自航式沉管運(yùn)輸安裝一體船及成套施工技術(shù)研究與應(yīng)用

王建，王雪剛

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中跨海通道是世界首例雙向八車道鋼殼混凝土沉管隧道，全長(zhǎng)5 035 m，由32 節(jié)預(yù)制沉管組成，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為165 m×46 m×10.6 m，重約7.7 萬t，沉管浮運(yùn)吃水10.4 m，最大沉放水深40 m[1-3]。

沉管預(yù)制續(xù)用港珠澳大橋沉管預(yù)制廠，位于珠海桂山島，管節(jié)浮運(yùn)距離約48 km，如沿用港珠澳大橋沉管浮運(yùn)方式，因浮運(yùn)航速低，占用社會(huì)航道時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)珠江口航運(yùn)影響大，海事安全管控難度大。此外，臨時(shí)航道疏浚挖泥量大，拋泥距離遠(yuǎn)，工程費(fèi)用極大增加，海洋生態(tài)環(huán)境易遭破壞。

為解決上述難題，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)建造一種沉管浮運(yùn)安裝船——自航式沉管運(yùn)輸安裝一體船并研發(fā)了成套施工技術(shù)，利用數(shù)字化和信息化手段，集成開發(fā)北斗浮運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)、高精度安裝測(cè)量控制系統(tǒng)、精確移位錨泊定位系統(tǒng)、管內(nèi)無人遙控壓載水系統(tǒng)、水下自動(dòng)搭接拉合系統(tǒng)、數(shù)控精細(xì)化水力壓接系統(tǒng)、輕量化管內(nèi)精確調(diào)位系統(tǒng)、小區(qū)域作業(yè)窗口精確預(yù)報(bào)保障系統(tǒng)、沉管結(jié)構(gòu)和姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了沉管快速浮運(yùn)及沉管毫米級(jí)精準(zhǔn)安裝。

1 自航式沉管運(yùn)輸安裝一體船

1.1 船體概況

自航式沉管浮運(yùn)安裝一體船“一航津安1”為世界首創(chuàng)，自帶動(dòng)力、自動(dòng)北斗定位、自動(dòng)DP循跡航行、可原地360°旋轉(zhuǎn)掉頭，集成沉管出塢、自航浮運(yùn)、系泊定位和沉放對(duì)接功能，可實(shí)現(xiàn)沉管毫米級(jí)安裝，解決超大沉管超長(zhǎng)距離浮運(yùn)安裝的世界性難題，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益巨大。一體船主船體采用雙體船型設(shè)計(jì)，主要性能參數(shù)見表1。

表1 一體船主要參數(shù)Table1 Main parameters of integrated vessel

該船拖帶8 萬噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)沉管浮運(yùn)下深水靜水航速可達(dá)5 kn，并具備DPS-1 動(dòng)力定位功能，能夠在拖帶沉管工況下抵抗1.65 kn 橫流，動(dòng)力定位系統(tǒng)具備航跡追蹤及偏移糾偏功能，航跡可保持在85 m 以內(nèi)[4-5]。

1.2 船體總體布置

一體船兩側(cè)船體通過4 個(gè)箱型跨梁連接而成，主甲板上設(shè)有2 套航行錨設(shè)備、8 套牽引絞車系統(tǒng)、6 套沉管定位系統(tǒng)、6 套沉管提升系統(tǒng)和8 套移船系統(tǒng)。主船體上設(shè)有2 套主推進(jìn)系統(tǒng)和1 套DPS-1 動(dòng)力定位系統(tǒng)以及壓載水系統(tǒng)、液位遙測(cè)系統(tǒng)和駕控室的施工管理系統(tǒng)等[6]，一體船沉放施工效果圖見圖1。

圖1 一體船沉放施工圖Fig.1 Construction drawing for sinking of integrated vessel

1.2.1 牽引絞車系統(tǒng)

8 套392 kN 牽引絞車按需配置導(dǎo)索器和導(dǎo)向滑輪，主要用于系泊、沉管出塢時(shí)牽引沉管和其它輔助作業(yè)。

1.2.2 沉管定位系統(tǒng)

6 套沉管定位系統(tǒng)，每套包括800 kN 沉管定位絞車、導(dǎo)索器和導(dǎo)向滑輪，主要用于沉管的水平移位和安裝下放過程中調(diào)整定位。

1.2.3 提升系統(tǒng)

6 套提升系統(tǒng)，每套配有392 kN 沉管提升絞車、導(dǎo)向滑輪和提升滑輪組。提升絞車鋼絲繩通過移動(dòng)式滑輪組與沉管相連，在跨梁上開多組月池，每組月池對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度不同的沉管，以滿足各種規(guī)格沉管的提升和下放。

1.2.4 移船系統(tǒng)

8 套移船系統(tǒng)，每套包括1 176 kN 移船絞車、導(dǎo)索器和導(dǎo)向滑輪，滿足出塢、移位、沉管安裝的要求。

1.2.5 主推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)系統(tǒng)為雙機(jī)雙槳，采用2 臺(tái)9 280 kW推進(jìn)柴油機(jī)通過減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳的方式直推進(jìn)。

1.2.6 DPS-1 動(dòng)力定位系統(tǒng)

本船創(chuàng)新采用DP 系統(tǒng)用于船舶循跡航行控制，由1 套DPS-1 自動(dòng)定位控制系統(tǒng)和1 套帶自動(dòng)艏向控制的手動(dòng)定位控制系統(tǒng)組成，能夠在指定的環(huán)境條件下自動(dòng)保持位置及艏向。DPS-1 動(dòng)力定位系統(tǒng)主要功能是改變側(cè)向推力的大小和方向，使船舶航跡保持在85 m 以內(nèi)，同時(shí)具備航跡追蹤及航跡糾偏功能，偏移量控制在1.8 m 范圍內(nèi)。

1.2.7 壓載水系統(tǒng)

系統(tǒng)由壓載水艙、壓載水泵及閥箱等組成。壓載系統(tǒng)配置閥門遙控系統(tǒng)，配合液位遙測(cè)系統(tǒng)，通過壓載泵以及相關(guān)壓載艙的遙控液動(dòng)蝶閥控制排水或注入來完成調(diào)節(jié)船體平衡[7]。

1.2.8 吃水及液位遙測(cè)系統(tǒng)

本船設(shè)艏部、舯部、艉部吃水標(biāo)志點(diǎn)，各壓載水艙、淡水艙、燃油艙均設(shè)有液位遙測(cè)系統(tǒng)，液位遙測(cè)所獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將傳輸?shù)皆O(shè)于控制室內(nèi)控制臺(tái)上的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.2.9 施工管理系統(tǒng)

本船設(shè)置沉管安裝控制系統(tǒng)，配置了8 臺(tái)船舶定位絞車、6 臺(tái)沉管定位絞車、4 套提升系統(tǒng)組成的十八點(diǎn)安裝控制系統(tǒng)，具備精度高、響應(yīng)快、可連鎖互動(dòng)的特點(diǎn)，既能根據(jù)作業(yè)需求數(shù)機(jī)協(xié)作聯(lián)動(dòng)也能選擇單機(jī)操作，可滿足沉管定位精度的要求。

本船在中央控制室設(shè)有多個(gè)控制平臺(tái)，其中壓載水箱遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制臺(tái)，對(duì)沉管施工管理系統(tǒng)、沉管內(nèi)的壓載系統(tǒng)、水下測(cè)量系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控；定位錨絞車控制臺(tái)對(duì)船上移船絞車、水平調(diào)節(jié)絞車、提升絞車進(jìn)行操作和控制；沉管安裝船壓載控制臺(tái)對(duì)沉管安裝船壓載系統(tǒng)進(jìn)行操作和控制，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)預(yù)壓載和浮水作業(yè)功能，在MIMIC 板上實(shí)現(xiàn)壓載水泵的起停、遙控閥門的開關(guān)操作，對(duì)壓載水艙的液位和船體吃水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)測(cè)量吃水，計(jì)算和顯示船體的傾斜角度。

2 一體船的應(yīng)用

沉管浮運(yùn)安裝過程中包括塢內(nèi)船管連接、船管出塢、船管浮運(yùn)、船管系泊定位、沉管沉放、沉管對(duì)接等主要工序。

2.1 船管連接

沉管在塢內(nèi)經(jīng)過舾裝后，自航式沉管浮運(yùn)安裝一體船自行進(jìn)塢并跨騎在沉管上方，通過船上的提升系統(tǒng)和船體自身的壓載水系統(tǒng)，使得一體船通過支墩與沉管壓接成為一體。

2.2 船管出塢

利用一體船上8 套牽引絞車系統(tǒng)和塢口區(qū)岸邊上的絞車，選擇低流速時(shí)的小潮汛窗口期，絞移一體船帶動(dòng)沉管出塢[8]。

2.3 船管浮運(yùn)

一體船利用2 套自身強(qiáng)大的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)及DPS-1 動(dòng)力定位系統(tǒng)，拖帶8 萬噸級(jí)標(biāo)準(zhǔn)沉管浮運(yùn)時(shí)最大深水靜水航速可達(dá)5 kn，并且能夠在拖帶沉管工況下抵抗1.65 kn 橫流。浮運(yùn)時(shí)可利用運(yùn)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示管節(jié)與航道的相對(duì)位置，及時(shí)糾偏航跡，確保航跡保持在85 m 以內(nèi)，按照既定航線進(jìn)行海上浮運(yùn)至沉管系泊區(qū)。

2.4 系泊、沉放、對(duì)接

沉管浮運(yùn)至系泊區(qū)后，分別將安裝錨、系泊錨與安裝纜、系泊纜相連。然后沉管注水下沉，利用沉管提升系統(tǒng)控制沉管沉降速度和沉降深度，通過沉管定位系統(tǒng)調(diào)節(jié)沉管姿態(tài)，移船系統(tǒng)控制沉管平面位置及移速，使沉管在基床上精確定位并與已安裝沉管對(duì)接。

3 一體船應(yīng)用效果

國內(nèi)外傳統(tǒng)技術(shù)中，沉管浮運(yùn)一般采用多艘拖輪拖帶方式，沉管沉放安裝一般采用沉放駁吊浮沉放方法。本文自主設(shè)計(jì)建造的自航式沉管浮運(yùn)安裝一體船“一航津安1”具有施工船組一體化、運(yùn)裝功能一體化、船管結(jié)構(gòu)一體化和推進(jìn)動(dòng)力一體化特點(diǎn)，提高了沉管運(yùn)輸安裝效率及安裝精度，減少了航道占用時(shí)間及航道切換次數(shù)。

深中通道目前采用“一航津安1”已安裝完成22 節(jié)沉管，沉管安裝精度達(dá)到毫米級(jí)。經(jīng)測(cè)算，較港珠澳大橋采用的沉放駁方法，單節(jié)沉管浮運(yùn)安裝效率提升63.2%，節(jié)省多艘大型拖輪拖帶沉管作業(yè)，節(jié)省燃油77%，臨時(shí)航道開挖量由2 894萬m3驟減至548 萬m3，減少80%以上。“一種自航式水下隧道沉管運(yùn)載安裝一體船”獲國際發(fā)明專利，并獲中國專利金獎(jiǎng)，“自航式沉管浮運(yùn)安裝一體船及施工成套技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用”獲中國水運(yùn)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)和中國施工企業(yè)管理協(xié)會(huì)2021 年工程建設(shè)十項(xiàng)新技術(shù)。

4 一體船創(chuàng)新點(diǎn)

1）研發(fā)建造了“功能一體、船管一體、結(jié)構(gòu)一體、動(dòng)力一體”的沉管浮運(yùn)安裝一體船，攻克了船管連接技術(shù)、自動(dòng)循跡、抗橫流能力、船管精確定位等關(guān)鍵技術(shù)，解決了沉管長(zhǎng)距離浮運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)高等技術(shù)難題。

2）研發(fā)了一體船沉管浮運(yùn)安裝成套施工工藝，實(shí)現(xiàn)了沉管快速出塢、安全浮運(yùn)、精確定位與沉放安裝等綜合作業(yè)于一體，沉管浮運(yùn)安裝效率較傳統(tǒng)工藝提升一倍以上，在40 m 水深條件下，安裝精度控制在4 cm 以內(nèi)。

3）研發(fā)應(yīng)用了涵蓋沉管測(cè)控、絞車操控、船舶壓載水控制、沉管壓載水控制、管節(jié)拉合控制、浮運(yùn)導(dǎo)航、端封門監(jiān)測(cè)、船舶視頻監(jiān)控、沉管視頻監(jiān)控和氣象保障系統(tǒng)十大功能的數(shù)字化施工控制系統(tǒng)，提高了控制精度和保障能力，提升了施工管理信息化水平。

4）研發(fā)了多纜協(xié)同的空間纜系沉管安裝纜系統(tǒng)，降低了施工操控難度，提高了安裝定位精度，減少了錨碇?jǐn)?shù)量，降低了安裝纜剮蹭基槽邊坡的風(fēng)險(xiǎn)。

5）將DPS 系統(tǒng)用于一體船循跡航行控制，航跡偏移量控制在1.8 m 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了一體船自動(dòng)航行和定點(diǎn)回轉(zhuǎn)功能，提高了沉管浮運(yùn)過程中抵抗橫流和穩(wěn)定航行的能力，大幅度減少了臨時(shí)航道疏浚量。

6）研發(fā)了一體船結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)船管姿態(tài)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、船體和船管連接結(jié)構(gòu)受力和變形、沉管鋼封門應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵安全指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵控制指標(biāo)自動(dòng)報(bào)警，有效地保障了船舶施工安全。

5 結(jié)語

自航式沉管浮運(yùn)安裝一體船的成功研發(fā)，滿足深中通道工程沉管施工的要求，實(shí)現(xiàn)沉管浮運(yùn)安裝的安全、質(zhì)量、工效達(dá)到預(yù)期要求，有效提高沉管沉放安裝的精度及效率；同時(shí)，作為國內(nèi)外首次采用的裝備和技術(shù)，填補(bǔ)了國內(nèi)外沉管超長(zhǎng)距離浮運(yùn)安裝領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，建立了我國在世界沉管隧道施工領(lǐng)域的絕對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。