基于鱼雷锚施工的海洋组合式锚泊基础

刘金龙，祝磊，姚军，肖赟 （合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

鱼雷锚是动力贯入锚的一种，一般长约15m，重达130t。锚自身的形状类似鱼雷，故得名鱼雷锚。鱼雷锚可分为有尾翼和无尾翼两种类型，有尾翼的锚身一般有4个尾鳍。鱼雷锚锚身形如圆柱状，内部中空，可以填充高密度的材料如混凝土、废金属等来增加自重和降低锚重心而维持其稳定性，下端部呈锥形状，便于贯入海床土体中。

鱼雷锚安装快捷方便，安装时不需要借助任何外力，仅需在离海底足够高的位置将其垂直释放，使其靠自身重力下落，并在碰撞海底时，借助高加速度导致的巨大惯性力而贯穿海床至一定深度。通常释放高度在距海底30m时能达到17m/s的最终碰撞速度，贯入深度约为7m，在150m时能达到30m/s以上，贯入深度约为20m。

可见，鱼雷锚具有结构简单、可重复使用、制造成本低、安装便捷的特点，非常适合海上的施工环境。若能利用该优点，把鱼雷锚变成一种施工工具，必将促进海洋锚泊基础施工技术的进步与发展。因此，有必要发展基于鱼雷锚贯入施工的新型基础型式，促进海洋工程锚泊基础的技术进步。

2 新型组合式锚泊基础

为此，本文提出一种基于鱼雷锚施工的海洋组合式锚泊基础，包括可组成整体呈对称状态的上下两部分结构；上下两部分结构均由两个套筒与七个翼板组成，两个套筒之间由一块翼板焊接相连，每个套筒外围另外还均匀设置有三块翼板；所述上下两部分结构沿竖向的投影形状完全相同；上下两部分结构一侧的相邻翼板上各设置一个相互位置较近的预留孔，用钢索绑定两个预留孔使上下两部分结构相互连接；上部结构离预留孔较远的另一侧翼板的下部设置一个系泊孔，锚链与系泊孔相连，如图1～图8所示。

图1 所提锚泊基础俯视图

图2 所提锚泊基础主视图

图3 所提锚泊基础侧视图

图4 所提锚泊基础三维示意图

图5 所提锚泊基础上部分结构三维示意图1

图6 所提锚泊基础上部分结构的三维示意图2

图7 所提锚泊基础下部结构的三维示意图1

图8 所提锚泊基础下部结构的三维示意图2

上下两部分结构均由两个套筒与七个翼板组成，两个套筒之间由一块翼板焊接相连，每个套筒外围还均匀设置有三块翼板，如图5～图8所示。可见，每个套筒外围均匀的分布有四块翼板，其中一块翼板为两个套筒之间共用。

上部结构套筒的内径与外径分别等于下部结构套筒的内径与外径。施工时上下两部分结构需进行组合，组合后上部结构两个套筒的中心轴线分别与下部结构两个套筒的中心轴线重合。上下两部分结构沿竖向的投影形状完全相同，投影形状如图1所示。

3 锚泊基础施工方法

所提锚泊基础使用鱼雷锚进行施工；鱼雷锚包括锚身，锚身内部中空，锚身的下端设置锥形状的锚头，锚身的上端设有端头，端头的外径大于锚身的外径，端头的内部设置吊杆；锚身的外径小于套筒的内径，端头的外径大于套筒的外径。鱼雷锚如图9与图10所示。

图9 施工用的鱼雷锚三维结构示意图

图10 施工用的鱼雷锚剖面图

锚身的内部中空，中空处装入填充物，填充物可选用高密度的材料如混凝土、废金属等，用以增加鱼雷锚自重和降低鱼雷锚重心，维持鱼雷锚贯入海床过程中的稳定性与铅垂度。

所提锚泊基础的施工过程如下。

①用钢索绑定上下两部分结构的两个预留孔使上下两部分结构相互连接，调整上下两部分结构的姿态使上部结构两个套筒的中心轴线分别与下部结构两个套筒的中心轴线重合，如图4所示。

把两个无尾翼鱼雷锚的锚身穿越、套入上下两部分结构的两个套筒中，如图11所示。

图11 所提锚泊基础施工时组装示意图

锚身的下端向下延伸至超过锚泊基础下部结构的套筒下端。把施工用的钢索绑定在各无尾翼鱼雷锚上端的吊杆上，并把锚链的一端连接在锚泊基础上的系泊孔上，使用后续可解脱的辅助措施使各锚身与锚泊基础紧密相连，确保起吊锚身时锚泊基础不会脱落。基于两根施工绳索平稳的起吊锚泊基础使整体垂直悬吊于海床上方，如图12所示。

图12 施工时起吊锚泊基础位于海床上方示意图

②下放锚链一定的长度使其处于松弛状态且对锚泊基础的快速下沉影响降到最低，然后同步释放各施工绳索，使锚泊基础在鱼雷锚自重作用下快速下沉并贯入海床，如图13所示。

图13 基于鱼雷锚贯入海床的示意图

所提锚泊基础基于两个无翼鱼雷锚施工贯入海床，鱼雷锚较大的自重能把锚泊基础贯入至较深的海床中，安装便捷，施工时间短，非常适合海上的施工环境。

③同步向上张拉施工绳索，张拉过程中使后续可解脱的辅助措施失效与破坏，使锚身与套筒逐步分离，最终把各锚身拉起、移除。锚身移除后锚泊基础的姿态如图14所示，施工结束。后续在锚链拉力作用下，锚泊基础发生相应偏转与位移，图15给出了锚泊基础的可能工作状态示意图。

图14 鱼雷锚移除后锚泊基础姿态示意图

图15 所提锚泊基础工作状态图

为了方便锚身与套筒的分离，可在锚身表面涂抹润滑剂。上下两部分结构由位于共同一侧的预留孔用钢索柔性相连，钢索仅能传递拉力。基于下部结构的牵制与约束，上部结构在锚链拉力的作用下将发生偏转，偏转后其翼板沿锚链拉力方向能兜住一定的海床土体。而下部结构在上部结构传递过来的拉力作用下，也将发生一定的偏转，偏转后其翼板沿锚链拉力方向也能兜住一定的海床土体。上部结构与下部结构的变形与变位互不相同，相互牵制与约束，各自在锚链拉力作用下形成较为复杂的姿态，使锚泊基础整体与海床土体的接触较为复杂，增大了锚泊基础与海床土体的摩擦力，提高了抗拔承载力。

与现有技术相比，所提锚泊基础的优点为：

①锚泊基础基于两个无翼鱼雷锚施工贯入海床，鱼雷锚较大的自重能把锚泊基础贯入至较深的海床中，安装便捷，施工时间短，非常适合海上的施工环境；

②锚泊基础贯入海床后，在锚链拉力作用下上下两部分结构发生相互旋转与牵制，使锚泊基础整体与海床土体的接触较为复杂，部分翼板能兜住一定的海床土体，增大了锚泊基础与海床土体的摩擦力，从而提高了抗拔承载力；

③锚泊基础由钢板、套筒焊接而成，组合后整体呈对称状态，结构简单，制作方便，造价较低。

4 结语

提出了一种基于鱼雷锚施工的海洋组合式锚泊基础，包括可组成整体呈对称状态的上下两部分结构；上下两部分结构均由两个套筒与七个翼板组成，两个套筒之间由一块连接翼板相连，每个套筒外围还设置有三块翼板；上下两部分结构沿竖向的投影形状完全重合；上部分结构离预留孔较远的另一侧翼板的下部设置一个系泊孔，锚链与系泊孔相连。所提锚泊基础基于两个无翼鱼雷锚施工贯入海床，安装便捷，施工时间短；锚泊基础贯入海床后，在锚链拉力作用下上下两部分结构发生相互旋转与牵制，部分翼板能兜住一定的海床土体，提高了抗拔承载力。