港珠澳大橋沉管快速錨泊定位系統開發

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根管節構成，標準管節長180 m，寬37.95 m，高11.4 m，重約8萬t，是我國建設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。管節定位安裝作業窗口為流速≤1.3 m/s、波高≤0.8 m、波周期T=6 s，管節所受波流力約為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、波浪等對船管產生的沖擊力，將沉放駁與沉管穩固在安裝位置，保障沉放駁和管節的安全。然而對于如此大規模的沉管隧道，常規的錨泊系統無法實現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　常規大抓力介紹

目前使用的錨[3]已有幾十種之多，國內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定的時間越短，稱其抓土效率越高）、穩定性和安全可靠性越高，錨的性能越好。國內常用錨見圖1。

圖1　國內常用大抓力錨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，根據分析結果進一步對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管節附近共進行了5次錨抓力試驗，試驗結果見表1[5]。

表1　HYD-14型錨試驗結果Table 1　HYD-14 anchor test results

2.2.2AC-14型錨

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

表2　AC-14型錨試驗結果Table 2　AC-14 anchor test results

2.2.3HY-17型錨

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

表3　HY-17型錨試驗結果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據，初步確定3種錨型的優缺點見表4。

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

試驗結果分析確定HY-17型錨在施工工藝上可行，在經濟等方面具有一定的優勢。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　沉管錨泊定位系統研究

3.1　沉管錨位研究及優化

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

沉管錨泊定位系統中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節的作用。根據施工現場水流力、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長180 m，管節在沉放對接過程中首端可通過導向系統進行限位調控，尾端由于沒有限位裝置，南北方向精度調節只能靠H3、H4纜繩控制，然而在E5管節沉放對接施工中發現角度為45°的H3、H4纜繩南北調控能力差，不能滿足安裝精度要求。為增加管節尾端南北方向的控制能力，將H3、H4的角度增大到70°，優化后的現場錨泊布置詳見圖2。

圖2　優化后的錨位布置圖Fig.2　Layout of optimized anchorage berth

3.2　沉管現場系泊流程

考慮到HY-17錨的特性，并盡量縮短關鍵線路作業時間，管節系泊錨系的作業過程分為提前拋錨、現場帶纜、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）起錨艇到達預設位置后進行拋錨作業。

3）拋錨作業完成后使用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，防止管節在安裝過程中由于錨拖曳距離過大，導致管節姿態調整不利，影響管節最終安裝質量。

安裝錨預拉力50 t，系泊錨預拉力100 t。

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

3.2.2帶纜

管節浮運至系泊區后進行帶纜作業。帶纜作業包括安裝錨、系泊錨錨位處取纜，沉放駁、管節取纜處取纜，起錨艇送纜、連接等內容。標準管節系泊流程為：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。管節安裝完成后，依次解除安裝纜、系泊纜。

3.2.4移錨

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

1）起錨、移錨順序

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

安裝完成一節沉管后，需要將4口安裝錨和2口系泊錨布設至下一管節，根據《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

起錨作業完成后，進行移錨作業，為下一管節安裝做準備。

2艘起錨艇協同作業進行移錨，一艘起錨艇將錨提起，完成起錨作業，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　錨泊定位系統施工工效

港珠澳大橋沉管錨泊定位系統成功完成33節沉管系泊施工，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一次走錨情況。

一般大抓力錨采用全回轉拖輪進行現場拋錨作業，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拖輪進行系泊的總耗時約為8 h（2艘全回轉拖輪），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，將施工效率提高了一倍，實現了復雜海洋條件下超大沉管快速系泊。

5　結語

根據前期錨抓力試驗確定適合沉管系泊施工的錨型，研發了安全性能高、施工效率高的沉管快速錨泊定位系統，并結合現場施工效果不斷總結優化。沉管錨泊定位技術研發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，可為后續同類型沉管施工提供借鑒。

參考文獻：

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