重力锚在“世越号”打捞中的应用

杨 鹏 陈世海 蒋 岩 王伟平

重力锚在“世越号”打捞中的应用

杨 鹏 陈世海 蒋 岩 王伟平

2017年3月22日，沉没1 077天的“世越号”在上海打捞局590天的紧张施工下缓缓浮出水面，一时举世瞩目。以侧卧的姿态从44米深水中整体打捞重达万吨的沉船被称为世界打捞史上的奇迹。由于“世越号”打捞现场海底泥质坚硬，普通的抓力锚很难提供上百吨的锚抓力，因此根据实际海底地质情况和理论计算，我们设计了钢筋混凝土重力锚，在实际施工过程中该重力锚提供了200吨以上的锚抓力，为“世越号”打捞的顺利推进提供了很好的助力。

重力锚；碎石海底；“世越号”；打捞

一、概述

2014年4月16日，韩国载有476人的“世越号”客轮在全罗南道珍岛郡海域发生浸水事故后沉没。该事故造成295人死亡，142人受伤，9人下落不明。“世越号”船长145米，宽22米，沉船重量约8 000吨。

为寻找遇难者遗骸并调查客轮沉没原因，2015年4月22日，韩国政府决定打捞“世越号”。通过激烈的国际竞标，上海打捞局和韩国海洋工程公司在全球25家顶级打捞公司组成的7个联合体竞标中凭借钢梁托底这一人性化设计方案脱颖而出。根据设计方案穿引首部的18根钢梁需要通过浮吊船将船首吊起10米左右，为保证船首起吊过程中的稳定性，使难船在吊起的过程中不被流吹动，根据设计方案，船首两侧远端各设置了一个能够提供200吨拉力的系固点。在正式施工之前，我们对安放重力锚区域的地基进行了岩土勘察，根据岩土勘察结论，重力锚区域海底表层1.9~2.3米的厚度为直径20～50毫米的碎石和沙土；第二层为砾质黏性土和沙质黏性土，若以此层作为基础持力层，在这种底质的海底，普通的抓力锚很难提供大抓力。为此，需要设计一个能够在这种沙石地质海底提供200吨以上抓力的锚。根据实际情况，项目组决定采用设计建造重力锚形式的锚定块来固定船首。在重力锚建造完毕之后、使用之前还须进行拉力试验以确保其满足要求。吊船首重力锚安装布置图如图1所示。

二、受力分析

根据海底地质勘探报告，我们采用现场施工主作业船舶“大力号”的150吨蛤式抓斗在海底抓取深坑。为了尽量获得大的锚抓力，坑越深越好。抓坑时，海底表层2米内的泥沙可以轻松挖出，2米以下的泥质是一种坚硬的砾泥层，抓斗的抓齿无法嵌入海底泥层抓出深坑。因此，根据现实情况，重力锚的有效埋入深度最大取为2米。根据现行的锚碇设计准则[1]：锚碇在载荷作用下不发生沉降、滑移和转动。根据反复的设计和优化，重力锚的最终方案如图2所示。

重力锚在海底的受力情况如图3所示。计算主要考虑重力锚受到的主动土压力Ea、被动土压力Ep、摩擦力f、重力G以及外部拉力T。

根据库仑土压力理论[2]，主动土压力的最大值计算公式为

图1 吊船首重力锚安装布置图

图2 重力锚设计图

图3 重力锚受力分析

其中，Ka为库仑主动土压力系数，其计算公式如下：

被动土压力的计算公式为

其中，Kp为库仑被动土压力系数，其计算公式如下：上述两式中：γ为土的重度，取10.7 kN/m3；H为锚埋入土中的高度，计算主动土压力时取2 m，计算被动土压力时取3 m；ε为锚被动面与竖直面的夹角，取30°；ψ为内摩擦角，取25°；δ为外摩擦角，取 13°；β为土坡角度，取0°。

锚抓力计算：锚能提供的锚抓力F为

F=PpH-Pa+f

其中：PpH= Eplcos（ε-δ）；Pa=Eal；f=μ[G+Epl sin（ε-δ）]

计算出F=1 181 kN，即单个重力锚能够提供120 t锚抓力。由于回复力矩明显大于翻转力矩，经过校核重力锚不会在拖动中翻转。

三、拉力试验

在理论计算结束后，为了检验重力锚的性能，在“世越号”打捞现场进行了重力锚拉力试验。重力锚安装之前需在布放重力锚的区域除去海底表层2米左右的碎石和沙土，之后将重力锚放入坑中。使用“大力号”的大抓斗，在海底重力锚布放的区域内抓出2米左右深的一片区域作为重力锚试验区。将重力锚与多功能浮吊船“聚力号”锚绞车连接。重力锚布放到设计的坑中以后，“聚力号”开动两个主推进器加车。图4为重力锚拖拉试验图。

图4 重力锚拖拉试验

两个主推进器逐渐加车至锚钢丝拉力70吨，然后增加两个伸缩桨推力至60%，使最大拉力增至93吨。整个过程中，重力锚没有产生任何位移。之后“聚力号”继续加车至90%，使总拉力增大到150吨，重力锚发生4～5米滑动。继续增加拉力至171吨时，重力锚又发生5米位移。之后继续增大拉力至215吨并保持半小时，重力锚没有明显位移。重力锚在运动了11米后，在拉力增大到215吨时稳定下来，据此可以认为重力锚在坑内初始位置可承受不小于150吨的拉力，稳定后可承受不小于215吨的拉力。图5为通过MS1 000声呐扫测的海底重力锚试验前后位置比较情况。

图5 试验前（左）后（右）水泥块位置比较

通过试验可知，重力锚在受力150吨时，锚出现走锚滑动，此时受力大于实际设计的120吨。在走锚11米之后，重力锚能够提供215吨以上的锚抓力，说明该重力锚在设计区域的锚抓力大于设计值，设计方案是成功的。

为了保持一定的安全系数，重力锚在实际使用时采用如图6所示的双锚并联的方式，确保在“世越号”吊船头过程中重力锚能够提供200吨以上的锚抓力，从而确保项目的施工安全和顺利进行。

图6 重力锚并联形式

四、总结

钢筋混凝土式的重力锚制作方便，安全可靠，其提供的锚抓力可以随着挖坑深度的增加而提高，在海洋工程施工中能够起到很大的作用。本次“世越号”打捞工程中，重力锚除了在吊船首过程中为稳定抬起的船首提供较大抓力外，在最后难船起浮过程中，其作为抬浮驳的锚固点也起到了非常关键的作用。根据海洋工程设计手册[3]的建议，对于这种坚硬的冻胀砾泥层，当传统蛤式抓头无法抓取时，可对抓斗进行改进：一是改进抓斗闭合绳对于抓齿有效重量减少的影响，安装闭合油缸系统；二是在抓斗上增加重型振动器，从而助力抓齿插入泥中。 通过本次打捞工程中的有效应用，检验了埋入式重力锚的有效性和可靠性。

[1]周梦波.悬索桥手册[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]陈国兴,樊良本,陈甦.土质学与土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2006.

[3]陈刚.海洋工程设计手册:海上施工分册[M].上海:上海交通大学出版社,2013.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.002

杨鹏（1987—），男，交通运输部上海打捞局技术开发中心，工程师，硕士。

陈世海（1972—），男，交通运输部上海打捞局技术开发中心，总经理，高级工程师，硕士。

蒋岩（1962—），男，交通运输部上海打捞局副局长，“世越号”打捞工程项目经理，硕士，正高。

王伟平（1960—），男，交通运输部上海打捞局工程船队书记，“世越号”打捞工程施工总监，高级工程师，硕士。