港珠澳大桥沉管快速锚泊定位系统开发

朱岭，窦从越，宁进进

1　工程概况

港珠澳大桥沉管隧道全长5 664 m，由33根管节构成，标准管节长180 m，宽37.95 m，高11.4 m，重约8万t，是我国建设的第一条外海沉管隧道，也是世界最长的公路沉管隧道和唯一深埋沉管隧道。隧址处表层最大流速达到1.93 m/s，垂线平均流速达到1.51 m/s。管节定位安装作业窗口为流速≤1.3 m/s、波高≤0.8 m、波周期T=6 s，管节所受波流力约为3 000 kN[1]。

港珠澳大桥沉管锚泊定位是通过系泊锚系的锚抓力来抵挡水流、波浪等对船管产生的冲击力，将沉放驳与沉管稳固在安装位置，保障沉放驳和管节的安全。然而对于如此大规模的沉管隧道，常规的锚泊系统无法实现大抓力下同时具有较好的施工操控性，因此需要研究具有较大抓重比系数和较小起锚力的锚型[2]，以利于提高施工的操控性和可靠度，并根据锚型制定快速锚泊定位方案。

2　系泊大抓力锚选择

2.1　常规大抓力介绍

目前使用的锚[3]已有几十种之多，国内大抓力锚的型号主要有燕尾锚、钢板波尔锚、丹富尔锚和AC-14大抓力锚。无论何种形式的锚，抓力越大、抓土效率越高（锚从入水到抓土达到稳定的时间越短，称其抓土效率越高）、稳定性和安全可靠性越高，锚的性能越好。国内常用锚见图1。

图1　国内常用大抓力锚Fig.1　Common high holding power anchor in China

2.2　系泊锚型确定

首先采用理论分析和数值模拟分析工程系泊用锚[4]，初步确定适用的锚型有3种，根据分析结果进一步对HY-17型、HYD-14型、 AC-14型锚开展多组锚抓力试验，检验3种大抓力锚对工程地质条件的适应性，确定最适合的系泊用锚。

2.2.1HYD-14锚

HYD-14型锚在E3、E4、E5管节附近共进行了5次锚抓力试验，试验结果见表1[5]。

表1　HYD-14型锚试验结果Table 1　HYD-14 anchor test results

2.2.2AC-14型锚

AC-14型锚在E3、E4、E5管节附近共进行了5次锚抓力试验，试验结果见表2[5]。

表2　AC-14型锚试验结果Table 2　AC-14 anchor test results

2.2.3HY-17型锚

HY-17型锚在E3和E5管节附近共进行了3次锚抓力试验，试验结果见表3[5]。

表3　HY-17型锚试验结果Table3　HY-17 anchor test results

2.2.4锚型确定

港珠澳大桥沉管安装团队充分分析试验数据，初步确定3种锚型的优缺点见表4。

表4　3种锚型优缺点对比表Table4　Comparison table of advantagesand disadvantages of three anchor types

试验结果分析确定HY-17型锚在施工工艺上可行，在经济等方面具有一定的优势。通过开展HY-17型锚抓力试验，对该锚从组装、抛锚、预拉、通缆连接、起锚、移锚等方面有了更深层次的了解。因此，选用HY-17型锚作为港珠澳大桥沉管锚泊定位专用锚型。

3　沉管锚泊定位系统研究

3.1　沉管锚位研究及优化

根据对国内外沉管隧道施工工艺和安装定位锚系布置的分析、研究，结合锚抓力试验过程中HY-17型锚的操控性和特性，设计了沉管施工锚系布置方式。

沉管锚泊定位系统中M1～M8为沉管系泊锚系，H1～H4为沉管安装锚系，其中安装缆（H缆）还起到在沉放过程中控制沉管南北方向调节的作用。根据施工现场水流力、风荷载力等计算出锚系与沉管轴线角度控制为45°～60°。

港珠澳大桥沉管隧道标准管节长180 m，管节在沉放对接过程中首端可通过导向系统进行限位调控，尾端由于没有限位装置，南北方向精度调节只能靠H3、H4缆绳控制，然而在E5管节沉放对接施工中发现角度为45°的H3、H4缆绳南北调控能力差，不能满足安装精度要求。为增加管节尾端南北方向的控制能力，将H3、H4的角度增大到70°，优化后的现场锚泊布置详见图2。

图2　优化后的锚位布置图Fig.2　Layout of optimized anchorage berth

3.2　沉管现场系泊流程

考虑到HY-17锚的特性，并尽量缩短关键线路作业时间，管节系泊锚系的作业过程分为提前抛锚、现场带缆、锚系解除和移锚。

3.2.1抛锚

1）测量人员利用GPS接收机精确定位安装、系泊锚点位置。

2）起锚艇到达预设位置后进行抛锚作业。

3）抛锚作业完成后使用2 942 kW（4 000 hp）拖轮和1 765 kW（2 400 hp）起锚艇进行系泊前预拉，给予安装锚、系泊锚一定的预拉力，防止管节在安装过程中由于锚拖曳距离过大，导致管节姿态调整不利，影响管节最终安装质量。

安装锚预拉力50 t，系泊锚预拉力100 t。

抛锚作业前首先进行大抓力锚及锚缆系统组装工作，包括大抓力锚、锚链及附件、工作缆、起锚缆、引绳等连接，管节浮运至系泊区前完成抛锚作业。

3.2.2带缆

管节浮运至系泊区后进行带缆作业。带缆作业包括安装锚、系泊锚锚位处取缆，沉放驳、管节取缆处取缆，起锚艇送缆、连接等内容。标准管节系泊流程为：M2、M8→M1、M7→M3、M5→M4、M6→H1、H3→H2、H4。

3.2.3解缆

为了便于安装缆、系泊缆解除，系泊通缆时将工作浮鼓预留在安装锚、系泊锚工作缆上。管节安装完成后，依次解除安装缆、系泊缆。

3.2.4移锚

管节安装完成后，将安装缆、系泊缆与工作缆解除，将沉放驳撤离安装施工现场。沉放驳撤离后进行下一管节锚系布置，为减少管节移锚的数量，下一个管节锚系布置时应考虑锚位共用。

1）起锚、移锚顺序

标准段管节正常情况下起锚、移锚6口，其中包括2口系泊锚、4口安装锚。上一节管节系泊锚北侧为 Xn-1～Xn-4，南侧为 XS-1～XS-4；安装锚北侧为An-1和An-3，南侧为AS-1和AS-3。下一节管节系泊锚布锚则将北侧Xn-1移至Xn-5，南侧XS-1移至XS-5，其它锚位置不变；安装锚布锚则将北侧An-1移至An-2、An-3移至An-4，南侧AS-1移至AS-2、AS-3移至AS-4。起锚、移锚顺序见图3。

图3　起锚、移锚顺序图Fig.3　Anchor,anchor shift sequencediagram

2）起锚方式

安装完成一节沉管后，需要将4口安装锚和2口系泊锚布设至下一管节，根据《港珠澳大桥岛隧工程沉管安装缆力分析研究中间成果》报告分析，安装缆力按50 t考虑，安全系数取1.5倍[6]，则安装锚极限锚抓力不小于75 t，起锚力按锚抓力75%考虑，则安装锚极限起锚力不小于56.25 t，采用起锚艇起锚即可。系泊缆力按照100 t考虑，安全系数取1.5倍[6]，则系泊锚极限锚抓力不小于150 t，起锚力按锚抓力75%考虑，则系泊锚极限起锚力不小于112.5 t，采用起锚艇及拖轮协助方式起锚，起锚方式见图4。

图4　系泊锚起锚方式示意图Fig.4　Schematic diagram of anchor way of mooring anchor

3）移锚方式

起锚作业完成后，进行移锚作业，为下一管节安装做准备。

2艘起锚艇协同作业进行移锚，一艘起锚艇将锚提起，完成起锚作业，另一艘起锚艇驶至工作浮鼓处，将工作缆与锚绞车缆绳连接，2艘起锚通过缆绳连接在一起进行移锚。安装锚、系泊锚移锚方式见图5。

图5　移锚方式示意图Fig.5　Schematic diagram of anchor shift

4　锚泊定位系统施工工效

港珠澳大桥沉管锚泊定位系统成功完成33节沉管系泊施工，沉管的安装锚和系泊锚最大锚拉力在90 t，系泊和对接中未出现一次走锚情况。

一般大抓力锚采用全回转拖轮进行现场抛锚作业，单根锚的布置和预拉的时间约为2 h，以此类推，沉管安装采用全回转拖轮进行系泊的总耗时约为8 h（2艘全回转拖轮），很难在窗口期找到满足8 h的系泊低流速期。采用目前的系泊方式，系泊关键线路耗时为3 h，可以在低流速期完成8根锚缆的系泊作业，将施工效率提高了一倍，实现了复杂海洋条件下超大沉管快速系泊。

5　结语

根据前期锚抓力试验确定适合沉管系泊施工的锚型，研发了安全性能高、施工效率高的沉管快速锚泊定位系统，并结合现场施工效果不断总结优化。沉管锚泊定位技术研发与应用在港珠澳大桥沉管隧道系泊施工中得到了充分验证，可为后续同类型沉管施工提供借鉴。

参考文献：

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[2] 闫澍旺，任宇晓，孙立强，等.砂土中的拖锚模型试验及锚抓力计算方法研究[J].中国造船，2016（1）：103-115.YAN Shu-wang,REN Yu-xiao,SUN Li-qiang,et al.Model test and calculation of holding capacity of hall anchor in dragging processin sand[J].China Shipbuilding,2016(1):103-115.

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