港珠澳大橋鋼圓筒振沉施工船舶駐位工藝

張鐵軍，劉昊檳，楊潤來

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大橋主體工程島隧工程位于珠江口伶仃洋中心區域，共有東、西兩座人工島，每座人工島兩端分別與沉管隧道、橋梁相連接。人工島平面形狀為橢圓形，長度均為625 m。為保證東、西人工島快速成島，采用了拋石斜坡堤和臨時鋼圓筒圍堰相結合的島壁結構。本文以西人工島施工為例，介紹鋼圓筒振沉施工船舶駐位工藝。

1 工程概況

西人工島主格采用鋼圓筒結構形式，鋼圓筒沿人工島岸壁前沿環線布置。為盡快具備與沉管對接條件，設置分隔圍堰，將西人工島分為西小島和西大島。西小島圓筒個數為17個（含4個分隔圍堰），西大島圓筒個數為44個，總數為61個。西人工島的基槽泥面標高為-16m，圓筒布置如圖1所示[1-2]。

工程區域位于亞熱帶季風區，其盛行風向的季節變化明顯。根據香港氣象站歷史測風資料統計，該區域年盛行風向以東南偏東和東風為主。

本區潮汐類型屬于不規則的半日潮混合潮型。從實測潮位過程曲線分析，不等現象明顯，其中大潮期間日潮現象較明顯，小潮期間半日潮現象顯著，中潮介于兩者之間。

伶仃洋內潮流基本為沿槽線走向的周期性往復流，內伶汀島以內流向以NNW—SSE向為主，內伶汀島以外流向轉為S—N向。潮流動力東部水域較強，西部水域較弱，落潮流速一般都大于漲潮流速。

2 主要施工船舶

鋼圓筒由振華重工在上海制造[3]，振沉主要采用起重船、定位駁、運輸船、拖輪及起錨艇等施工船舶。起重船采用1 600 t雙鉤固定扒桿起重船；定位駁采用8 000 t平板方駁（6臺錨機）；運輸船采用7萬t及9萬t遠洋運輸船。主要船舶設備配備如表1所示。

表1 圓筒振沉施工主要船機匯總表Table1 Summary ofmain shipmachine for cylinder vibration sinking

3 船舶駐位工藝

3.1 運輸船

3.1.1 駐位位置選擇

港珠澳大橋西人工島東側緊鄰臨時航道，東側沉管隧道基槽正在進行挖泥施工，運輸船駐位不得干擾沉管基槽的挖泥施工和臨時航道的船舶通行。據此，選取距西人工島東偏南方向約300m處280 m×80 m×（-8.5m）水域作為運輸船駐船位置，該區域既利于起重船在動錨最少的情況下振沉所有鋼圓筒，同時運輸船也不影響臨時航道上其他船舶通行。

由于運輸船吃水較深，船長較長，阻水面積大，所以運輸船駐位角度要考慮潮流方向，選擇順流駐位。

3.1.2 運輸船駐位系泊系統及系泊方式

運輸船船長約240 m，錨系相對較弱，不滿足起重船吊振動錘取筒時的定位精度要求。如果采用海上打樁時運樁駁的駐位模式，運輸船則有多個駐位位置，不能滿足運輸船順流駐位的要求。所以選擇在人工島以外的固定區域設置錨碇系統供運輸船系掛纜繩使用，既可滿足船舶穩定性的要求，又能滿足運輸船需順流駐位的要求。

具體方法為在運輸船的駐位區域設置4個“錨碇”系統，每個“錨碇”系統由混凝土沉塊+錨鏈+浮筒組成，與船體縱向軸線成45°夾角，混凝土沉塊長4.5 m，寬4 m，高4 m；錨鏈采用φ100mm二級有擋錨鏈，長度55 m；浮筒直徑4 m，高度2 m。浮筒通過φ100 mm二級有擋錨鏈及混凝土沉塊系固在海底，每個浮筒上掛6根φ104mm尼龍纜繩。按浮筒布置位置，船舶吃水6.5 m，水深10.0 m，浮筒上的纜繩長約52.0 m，浮筒下錨鏈長度55 m，纜繩及錨鏈、連接件等總長110m。

3.1.3 系泊系統受力情況分析

鋼圓筒運輸船駐位后，主要受風力和水流力的影響。根據鋼圓筒和運輸船受風面積及運輸船阻水面積可以計算風力及水流力的大小，從而核算系泊系統的可靠性。計算時，取最不利作業工況進行核算，該工況為8級橫風作用，波浪力取風力的60%，計算結果如下。

1）錨鏈及纜繩受力

8級橫風時（風速20.7 m/s），風作用力為2 590 kN，波浪力為風力的60%，風浪聯合作用力4 144 kN。

錨鏈及纜繩與運輸船縱向軸線平均成45°夾角，計算得單個浮筒上受到的水平合力約2 930 kN，取不均勻系數1.2，每個浮筒錨鏈-纜繩所受的水平力約3 520 kN。

浮筒下錨鏈所受拉力在3 500 kN左右，考慮一定的安全系數，如采用φ100 mm的二級有擋錨鏈，其試驗拉力為3 530 kN，破斷拉力為4 540 kN，滿足要求。

運輸船上纜繩為φ104mm的丙綸長絲繩，標稱破斷負荷為1 050 kN；實際破斷負荷為1 262.7 kN，每個浮筒上帶6根纜繩即能滿足要求。

2）混凝土沉塊抗拔力及外形尺寸

取沉塊埋入位置距船的距離約106 m，可計算得沉塊所受的垂向力約850 kN。要求沉塊在水中重量應大于85 t。沉塊采用鋼筋混凝土方塊，取比重2.3 t/m3（空氣中），水中比重1.3 t/m3，可計算得鋼筋混凝土沉塊的體積約為72m3。取混凝土沉塊為正方形，則其尺度約為：長4.5m，寬4m，高4m。

對于纜繩-浮筒-錨鏈-沉塊系統，沉塊的作用相當于錨，如沉塊放在泥面上，沉塊所受的水平力，將由混凝土塊與泥面間的摩擦力來平衡，這要求混凝土沉塊很大。為此，混凝土塊需埋入泥面下，以具有足夠的垂向抗拔力確保沉塊不被拔出。當錨鏈受力時，由埋入沉塊與周圍土間的摩擦力及被動土壓力、主動土壓力來平衡受到的水平力。

經計算，沉塊埋入深度不小于5.0m，即沉塊的底部距泥面不小于5.0 m。

3.2 起重船與定位駁

定位駁需要具備獨自定位的能力，且應具有很好的穩性。根據工程實際需要，選用船型的吃水、長寬及錨系力與打樁船、起重船相似的振駁28號。該船船寬28 m，船長82 m，吃水5.2 m，配電動錨機6臺，船體4個角每個角1臺35 t錨機，配8 t海軍錨1只，錨繩長650m，另沿船軸線艏處設50 t錨機1臺，配12 t海軍錨，艉處還設有1臺35 t錨機，配8 t海軍錨。6臺錨機可以大大提高鋼圓筒的定位效率，錨纜長度也可滿足1次下錨振沉1船次鋼圓筒的要求。

1 600 t起重船船寬37 m，船長98 m。鋼圓筒與振動錘總重量最大約為1 100 t，該吊重下起重船舷外跨距為62m，可吊筒越過定位駁進行定位及振沉。為減少下錨次數，便于起重船在運輸船與待沉筒位之間移動，起重船的纜繩長度加長至900 m。移船取筒時，起重船左右兩舷各靠泊1艘全回轉拖輪，協助起重船遠距離移船取筒。

鋼圓筒共分8船次運輸，第1個鋼圓筒由定位駁運至施工現場，第2～8船由振華16號、振華17號交替運輸至施工現場。第2～8船駐位在西人工島東南方向，距西人工島東端點約300 m位置，順流駐位，每船駐位位置相同。定位駁駐位在起重船與待振沉鋼圓筒之間，起重船在運輸船船舷系掛2根交叉牽牛纜，便于移船至運輸船起吊鋼圓筒。駐位順序為：運輸船與定位駁同時駐位，起重船最后駐位。

起重船與定位駁每振沉1船次鋼圓筒調整1次錨位，運輸船駐位位置只有1個，每次駐位位置相同。

4 結語

港珠澳大橋舉世矚目，首次采用超大體量鋼圓筒作為人工島圍護結構，鋼圓筒直徑大、高度高、重量大，需采用大型起重及運輸船舶進行施工。針對有限的施工水域設計的船舶系泊駐位工藝，大大提高了鋼圓筒振沉施工效率，減小了作業強度，提高了船機使用效率，創造了“一日三筒”的施工記錄，并實現了“當年動工，當年成島”的目標。本工程總結出的大型遠洋運輸船、大噸位起重船及定位船的駐位系泊工藝，對類似工程具有參考價值。

[1]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：西人工島鋼圓筒結構圖[R].2011.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:Construction drawing of steel cylinder for west island[R].2011.

[2]中交公路規劃設計院有限公司.港珠澳大橋主體工程島隧工程施工圖設計：西人工島島體結構[R].2011.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:Structureofwest island[R].2011.

[3] 李森，余良輝，周力偉.港珠澳大橋島隧工程鋼圓筒制造技術[J].中國港灣建設，2012（4）：78-80.LISen,YU Liang-hui,ZHOU Li-wei.Manufacturing technology for steelcylinders for island-tunnelproject for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2012(4):78-80.