自航式沉管运输安装一体船及成套施工技术研究与应用

王建，王雪刚

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

深中跨海通道是世界首例双向八车道钢壳混凝土沉管隧道，全长5 035 m，由32 节预制沉管组成，标准管节尺寸为165 m×46 m×10.6 m，重约7.7 万t，沉管浮运吃水10.4 m，最大沉放水深40 m[1-3]。

沉管预制续用港珠澳大桥沉管预制厂，位于珠海桂山岛，管节浮运距离约48 km，如沿用港珠澳大桥沉管浮运方式，因浮运航速低，占用社会航道时间长，对珠江口航运影响大，海事安全管控难度大。此外，临时航道疏浚挖泥量大，抛泥距离远，工程费用极大增加，海洋生态环境易遭破坏。

为解决上述难题，创新性地设计建造一种沉管浮运安装船——自航式沉管运输安装一体船并研发了成套施工技术，利用数字化和信息化手段，集成开发北斗浮运导航系统、高精度安装测量控制系统、精确移位锚泊定位系统、管内无人遥控压载水系统、水下自动搭接拉合系统、数控精细化水力压接系统、轻量化管内精确调位系统、小区域作业窗口精确预报保障系统、沉管结构和姿态实时监测预警系统，实现了沉管快速浮运及沉管毫米级精准安装。

1 自航式沉管运输安装一体船

1.1 船体概况

自航式沉管浮运安装一体船“一航津安1”为世界首创，自带动力、自动北斗定位、自动DP循迹航行、可原地360°旋转掉头，集成沉管出坞、自航浮运、系泊定位和沉放对接功能，可实现沉管毫米级安装，解决超大沉管超长距离浮运安装的世界性难题，经济与社会效益巨大。一体船主船体采用双体船型设计，主要性能参数见表1。

表1 一体船主要参数Table1 Main parameters of integrated vessel

该船拖带8 万吨级标准沉管浮运下深水静水航速可达5 kn，并具备DPS-1 动力定位功能，能够在拖带沉管工况下抵抗1.65 kn 横流，动力定位系统具备航迹追踪及偏移纠偏功能，航迹可保持在85 m 以内[4-5]。

1.2 船体总体布置

一体船两侧船体通过4 个箱型跨梁连接而成，主甲板上设有2 套航行锚设备、8 套牵引绞车系统、6 套沉管定位系统、6 套沉管提升系统和8 套移船系统。主船体上设有2 套主推进系统和1 套DPS-1 动力定位系统以及压载水系统、液位遥测系统和驾控室的施工管理系统等[6]，一体船沉放施工效果图见图1。

图1 一体船沉放施工图Fig.1 Construction drawing for sinking of integrated vessel

1.2.1 牵引绞车系统

8 套392 kN 牵引绞车按需配置导索器和导向滑轮，主要用于系泊、沉管出坞时牵引沉管和其它辅助作业。

1.2.2 沉管定位系统

6 套沉管定位系统，每套包括800 kN 沉管定位绞车、导索器和导向滑轮，主要用于沉管的水平移位和安装下放过程中调整定位。

1.2.3 提升系统

6 套提升系统，每套配有392 kN 沉管提升绞车、导向滑轮和提升滑轮组。提升绞车钢丝绳通过移动式滑轮组与沉管相连，在跨梁上开多组月池，每组月池对应长度不同的沉管，以满足各种规格沉管的提升和下放。

1.2.4 移船系统

8 套移船系统，每套包括1 176 kN 移船绞车、导索器和导向滑轮，满足出坞、移位、沉管安装的要求。

1.2.5 主推进系统

主推进系统为双机双桨，采用2 台9 280 kW推进柴油机通过减速齿轮箱驱动调距桨的方式直推进。

1.2.6 DPS-1 动力定位系统

本船创新采用DP 系统用于船舶循迹航行控制，由1 套DPS-1 自动定位控制系统和1 套带自动艏向控制的手动定位控制系统组成，能够在指定的环境条件下自动保持位置及艏向。DPS-1 动力定位系统主要功能是改变侧向推力的大小和方向，使船舶航迹保持在85 m 以内，同时具备航迹追踪及航迹纠偏功能，偏移量控制在1.8 m 范围内。

1.2.7 压载水系统

系统由压载水舱、压载水泵及阀箱等组成。压载系统配置阀门遥控系统，配合液位遥测系统，通过压载泵以及相关压载舱的遥控液动蝶阀控制排水或注入来完成调节船体平衡[7]。

1.2.8 吃水及液位遥测系统

本船设艏部、舯部、艉部吃水标志点，各压载水舱、淡水舱、燃油舱均设有液位遥测系统，液位遥测所获得的实时数据将传输到设于控制室内控制台上的计算机进行实时监控。

1.2.9 施工管理系统

本船设置沉管安装控制系统，配置了8 台船舶定位绞车、6 台沉管定位绞车、4 套提升系统组成的十八点安装控制系统，具备精度高、响应快、可连锁互动的特点，既能根据作业需求数机协作联动也能选择单机操作，可满足沉管定位精度的要求。

本船在中央控制室设有多个控制平台，其中压载水箱远程控制系统控制台，对沉管施工管理系统、沉管内的压载系统、水下测量系统、视频监控系统进行操作和监控；定位锚绞车控制台对船上移船绞车、水平调节绞车、提升绞车进行操作和控制；沉管安装船压载控制台对沉管安装船压载系统进行操作和控制，根据需要实现预压载和浮水作业功能，在MIMIC 板上实现压载水泵的起停、遥控阀门的开关操作，对压载水舱的液位和船体吃水进行监测，并能根据测量吃水，计算和显示船体的倾斜角度。

2 一体船的应用

沉管浮运安装过程中包括坞内船管连接、船管出坞、船管浮运、船管系泊定位、沉管沉放、沉管对接等主要工序。

2.1 船管连接

沉管在坞内经过舾装后，自航式沉管浮运安装一体船自行进坞并跨骑在沉管上方，通过船上的提升系统和船体自身的压载水系统，使得一体船通过支墩与沉管压接成为一体。

2.2 船管出坞

利用一体船上8 套牵引绞车系统和坞口区岸边上的绞车，选择低流速时的小潮汛窗口期，绞移一体船带动沉管出坞[8]。

2.3 船管浮运

一体船利用2 套自身强大的动力推进系统及DPS-1 动力定位系统，拖带8 万吨级标准沉管浮运时最大深水静水航速可达5 kn，并且能够在拖带沉管工况下抵抗1.65 kn 横流。浮运时可利用运导航系统实时显示管节与航道的相对位置，及时纠偏航迹，确保航迹保持在85 m 以内，按照既定航线进行海上浮运至沉管系泊区。

2.4 系泊、沉放、对接

沉管浮运至系泊区后，分别将安装锚、系泊锚与安装缆、系泊缆相连。然后沉管注水下沉，利用沉管提升系统控制沉管沉降速度和沉降深度，通过沉管定位系统调节沉管姿态，移船系统控制沉管平面位置及移速，使沉管在基床上精确定位并与已安装沉管对接。

3 一体船应用效果

国内外传统技术中，沉管浮运一般采用多艘拖轮拖带方式，沉管沉放安装一般采用沉放驳吊浮沉放方法。本文自主设计建造的自航式沉管浮运安装一体船“一航津安1”具有施工船组一体化、运装功能一体化、船管结构一体化和推进动力一体化特点，提高了沉管运输安装效率及安装精度，减少了航道占用时间及航道切换次数。

深中通道目前采用“一航津安1”已安装完成22 节沉管，沉管安装精度达到毫米级。经测算，较港珠澳大桥采用的沉放驳方法，单节沉管浮运安装效率提升63.2%，节省多艘大型拖轮拖带沉管作业，节省燃油77%，临时航道开挖量由2 894万m3骤减至548 万m3，减少80%以上。“一种自航式水下隧道沉管运载安装一体船”获国际发明专利，并获中国专利金奖，“自航式沉管浮运安装一体船及施工成套技术研发与应用”获中国水运协会科技进步特等奖和中国施工企业管理协会2021 年工程建设十项新技术。

4 一体船创新点

1）研发建造了“功能一体、船管一体、结构一体、动力一体”的沉管浮运安装一体船，攻克了船管连接技术、自动循迹、抗横流能力、船管精确定位等关键技术，解决了沉管长距离浮运安全风险高等技术难题。

2）研发了一体船沉管浮运安装成套施工工艺，实现了沉管快速出坞、安全浮运、精确定位与沉放安装等综合作业于一体，沉管浮运安装效率较传统工艺提升一倍以上，在40 m 水深条件下，安装精度控制在4 cm 以内。

3）研发应用了涵盖沉管测控、绞车操控、船舶压载水控制、沉管压载水控制、管节拉合控制、浮运导航、端封门监测、船舶视频监控、沉管视频监控和气象保障系统十大功能的数字化施工控制系统，提高了控制精度和保障能力，提升了施工管理信息化水平。

4）研发了多缆协同的空间缆系沉管安装缆系统，降低了施工操控难度，提高了安装定位精度，减少了锚碇数量，降低了安装缆剐蹭基槽边坡的风险。

5）将DPS 系统用于一体船循迹航行控制，航迹偏移量控制在1.8 m 范围内，实现了一体船自动航行和定点回转功能，提高了沉管浮运过程中抵抗横流和稳定航行的能力，大幅度减少了临时航道疏浚量。

6）研发了一体船结构安全监测系统，实时动态监测船管姿态和相对运动状态、船体和船管连接结构受力和变形、沉管钢封门应力应变监测等关键安全指标，并实现了关键控制指标自动报警，有效地保障了船舶施工安全。

5 结语

自航式沉管浮运安装一体船的成功研发，满足深中通道工程沉管施工的要求，实现沉管浮运安装的安全、质量、工效达到预期要求，有效提高沉管沉放安装的精度及效率；同时，作为国内外首次采用的装备和技术，填补了国内外沉管超长距离浮运安装领域的一项技术空白，达到国际领先水平，建立了我国在世界沉管隧道施工领域的绝对竞争优势。