不同地质条件下大抓力锚锚抓力研究

2020-08-19尚乾坤付洪超

中国港湾建设 2020年8期

尚乾坤，付洪超

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

大连湾海底隧道工程是继港珠澳大桥后又一项沉管隧道工程，也是目前国内北方唯一一条沉管隧道，隧道全长3 035 m，由18节沉管组成，标准管节长180 m，每节沉管重约60 000 t。隧道采用管节干坞预制、现场对接安装的施工方法，沉管安装采用隧道沉管安装专用船舶“津安3”、“津安2”。由于大连湾海底隧道沉管段地质与港珠澳大桥沉管段地质不同，根据两工程所做锚拉力试验所得数据进行地质对锚拉力影响的研究，确定常用大抓力锚所适用地质，为后续工程提供理论支持。

1 工程地质

1.1 港珠澳大桥工程

根据港珠澳地质勘察结果，海床以下地质分淤泥、淤泥质黏土、黏土及粉质黏土、粉细沙等，表层淤泥厚度为9.8～22.53 m。选取具有代表性的地质进行研究，如图1选取E3、E4、E5沉管地质。

图1 港珠澳大桥沉管隧道E3、E4、E5管节地质Fig.1 Geology of E3,E4 and E5 pipe joints of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge immersed tunnel

1.2 大连湾海底隧道工程

根据大连湾海底隧道工程锚抓力试验，选取具有代表性的E2和E10管节试验资料进行研究，其中E2管节泥层厚1.4～4.2 m，主要以淤泥和淤泥质粉质黏土为主，E10管节泥层厚16～22.5 m，主要以淤泥、淤泥粉质黏土、粉质黏土为主，中间夹杂部分砂层。

E2和E10泥层分布见图2。

图2 大连湾海底隧道E2、E10海域地质Fig.2 Geology of E2 and E10 sea area of Dalian Bay subsea tunnel

2 锚型选取

2.1 常用大抓力锚

根据工程特点及过往工程经验，常用的大抓力锚型如表1所示。

2.2 锚型选用

根据常用的大抓力锚性能特点等资料，选取HY-17、AC-14两种大抓力锚进行试验研究，所选锚具重量如表2。

表1 常用大抓力锚Table 1 The common high holding power anchor

3 试验方法及步骤

试验主要利用起锚艇在预先选定试验海域抛设大抓力锚，拖轮拖带钢丝缆进行锚拉力试验。根据试验方案购置所需钢丝缆、拖缆、试验锚及拉力计等试验物品，试验前对试验锚称重及外观检查，同时对下锚位置交底，下锚时根据GPS显示控制锚位及方向。

根据锚拉力试验方案及实际试验操作，试验过程分为锚缆连接、定点下锚、装置连接及锚位预拉、锚拉力试验、记录并整理试验数据五部分，具体操作步骤如下：

1）将试验锚与锚链、钢丝绳、浮漂等进行连接，所连缆绳分为工作缆和起锚缆两部分。由起锚艇、起重设备相互配合将试验锚与锚链、钢丝绳、拖缆、浮漂等进行连接，其中工作缆部分保留接头与拖轮相连。

2）由起锚艇在预先选定位置下锚。通过船载GPS将锚铺设在指定位置，由测量人员全程监控，以保证锚位及方向的准确性。

3）连接拉力计并预拉锚位。根据锚缆长度，拖船提前在预定位置等待，起锚艇下完锚待锚沉入海底后，自航至拖船，航行时及时松放锚缆并将锚缆送给拖船。试验装置安放在拖船上，拉力传感器一端与锚缆连接，另一端与拖船拖缆连接（图3），试验装置应该在无荷载的情况下，调整仪器归零位。归零后缓缓拉紧锚缆预拉锚位，待拉力计示数稳定后预拉完毕。

图3 锚抓力试验图片Fig.3 Photo of anchor holding power test

4）逐步增大拖力检验锚拉力。按事先设定拖力等级逐级增大拖力并记录每档拖力数值及锚稳定性，记录试验过程中最大数值即为大抓力锚的抓力。

5）试验数据汇总。将记录的试验数据分类汇总，对异常数据进行分析，剔除无用数据，以便用于后续数据分析。

4 试验结果及分析总结

汇总两个工程锚拉力试验数据见表3。

由图1、图2、表3对比分析，得出大抓力锚在不同地质条件下锚抓力具有以下规律。

1）港珠澳大桥及大连湾海底隧道工程区域内，海底均有淤泥层分布且全断面淤泥层分布薄厚不均、相差较大，其中港珠澳大桥工程海域泥层厚度为9.8～22.53 m，大连湾海底隧道工程泥层厚度为1.4～22.5 m。两地泥层最大深度基本相同，但淤泥层成分有所区别，港珠澳大桥工程海域淤泥层及黏土层厚度基本相等，而大连湾海底隧道工程泥层主要是以黏土层为主，对锚的黏力较小，同时个别区域泥层较薄，锚抓力也随之降低。

2）AC-14大抓力锚锚抓力分析：泥层厚度在10 m以上时，实际锚抓力大致为锚重的2～3倍，泥层厚度较薄时，大抓力锚特性表现不明显。序号1～5数据对应港珠澳大桥工程地质，当淤泥层厚度较厚时，锚抓力处于较稳定状态，即锚抓力等于锚重的2～3倍；序号6～11数据对应大连湾海底隧道工程，此处淤泥层厚度较薄，主要以黏土层为主，其黏性较差，锚抓力变化较大[7]。

3）HY-17大抓力锚锚抓力分析：HY-17大抓力锚对淤泥层薄厚不同的地质锚抓力基本相同，但因其方向性要求较高，易翻锚。

4）薄泥层锚抓力分析：同一泥层地质及同等锚重条件下，AC-14大抓力锚的锚抓力明显小于HY-17大抓力锚。同一种锚泥层越厚，锚抓力越大。HY-17锚试验地质淤泥层较薄，黏土层较厚，整体泥层黏力较小，但仍可提供较大锚抓力，HY-17锚适用于薄泥层、低黏力地质。

5）厚泥层锚抓力分析：在黏土层占主要部分的厚泥层中，AC-14大抓力锚锚抓力显著提升，锚齿可以更轻易地刺入泥层中提供较大锚抓力[8]。HY-17大抓力锚锚抓力并未随泥层厚度增加而增加，参考薄泥层锚抓力数据，对于泥底地质，HY-17锚不需要太厚泥层即可达到不错的锚抓力。HY-17大抓力锚使用时要严格控制方向，防止出现翻锚现象影响锚抓力。

综上研究数据，本次所选研究锚型中AC-14大抓力锚适用于泥层较厚且以黏土为主的淤泥地质，HY-17大抓力锚针对淤泥地质均可提供较大锚抓力，但需要大型专用船舶配合。