港珠澳大桥钢圆筒振沉施工船舶驻位工艺

张铁军，刘昊槟，杨润来

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

港珠澳大桥主体工程岛隧工程位于珠江口伶仃洋中心区域，共有东、西两座人工岛，每座人工岛两端分别与沉管隧道、桥梁相连接。人工岛平面形状为椭圆形，长度均为625 m。为保证东、西人工岛快速成岛，采用了抛石斜坡堤和临时钢圆筒围堰相结合的岛壁结构。本文以西人工岛施工为例，介绍钢圆筒振沉施工船舶驻位工艺。

1 工程概况

西人工岛主格采用钢圆筒结构形式，钢圆筒沿人工岛岸壁前沿环线布置。为尽快具备与沉管对接条件，设置分隔围堰，将西人工岛分为西小岛和西大岛。西小岛圆筒个数为17个（含4个分隔围堰），西大岛圆筒个数为44个，总数为61个。西人工岛的基槽泥面标高为-16m，圆筒布置如图1所示[1-2]。

工程区域位于亚热带季风区，其盛行风向的季节变化明显。根据香港气象站历史测风资料统计，该区域年盛行风向以东南偏东和东风为主。

本区潮汐类型属于不规则的半日潮混合潮型。从实测潮位过程曲线分析，不等现象明显，其中大潮期间日潮现象较明显，小潮期间半日潮现象显著，中潮介于两者之间。

伶仃洋内潮流基本为沿槽线走向的周期性往复流，内伶汀岛以内流向以NNW—SSE向为主，内伶汀岛以外流向转为S—N向。潮流动力东部水域较强，西部水域较弱，落潮流速一般都大于涨潮流速。

2 主要施工船舶

钢圆筒由振华重工在上海制造[3]，振沉主要采用起重船、定位驳、运输船、拖轮及起锚艇等施工船舶。起重船采用1 600 t双钩固定扒杆起重船；定位驳采用8 000 t平板方驳（6台锚机）；运输船采用7万t及9万t远洋运输船。主要船舶设备配备如表1所示。

表1 圆筒振沉施工主要船机汇总表Table1 Summary ofmain shipmachine for cylinder vibration sinking

3 船舶驻位工艺

3.1 运输船

3.1.1 驻位位置选择

港珠澳大桥西人工岛东侧紧邻临时航道，东侧沉管隧道基槽正在进行挖泥施工，运输船驻位不得干扰沉管基槽的挖泥施工和临时航道的船舶通行。据此，选取距西人工岛东偏南方向约300m处280 m×80 m×（-8.5m）水域作为运输船驻船位置，该区域既利于起重船在动锚最少的情况下振沉所有钢圆筒，同时运输船也不影响临时航道上其他船舶通行。

由于运输船吃水较深，船长较长，阻水面积大，所以运输船驻位角度要考虑潮流方向，选择顺流驻位。

3.1.2 运输船驻位系泊系统及系泊方式

运输船船长约240 m，锚系相对较弱，不满足起重船吊振动锤取筒时的定位精度要求。如果采用海上打桩时运桩驳的驻位模式，运输船则有多个驻位位置，不能满足运输船顺流驻位的要求。所以选择在人工岛以外的固定区域设置锚碇系统供运输船系挂缆绳使用，既可满足船舶稳定性的要求，又能满足运输船需顺流驻位的要求。

具体方法为在运输船的驻位区域设置4个“锚碇”系统，每个“锚碇”系统由混凝土沉块+锚链+浮筒组成，与船体纵向轴线成45°夹角，混凝土沉块长4.5 m，宽4 m，高4 m；锚链采用φ100mm二级有挡锚链，长度55 m；浮筒直径4 m，高度2 m。浮筒通过φ100 mm二级有挡锚链及混凝土沉块系固在海底，每个浮筒上挂6根φ104mm尼龙缆绳。按浮筒布置位置，船舶吃水6.5 m，水深10.0 m，浮筒上的缆绳长约52.0 m，浮筒下锚链长度55 m，缆绳及锚链、连接件等总长110m。

3.1.3 系泊系统受力情况分析

钢圆筒运输船驻位后，主要受风力和水流力的影响。根据钢圆筒和运输船受风面积及运输船阻水面积可以计算风力及水流力的大小，从而核算系泊系统的可靠性。计算时，取最不利作业工况进行核算，该工况为8级横风作用，波浪力取风力的60%，计算结果如下。

1）锚链及缆绳受力

8级横风时（风速20.7 m/s），风作用力为2 590 kN，波浪力为风力的60%，风浪联合作用力4 144 kN。

锚链及缆绳与运输船纵向轴线平均成45°夹角，计算得单个浮筒上受到的水平合力约2 930 kN，取不均匀系数1.2，每个浮筒锚链-缆绳所受的水平力约3 520 kN。

浮筒下锚链所受拉力在3 500 kN左右，考虑一定的安全系数，如采用φ100 mm的二级有挡锚链，其试验拉力为3 530 kN，破断拉力为4 540 kN，满足要求。

运输船上缆绳为φ104mm的丙纶长丝绳，标称破断负荷为1 050 kN；实际破断负荷为1 262.7 kN，每个浮筒上带6根缆绳即能满足要求。

2）混凝土沉块抗拔力及外形尺寸

取沉块埋入位置距船的距离约106 m，可计算得沉块所受的垂向力约850 kN。要求沉块在水中重量应大于85 t。沉块采用钢筋混凝土方块，取比重2.3 t/m3（空气中），水中比重1.3 t/m3，可计算得钢筋混凝土沉块的体积约为72m3。取混凝土沉块为正方形，则其尺度约为：长4.5m，宽4m，高4m。

对于缆绳-浮筒-锚链-沉块系统，沉块的作用相当于锚，如沉块放在泥面上，沉块所受的水平力，将由混凝土块与泥面间的摩擦力来平衡，这要求混凝土沉块很大。为此，混凝土块需埋入泥面下，以具有足够的垂向抗拔力确保沉块不被拔出。当锚链受力时，由埋入沉块与周围土间的摩擦力及被动土压力、主动土压力来平衡受到的水平力。

经计算，沉块埋入深度不小于5.0m，即沉块的底部距泥面不小于5.0 m。

3.2 起重船与定位驳

定位驳需要具备独自定位的能力，且应具有很好的稳性。根据工程实际需要，选用船型的吃水、长宽及锚系力与打桩船、起重船相似的振驳28号。该船船宽28 m，船长82 m，吃水5.2 m，配电动锚机6台，船体4个角每个角1台35 t锚机，配8 t海军锚1只，锚绳长650m，另沿船轴线艏处设50 t锚机1台，配12 t海军锚，艉处还设有1台35 t锚机，配8 t海军锚。6台锚机可以大大提高钢圆筒的定位效率，锚缆长度也可满足1次下锚振沉1船次钢圆筒的要求。

1 600 t起重船船宽37 m，船长98 m。钢圆筒与振动锤总重量最大约为1 100 t，该吊重下起重船舷外跨距为62m，可吊筒越过定位驳进行定位及振沉。为减少下锚次数，便于起重船在运输船与待沉筒位之间移动，起重船的缆绳长度加长至900 m。移船取筒时，起重船左右两舷各靠泊1艘全回转拖轮，协助起重船远距离移船取筒。

钢圆筒共分8船次运输，第1个钢圆筒由定位驳运至施工现场，第2～8船由振华16号、振华17号交替运输至施工现场。第2～8船驻位在西人工岛东南方向，距西人工岛东端点约300 m位置，顺流驻位，每船驻位位置相同。定位驳驻位在起重船与待振沉钢圆筒之间，起重船在运输船船舷系挂2根交叉牵牛缆，便于移船至运输船起吊钢圆筒。驻位顺序为：运输船与定位驳同时驻位，起重船最后驻位。

起重船与定位驳每振沉1船次钢圆筒调整1次锚位，运输船驻位位置只有1个，每次驻位位置相同。

4 结语

港珠澳大桥举世瞩目，首次采用超大体量钢圆筒作为人工岛围护结构，钢圆筒直径大、高度高、重量大，需采用大型起重及运输船舶进行施工。针对有限的施工水域设计的船舶系泊驻位工艺，大大提高了钢圆筒振沉施工效率，减小了作业强度，提高了船机使用效率，创造了“一日三筒”的施工记录，并实现了“当年动工，当年成岛”的目标。本工程总结出的大型远洋运输船、大吨位起重船及定位船的驻位系泊工艺，对类似工程具有参考价值。

[1]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计：西人工岛钢圆筒结构图[R].2011.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:Construction drawing of steel cylinder for west island[R].2011.

[2]中交公路规划设计院有限公司.港珠澳大桥主体工程岛隧工程施工图设计：西人工岛岛体结构[R].2011.CCCC Highway Consultants Co.,Ltd.Construction drawing of island and tunnelprojectofHongkong-Zhuhai-Macao Bridgemain project:Structureofwest island[R].2011.

[3] 李森，余良辉，周力伟.港珠澳大桥岛隧工程钢圆筒制造技术[J].中国港湾建设，2012（4）：78-80.LISen,YU Liang-hui,ZHOU Li-wei.Manufacturing technology for steelcylinders for island-tunnelproject for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[J].China Harbour Engineering,2012(4):78-80.