大型沉管安装工程用锚选型及锚系设计试验研究

苏长玺，冯海暴

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

大型沉管安装工程用锚选型及锚系设计试验研究

苏长玺，冯海暴*

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071）

结合港珠澳大桥沉管隧道工程，调研分析了多种型号的工程用锚，进行了现场试验，得出锚抓力和起锚力等关键技术参数，设计了外海条件下大型沉管的锚泊系统，为隧道管节系泊期间的抛锚起锚等操作施工提供了可行的施工方案，可为类似工程提供借鉴。

沉管隧道；锚泊系统；抓重比；起锚力

0 引言

锚不仅使用在船舶上，还被用作海中浮动构筑物的定位等。随着沉管隧道工程越来越多，施工条件也越来越差，沉管在基槽内系泊和沉放期间，需要通过锚实现沉管的稳定。工程用锚主要为海中漂浮状态的沉管提供固定点，避免风浪流造成沉管失控。锚泊系统的设计主要以锚的操作性和抓重比系数[1]确定选型。针对不同的地质条件，锚产生的抓力也大有不同[2]。因此对于重点工程项目，需要根据工程的自然条件和地质条件，通过锚现场试验得出锚的关键参数和操作性能，为锚泊系统的设计提供较为详实的技术参数。由于锚的现场试验费用昂贵，现在锚的研究多采用理论分析和数值模拟分析[2]。对于世界瞩目的重点工程港珠澳大桥沉管隧道工程，因其处于外海且工况条件恶劣，没有可以借鉴的技术资料，理论分析和数值模拟分析已经无法满足要求[3]，必须采用锚的现场试验来确定关键技术参数和操作性能。本文结合港珠澳大桥沉管隧道工程现场的自然条件和地质条件，开展了锚的选型和锚的现场试验，为锚泊系统的设计提供关键技术参数。

1 工程概况

港珠澳大桥是我国重大基础设施项目，东连香港、西接珠海、澳门，是集桥、岛、隧为一体的超大型跨海通道。岛隧工程是大桥工程的施工控制性工程，由沉管隧道、东西人工岛三大部分组成，其中沉管隧道是目前世界上综合难度最大的沉管隧道之一。沉管隧道总长度为5 664 m，预制安装管节33节，东西两端与人工岛暗埋段相接，沉管隧道为东西走向，穿越伶仃西航道和规划30万t油轮航道，最大水下深度46 m。

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6 s，管节所受波流力约为3 000 kN[4]。

沉管在隧址处系泊等待及沉放安装时，根据现场的自然条件和施工操控性分析，采用8+4的模式设计锚泊系统较为可靠，即沉放驳8缆+沉管4缆的锚泊体系。根据受力模型分析计算，该锚泊体系下需要的单个锚提供抓力最大为1 000 kN，取1.5安全系数[5]，锚泊系统需配置抓力最大为1 500 kN。

在大的抓力限制条件下具有较好的施工操控性，常规的锚无法实现，需要研究选取较大抓重比系数和较小起锚力的锚型，以利于提高施工的操控性和可靠度。

表1 常用大抓力锚列表Table 1Commonly used large grasping anchor list

2 锚泊系统大抓力锚选型分析

2.1 项目区域地质结构情况

沉管施工区域内主要地质自上而下分别为①1淤泥、①2淤泥、①3淤泥质土、①2淤泥混砂、②1黏土、②2粉细砂、②3粉细砂、②4中砂、③1淤泥质土、③1-1粉质黏土、③2粉质黏土夹砂、③2-1粉细砂、③2-2粉细砂、③2-3中砂、③3粉质黏土、④1粉细砂、④2粉细砂。

2.2 用锚选型

2.2.1 调研分析

港珠澳大桥沉管隧道区域淤泥及淤泥质黏土层厚度较大，通过对国内外沉管隧道工程施工用锚调研分析，锚的抓力受地质条件影响较大且没有既定的规律，也没有成熟的计算解析方法，针对本项目地质结构、自然条件和操作工艺分析，初步选取了在实践工程中，4种应用效果较好的大抓力锚型进行分析研究，见表1。

适用于淤泥质及砂质，多用于工程船系泊如起重船、铺管船和石油平台等。制造和结构简单，抓重比系数超大，起锚需专用装备。

2.2.2 试验用锚选型

1）本项目施工区域淤泥和黏土层较厚，表1中的锚型对区域地质都有较好的适用性。但VLA锚对受力的方向性要求较高，沉管和沉放驳在现场系泊和沉放安装时，无法避免锚缆的方向发生变化，而VLA锚在锚缆方向变化时锚抓力将发生大的变化，在本项目工艺中可靠性较差，因此该锚不作为工程用锚。

对于HYD-14型锚、AC-14型锚和HY-17型锚，通过工程应用分析，对本项目的类似地质情况都有较好的适应性和可靠度，但是锚的抓力随地质的变化影响较大，港珠澳项目沉管的重量大、施工自然条件差，需要具有精确的技术数据和可靠的操控性，因此，对于已经以往工程应用时得出的抓重比系数和操控性，无法在本项目中进行定量的分析和直接应用，必须通过在本项目施工区域进行实体锚试验，得出精确的技术数据和施工操控情况，选取最适合本项目的锚型，用于大型沉管安装的锚泊系统设计，确保工程的施工安全性和精准控制。

结合本项目需要的锚抓力和现有的工程用锚情况，选取了质量为3.94 t的AC-14、质量4 t的HYD-14和质量3 t的HY-17在沉管隧址处进行试验。

3 锚抓力试验研究

3.1 试验区域

试验区域选取以具有代表性的地质结构和水深分布的E3、E4、E5管节附近进行试验，地质结构自上而下为淤泥、淤泥质黏土、黏土及粉质黏土、粉细沙等，表层淤泥厚度9.8～22.53 m，水深在8～11 m，地质结构见图1。

图1 项目典型区域地质结构图Fig.1Typical regional geological structure of the project

3.2 试验材料和关键工序控制

1）动力装备及锚缆

试验起锚设备采用满洋16号起锚艇，拉力拖曳设备为交工55号，满足试验技术指标要求。

锚缆采用直径52 mm、长度300 m钢缆。在锚缆端部安装拉力传感器用于锚抓力的数据采集。

下锚位置和锚拖曳入土距离等参数通过GPS配合角度测量数据得出，设备配置见表2。

表2 设备配备及性能表Table 2Equipment and performance table

2）数据采集及试验操作方法

①数据采集

本次试验需采集工程区域的波高、流速等自然条件和锚抓力、起锚力等参数。

②关键参数的确定

抓重比系数的确定：依据锚抓力随时间的变化曲线，直至锚抓力随时间曲线出现收敛时即判定为该型锚的最大锚抓力，最大锚抓力与锚重的比值即为该区域地质的抓重比系数。

起锚力的确定：在锚抓力随时间曲线收敛后，通过起锚艇拉起预留在锚尾端的与测力计连接的起锚缆，测力计另一端与起锚艇拉力绳索连接，启动提升设备进行起锚作业，记录起锚过程中拉力随时间的曲线，当拉力达到峰值时突然下降，此时锚破土快速上升时得到的拉力峰值，即为起锚力。

③操作方法

试验操作时锚缆长度为300 m，拖船交工55号提前在预定位置待机，锚艇在预定区域抛锚完成后，将锚缆端部与测力计连接，数据采集仪器安放在拖船主控室内，启动拖船进行锚抓力及拖曳试验。

拖船以1 kn航速匀速航行，使锚缆逐步带紧。为检测锚受力方向对抓力的影响敏感度，结合工程中可能出现的缆绳变化最大角度60°，在第一次正拉试验完成后，进行斜向60°拉力试验。锚抓力试验操作示意见图2。

图2 锚抓力试验操作示意图Fig.2The operation diagram of anchor grip force test

3.3 锚抓力与起锚力试验

3.3.1 锚抓力试验结果

1）HYD-14锚

根据工程特点锚抓力试验方案，交工55号拖轮沿试验区域的隧道轴线和斜向60°分别进行2组试验，HYD-14型锚在E3、E4、E5管节附近共进行了5次锚抓力试验，试验期间装备运行正常，试验仪器数据采集达到了预期效果，试验结果见表3。

表3 HYD-14型锚试验结果Table 3HYD-14 anchor test results

2）AC-14型锚

AC-14型锚的试验，按照HYD-14锚试验的过程进行优化操作程序后，以相同的方式在E3、E4、E5管节附近共进行了5次锚抓力，试验仪器和装备运行正常，试验结果见表4。

表4 AC-14型锚试验结果Table 4AC-14 anchor test results

3）HY-17型锚

根据前两次试验过程得出，上述试验区域中，E3、E5管节的试验区域更具有代表性，因此决定将HY-17型锚试验确定在E3和E5管节附近，进行了3次锚抓力试验，试验结果见表5。

表5 HY-17型锚试验结果Table 5HY-17 anchor test results

3.3.2 起锚力试验结果

通过表4中AC-14型锚抓力试验结果计算得出，该型锚的抓重比系数介于2.3～3.8，远小于预期值。本项目沉管系泊和沉放安装期间的稳定锚抓力约为1 500 kN（含安全系数1.5），如要保证沉管施工期间的安全施工，该型锚需要配置的锚最大质量约为65 t，锚的尺度也将非常大，随着锚的质量和尺度的增加必将降低锚的操控性，因此该型锚将不再作为工程用锚的选型。起锚力试验只针对HY-17和HYD-14型锚进行了试验。

1）HY-17型锚

HY-17锚虽然抓重比最大，其经济性具有较大优势，文献[7]对该型锚起锚力研究也较多，因此对该型锚进行了1次起锚力试验，起锚操作采用了尾端拖带的方式，重30 kN的HY-17起锚力为345 kN，最小锚抓力近640 kN，起锚力与锚抓力的比值为53.9%，结合试验的情况，起锚力配置留有一定的富余量按照锚抓力75%计算较为可靠。

2）HYD-14型锚

HYD-14型锚起锚力试验同HY-17锚的操作方式，在E3、E4、E5进行了3次起锚试验，结果见表6。

表6 HYD-14型锚起锚试验结果Table 6Weigh anchor test results of HYD-14 anchor

4 工程用锚分析

4.1 沉管系泊沉放工程用锚分析

根据本项目沉管系泊和沉放物理模型试验结果分析，沉放驳系泊锚最大锚抓力控制值为1 500 kN，沉管安装锚最大锚抓力控制值为75 kN，通过对HYD-14型锚、AC-14型锚和HY-17型锚的试验结果分析，AC-14型锚抓重比远小于预期值，不作为本项目的用锚，针对HYD-14和HY-17型锚选型如下：

HYD-14型锚最小抓重比系数为9.25，按照9倍抓重比配置锚重，系泊锚重18 t，安装锚重9 t。

HY-17型锚最小抓重比系数为21.33，按照20倍抓重比配置锚重，系泊锚重8 t，安装锚重5 t。

通过本项目大型沉管的安装工艺、抛起锚操控性和施工成本等方面综合分析，选用HY-17型大抓力锚不仅可以保证沉管顺利安装，而且可有效提高施工工效，降低综合费用，经过最终分析选取HY-17型锚作为沉管安装用锚和沉放驳系泊用锚。结合锚的试验过程中的操控性和选型，设计了沉管施工锚系布置，见图3。

4.2 锚泊系统应用效果分析

港珠澳大桥沉管隧道工程管节安装中采用的HY-17型锚和设计的锚系，已顺利完成了所有的管节（33节）的沉放安装，施工中锚系运行稳定，抛锚方式采用了预拉的方式，不占用沉管系泊带缆时间，单口锚起锚平均耗时30 min，通过施工中采集的起锚力、锚抓力均与试验和分析结果相符合，达到了预期的效果，保障了沉管施工的顺利实施。

图3 沉管安装锚系示意图Fig.3Anchor system schematic diagram of immersed tube installation

5 结语

1）通过综合分析，选取了适用于港珠澳工程沉管隧道安装的试验用锚，通过试验结果得出，本项目地质结构条件下，AC-14型锚抓重比系数为2.3～3.8，达不到预期抓力值。HY-17型锚的最小抓重比为21.33～23.33，HYD-14型锚的抓重比系数为9.25～10。

2）结合沉管施工工艺的特点和自然条件，采用了理论分析和试验结果相结合的方法，为港珠澳大桥沉管隧道项目优选了HY-17型锚作为沉管安装的工程用锚。

3）设计了港珠澳大桥沉管系泊和安装锚系，并安装锚为5 t重HY-17，系泊锚为8 t重HY-17。

4）通过综合分析设计了锚抓力试验的方法，并给出了试验关键工序和取值指标，为类似的重点工程锚现场试验提供了技术参考。

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Experimental study on mooring anchor selection and anchor system design of large immersed tube installation

SU Chang-xi,FENG Hai-bao*
（No.2 Eng.Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266071,China）

Combined with the immersed tunnel engineering of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge,through the investigation and analysis of various types of engineering anchors,we obtained the key technical parameters such as the anchor grip force and weigh anchor force by field test,and designed a mooring system of large immersed pipe under offshore conditions,which provides feasible construction method for the drop and weigh anchor operation during tunnel mooring.It can provide reference for similar construction.

immersed tunnel;mooring system;ratio of grip force to weight;weigh anchor force

U455.46

A

2095-7874（2017）05-0082-05

10.7640/zggwjs201705018

2017-03-10

苏长玺（1965—），男，高级工程师，从事港口航道、沉管隧道工程施工。

*通讯作者：冯海暴，E-mail：351515258@qq.com