchor test results

2.2.4錨型確定

港珠澳大橋沉管安裝團隊充分分析試驗數(shù)據(jù)，初步確定3種錨型的優(yōu)缺點見表4。

表4　3種錨型優(yōu)缺點對比表Table4　Comparison table of advantagesand disadvantages of three anchor types

試驗結(jié)果分析確定HY-17型錨在施工工藝上可行，在經(jīng)濟等方面具有一定的優(yōu)勢。通過開展HY-17型錨抓力試驗，對該錨從組裝、拋錨、預拉、通纜連接、起錨、移錨等方面有了更深層次的了解。因此，選用HY-17型錨作為港珠澳大橋沉管錨泊定位專用錨型。

3　沉管錨泊定位系統(tǒng)研究

3.1　沉管錨位研究及優(yōu)化

根據(jù)對國內(nèi)外沉管隧道施工工藝和安裝定位錨系布置的分析、研究，結(jié)合錨抓力試驗過程中HY-17型錨的操控性和特性，設(shè)計了沉管施工錨系布置方式。

沉管錨泊定位系統(tǒng)中M1～M8為沉管系泊錨系，H1～H4為沉管安裝錨系，其中安裝纜（H纜）還起到在沉放過程中控制沉管南北方向調(diào)節(jié)的作用。根據(jù)施工現(xiàn)場水流力、風荷載力等計算出錨系與沉管軸線角度控制為45°～60°。

港珠澳大橋沉管隧道標準管節(jié)長180 m，管節(jié)在沉放對接過程中首端可通過導向系統(tǒng)進行限位調(diào)控，尾端由于沒有限位裝置，南北方向精度調(diào)節(jié)只能靠H3、H4纜繩控制，然而在E5管節(jié)沉放對接施工中發(fā)現(xiàn)角度為45°的H3、H4纜繩南北調(diào)控能力差，不能滿足安裝精度要求。為增加管節(jié)尾端南北方向的控制能力，將H3、H4的角度增大到70°，優(yōu)化后的現(xiàn)場錨泊布置詳見圖2。

圖2　優(yōu)化后的錨位布置圖Fig.2　Layout of optimized anchorage berth

3.2　沉管現(xiàn)場系泊流程

考慮到HY-17錨的特性，并盡量縮短關(guān)鍵線路作業(yè)時間，管節(jié)系泊錨系的作業(yè)過程分為提前拋錨、現(xiàn)場帶纜、錨系解除和移錨。

3.2.1拋錨

1）測量人員利用GPS接收機精確定位安裝、系泊錨點位置。

2）起錨艇到達預設(shè)位置后進行拋錨作業(yè)。

3）拋錨作業(yè)完成后使用2 942 kW（4 000 hp）拖輪和1 765 kW（2 400 hp）起錨艇進行系泊前預拉，給予安裝錨、系泊錨一定的預拉力，防止管節(jié)在安裝過程中由于錨拖曳距離過大，導致管節(jié)姿態(tài)調(diào)整不利，影響管節(jié)最終安裝質(zhì)量。

安裝錨預拉力50 t，系泊錨預拉力100 t。

拋錨作業(yè)前首先進行大抓力錨及錨纜系統(tǒng)組裝工作，包括大抓力錨、錨鏈及附件、工作纜、起錨纜、引繩等連接，管節(jié)浮運至系泊區(qū)前完成拋錨作業(yè)。

3.2.2帶纜

管節(jié)浮運至系泊區(qū)后進行帶纜作業(yè)。帶纜作業(yè)包括安裝錨、系泊錨錨位處取纜，沉放駁、管節(jié)取纜處取纜，起錨艇送纜、連接等內(nèi)容。標準管節(jié)系泊流程為：M2、M8→M1、M7→M3、M5→M4、M6→H1、H3→H2、H4。

3.2.3解纜

為了便于安裝纜、系泊纜解除，系泊通纜時將工作浮鼓預留在安裝錨、系泊錨工作纜上。管節(jié)安裝完成后，依次解除安裝纜、系泊纜。

3.2.4移錨

管節(jié)安裝完成后，將安裝纜、系泊纜與工作纜解除，將沉放駁撤離安裝施工現(xiàn)場。沉放駁撤離后進行下一管節(jié)錨系布置，為減少管節(jié)移錨的數(shù)量，下一個管節(jié)錨系布置時應考慮錨位共用。

1）起錨、移錨順序

標準段管節(jié)正常情況下起錨、移錨6口，其中包括2口系泊錨、4口安裝錨。上一節(jié)管節(jié)系泊錨北側(cè)為 Xn-1～Xn-4，南側(cè)為 XS-1～XS-4；安裝錨北側(cè)為An-1和An-3，南側(cè)為AS-1和AS-3。下一節(jié)管節(jié)系泊錨布錨則將北側(cè)Xn-1移至Xn-5，南側(cè)XS-1移至XS-5，其它錨位置不變；安裝錨布錨則將北側(cè)An-1移至An-2、An-3移至An-4，南側(cè)AS-1移至AS-2、AS-3移至AS-4。起錨、移錨順序見圖3。

圖3　起錨、移錨順序圖Fig.3　Anchor,anchor shift sequencediagram

2）起錨方式

安裝完成一節(jié)沉管后，需要將4口安裝錨和2口系泊錨布設(shè)至下一管節(jié)，根據(jù)《港珠澳大橋島隧工程沉管安裝纜力分析研究中間成果》報告分析，安裝纜力按50 t考慮，安全系數(shù)取1.5倍[6]，則安裝錨極限錨抓力不小于75 t，起錨力按錨抓力75%考慮，則安裝錨極限起錨力不小于56.25 t，采用起錨艇起錨即可。系泊纜力按照100 t考慮，安全系數(shù)取1.5倍[6]，則系泊錨極限錨抓力不小于150 t，起錨力按錨抓力75%考慮，則系泊錨極限起錨力不小于112.5 t，采用起錨艇及拖輪協(xié)助方式起錨，起錨方式見圖4。

圖4　系泊錨起錨方式示意圖Fig.4　Schematic diagram of anchor way of mooring anchor

3）移錨方式

起錨作業(yè)完成后，進行移錨作業(yè)，為下一管節(jié)安裝做準備。

2艘起錨艇協(xié)同作業(yè)進行移錨，一艘起錨艇將錨提起，完成起錨作業(yè)，另一艘起錨艇駛至工作浮鼓處，將工作纜與錨絞車纜繩連接，2艘起錨通過纜繩連接在一起進行移錨。安裝錨、系泊錨移錨方式見圖5。

圖5　移錨方式示意圖Fig.5　Schematic diagram of anchor shift

4　錨泊定位系統(tǒng)施工工效

港珠澳大橋沉管錨泊定位系統(tǒng)成功完成33節(jié)沉管系泊施工，沉管的安裝錨和系泊錨最大錨拉力在90 t，系泊和對接中未出現(xiàn)一次走錨情況。

一般大抓力錨采用全回轉(zhuǎn)拖輪進行現(xiàn)場拋錨作業(yè)，單根錨的布置和預拉的時間約為2 h，以此類推，沉管安裝采用全回轉(zhuǎn)拖輪進行系泊的總耗時約為8 h（2艘全回轉(zhuǎn)拖輪），很難在窗口期找到滿足8 h的系泊低流速期。采用目前的系泊方式，系泊關(guān)鍵線路耗時為3 h，可以在低流速期完成8根錨纜的系泊作業(yè)，將施工效率提高了一倍，實現(xiàn)了復雜海洋條件下超大沉管快速系泊。

5　結(jié)語

根據(jù)前期錨抓力試驗確定適合沉管系泊施工的錨型，研發(fā)了安全性能高、施工效率高的沉管快速錨泊定位系統(tǒng)，并結(jié)合現(xiàn)場施工效果不斷總結(jié)優(yōu)化。沉管錨泊定位技術(shù)研發(fā)與應用在港珠澳大橋沉管隧道系泊施工中得到了充分驗證，可為后續(xù)同類型沉管施工提供借鑒。

參考文獻：

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