不同地質(zhì)條件下大抓力錨錨抓力研究

尚乾坤，付洪超

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

大連灣海底隧道工程是繼港珠澳大橋后又一項沉管隧道工程，也是目前國內(nèi)北方唯一一條沉管隧道，隧道全長3 035 m，由18節(jié)沉管組成，標準管節(jié)長180 m，每節(jié)沉管重約60 000 t。隧道采用管節(jié)干塢預(yù)制、現(xiàn)場對接安裝的施工方法，沉管安裝采用隧道沉管安裝專用船舶“津安3”、“津安2”。由于大連灣海底隧道沉管段地質(zhì)與港珠澳大橋沉管段地質(zhì)不同，根據(jù)兩工程所做錨拉力試驗所得數(shù)據(jù)進行地質(zhì)對錨拉力影響的研究，確定常用大抓力錨所適用地質(zhì)，為后續(xù)工程提供理論支持。

1 工程地質(zhì)

1.1 港珠澳大橋工程

根據(jù)港珠澳地質(zhì)勘察結(jié)果，海床以下地質(zhì)分淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏土及粉質(zhì)黏土、粉細沙等，表層淤泥厚度為9.8～22.53 m。選取具有代表性的地質(zhì)進行研究，如圖1選取E3、E4、E5沉管地質(zhì)。

圖1 港珠澳大橋沉管隧道E3、E4、E5管節(jié)地質(zhì)Fig.1 Geology of E3,E4 and E5 pipe joints of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel

1.2 大連灣海底隧道工程

根據(jù)大連灣海底隧道工程錨抓力試驗，選取具有代表性的E2和E10管節(jié)試驗資料進行研究，其中E2管節(jié)泥層厚1.4～4.2 m，主要以淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，E10管節(jié)泥層厚16～22.5 m，主要以淤泥、淤泥粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，中間夾雜部分砂層。

E2和E10泥層分布見圖2。

圖2 大連灣海底隧道E2、E10海域地質(zhì)Fig.2 Geology of E2 and E10 sea area of Dalian Bay subsea tunnel

2 錨型選取

2.1 常用大抓力錨

根據(jù)工程特點及過往工程經(jīng)驗，常用的大抓力錨型如表1所示。

2.2 錨型選用

根據(jù)常用的大抓力錨性能特點等資料，選取HY-17、AC-14兩種大抓力錨進行試驗研究，所選錨具重量如表2。

表1 常用大抓力錨Table 1 The common high holding power anchor

3 試驗方法及步驟

試驗主要利用起錨艇在預(yù)先選定試驗海域拋設(shè)大抓力錨，拖輪拖帶鋼絲纜進行錨拉力試驗。根據(jù)試驗方案購置所需鋼絲纜、拖纜、試驗錨及拉力計等試驗物品，試驗前對試驗錨稱重及外觀檢查，同時對下錨位置交底，下錨時根據(jù)GPS顯示控制錨位及方向。

根據(jù)錨拉力試驗方案及實際試驗操作，試驗過程分為錨纜連接、定點下錨、裝置連接及錨位預(yù)拉、錨拉力試驗、記錄并整理試驗數(shù)據(jù)五部分，具體操作步驟如下：

1）將試驗錨與錨鏈、鋼絲繩、浮漂等進行連接，所連纜繩分為工作纜和起錨纜兩部分。由起錨艇、起重設(shè)備相互配合將試驗錨與錨鏈、鋼絲繩、拖纜、浮漂等進行連接，其中工作纜部分保留接頭與拖輪相連。

2）由起錨艇在預(yù)先選定位置下錨。通過船載GPS將錨鋪設(shè)在指定位置，由測量人員全程監(jiān)控，以保證錨位及方向的準確性。

3）連接拉力計并預(yù)拉錨位。根據(jù)錨纜長度，拖船提前在預(yù)定位置等待，起錨艇下完錨待錨沉入海底后，自航至拖船，航行時及時松放錨纜并將錨纜送給拖船。試驗裝置安放在拖船上，拉力傳感器一端與錨纜連接，另一端與拖船拖纜連接（圖3），試驗裝置應(yīng)該在無荷載的情況下，調(diào)整儀器歸零位。歸零后緩緩拉緊錨纜預(yù)拉錨位，待拉力計示數(shù)穩(wěn)定后預(yù)拉完畢。

圖3 錨抓力試驗圖片F(xiàn)ig.3 Photo of anchor holding power test

4）逐步增大拖力檢驗錨拉力。按事先設(shè)定拖力等級逐級增大拖力并記錄每檔拖力數(shù)值及錨穩(wěn)定性，記錄試驗過程中最大數(shù)值即為大抓力錨的抓力。

5）試驗數(shù)據(jù)匯總。將記錄的試驗數(shù)據(jù)分類匯總，對異常數(shù)據(jù)進行分析，剔除無用數(shù)據(jù)，以便用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

4 試驗結(jié)果及分析總結(jié)

匯總兩個工程錨拉力試驗數(shù)據(jù)見表3。

由圖1、圖2、表3對比分析，得出大抓力錨在不同地質(zhì)條件下錨抓力具有以下規(guī)律。

1）港珠澳大橋及大連灣海底隧道工程區(qū)域內(nèi)，海底均有淤泥層分布且全斷面淤泥層分布薄厚不均、相差較大，其中港珠澳大橋工程海域泥層厚度為9.8～22.53 m，大連灣海底隧道工程泥層厚度為1.4～22.5 m。兩地泥層最大深度基本相同，但淤泥層成分有所區(qū)別，港珠澳大橋工程海域淤泥層及黏土層厚度基本相等，而大連灣海底隧道工程泥層主要是以黏土層為主，對錨的黏力較小，同時個別區(qū)域泥層較薄，錨抓力也隨之降低。

2）AC-14大抓力錨錨抓力分析：泥層厚度在10 m以上時，實際錨抓力大致為錨重的2～3倍，泥層厚度較薄時，大抓力錨特性表現(xiàn)不明顯。序號1～5數(shù)據(jù)對應(yīng)港珠澳大橋工程地質(zhì)，當淤泥層厚度較厚時，錨抓力處于較穩(wěn)定狀態(tài)，即錨抓力等于錨重的2～3倍；序號6～11數(shù)據(jù)對應(yīng)大連灣海底隧道工程，此處淤泥層厚度較薄，主要以黏土層為主，其黏性較差，錨抓力變化較大[7]。

3）HY-17大抓力錨錨抓力分析：HY-17大抓力錨對淤泥層薄厚不同的地質(zhì)錨抓力基本相同，但因其方向性要求較高，易翻錨。

4）薄泥層錨抓力分析：同一泥層地質(zhì)及同等錨重條件下，AC-14大抓力錨的錨抓力明顯小于HY-17大抓力錨。同一種錨泥層越厚，錨抓力越大。HY-17錨試驗地質(zhì)淤泥層較薄，黏土層較厚，整體泥層黏力較小，但仍可提供較大錨抓力，HY-17錨適用于薄泥層、低黏力地質(zhì)。

5）厚泥層錨抓力分析：在黏土層占主要部分的厚泥層中，AC-14大抓力錨錨抓力顯著提升，錨齒可以更輕易地刺入泥層中提供較大錨抓力[8]。HY-17大抓力錨錨抓力并未隨泥層厚度增加而增加，參考薄泥層錨抓力數(shù)據(jù)，對于泥底地質(zhì)，HY-17錨不需要太厚泥層即可達到不錯的錨抓力。HY-17大抓力錨使用時要嚴格控制方向，防止出現(xiàn)翻錨現(xiàn)象影響錨抓力。

綜上研究數(shù)據(jù)，本次所選研究錨型中AC-14大抓力錨適用于泥層較厚且以黏土為主的淤泥地質(zhì)，HY-17大抓力錨針對淤泥地質(zhì)均可提供較大錨抓力，但需要大型專用船舶配合。

5 結(jié)語

對大抓力錨錨抓力產(chǎn)生影響的因素有很多，除了地質(zhì)以外，錨重、錨的構(gòu)造、下錨方式以及錨鏈長度等都對錨抓力產(chǎn)生一定影響。通過本次試驗研究明確了地質(zhì)對大抓力錨錨抓力的影響，取得的研究成果對今后船舶設(shè)備施工具有重要的指導意義。