出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 汪澤，清華大學(xué)機(jī)械工程系博士研究生
說(shuō)起去年10月通車(chē)的港珠澳大橋，想必大家已不陌生，它的沉管隧道從預(yù)制到安裝攻克了許多難關(guān)創(chuàng)造了不少驕人的成績(jī)。而在港珠澳大橋所在的粵港澳大灣區(qū)，現(xiàn)在有另一項(xiàng)超級(jí)工程正在如火如荼地展開(kāi)，這就是深中通道。
和港珠澳大橋類(lèi)似，深中通道的建設(shè)同樣采用海底沉管隧道的方式，在今年端午節(jié)前后，深中通道的沉管預(yù)制工作已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)，年底首個(gè)管節(jié)將浮運(yùn)安裝，要把這些預(yù)制好的管節(jié)從工廠運(yùn)送到建設(shè)深中通道的位置并安裝，離不開(kāi)一項(xiàng)大型裝備——沉管浮運(yùn)安裝一體船。
這艘船究竟什么樣？它是如何工作的？深中通道和港珠澳大橋在沉管隧道的建設(shè)上有何不同？我們一一道來(lái)。
（一）為什么要修深中通道？
要回答這個(gè)問(wèn)題，我們可以在下面的地圖中尋找答案：
大灣區(qū)中的11個(gè)城市分布在珠江口的東西兩側(cè)，除了開(kāi)通不久的港珠澳大橋之外，連接兩岸的另一關(guān)鍵交通要道是虎門(mén)大橋。
從惠州、深圳和粵東地區(qū)等地過(guò)來(lái)的車(chē)輛，想要到南沙、珠海和中山去，必須要走虎門(mén)大橋。深圳市和中山市之間的直線距離僅20多公里，而繞道虎門(mén)大橋卻要走100多公里。除了帶來(lái)額外的通勤成本之外，嚴(yán)重的交通擁堵也讓連接廣東省東西兩翼的虎門(mén)大橋苦不堪言。
顯然，解決這個(gè)問(wèn)題的有效辦法就是在中山和深圳之間建立一條新的城市快車(chē)道——深中通道。
為了保證繁忙的珠江口的大型貨輪的航運(yùn)需求，深中通道選擇和港珠澳大橋相同的海底沉管隧道的方式。有了港珠澳大橋的建造經(jīng)驗(yàn)，修建距離更短的深中通道豈不是手到擒來(lái)？可實(shí)際情況卻并沒(méi)有這么樂(lè)觀，要想順利完成建造，少不了一艘新型的沉管浮運(yùn)安裝一體船的幫助。
（二）世界首創(chuàng)的沉管浮運(yùn)安裝船
所謂沉管，就是由鋼板或鋼筋混凝土澆筑而成的管道，將一節(jié)節(jié)沉管沉入海底并連接在一起就成了海底沉管隧道。
為了節(jié)約運(yùn)輸成本，通常會(huì)選擇距離施工地不遠(yuǎn)的工廠進(jìn)行沉管預(yù)制，每一節(jié)沉管造好后，將其兩端用臨時(shí)封墻密封后滑移下水，使其浮在水中，再由拖船拖運(yùn)到隧道設(shè)計(jì)位置，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為浮運(yùn)。
該過(guò)程需要有8到12艘總功率超過(guò)5萬(wàn)匹的大馬力拖輪編隊(duì)，用頂推、側(cè)拉的方式協(xié)同作業(yè)，帶著沉管前行。長(zhǎng)達(dá)數(shù)十個(gè)小時(shí)的浮運(yùn)和安裝過(guò)程中，風(fēng)、浪、流、能見(jiàn)度都要精確控制才能保證最終的安裝效果。
?。ǜ壑榘拇髽蛩淼莱凉芄芄?jié)預(yù)制）
考慮到航空、航道、防洪等建設(shè)條件限制，深中通道所用沉管管節(jié)的預(yù)制，選擇了同港珠澳大橋一樣的牛頭島預(yù)制工廠，并對(duì)它進(jìn)行了改造升級(jí)。不過(guò)問(wèn)題是牛頭島位于珠海海域，距離深中通道的施工地點(diǎn)有50多公里的路程，是港珠澳大橋的三倍多。
?。ㄎ挥谂ｎ^島的沉管預(yù)制廠）
由若干拖船組成的編隊(duì)將浮管進(jìn)行拖運(yùn)再由專(zhuān)門(mén)的安裝船進(jìn)行安裝不僅增加了運(yùn)輸成本而且也加大了浮運(yùn)安裝操作的難度。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，施工方?jīng)Q定花費(fèi)5億元打造世界上第一艘沉管浮運(yùn)安裝一體船——“一航津安1”。
?。ó?dāng)初，港珠澳大橋沉管隧道最后一段管節(jié)的安裝由多艘船只組成的編隊(duì)完成）
浮運(yùn)安裝船舶是海底隧道建設(shè)必不可少的核心裝備，相較于港珠澳大橋采用的分體式浮運(yùn)安裝船組，“一航津安1”理論上實(shí)現(xiàn)了不依靠輔助船舶、可連續(xù)完成沉管的出塢、浮運(yùn)及定位安裝等施工作業(yè)，且施工效率較兩艘安裝船提升一倍。
另外，該船可滿足目前國(guó)內(nèi)所有尺寸沉管的浮運(yùn)安裝，且預(yù)留了功能升級(jí)空間。
同時(shí)，該船在設(shè)計(jì)、建造及施工管理系統(tǒng)方面均實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了外海沉管機(jī)械化、自動(dòng)化浮運(yùn)安裝作業(yè)。
（三）機(jī)艙放置是個(gè)大難題
沉管浮運(yùn)安裝一體船主要用于水下隧道工程的沉管運(yùn)輸和安裝作業(yè)，具有帶沉管出塢，帶沉管浮運(yùn)到施工水域進(jìn)行沉放及安裝作業(yè)的功能，一艘船就起到了多艘大馬力拖船、沉管安裝船的作用，其對(duì)于深中通道的成功修建具有決定性的關(guān)鍵作用。
?。ǔ凉芨∵\(yùn)安裝一體船示意圖）
該船全船總長(zhǎng)190.4米，型寬75米，型深14.7米，排水量超過(guò)一萬(wàn)噸，為全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，船體采用雙體船船型設(shè)計(jì)，兩側(cè)片體由四個(gè)箱型跨梁結(jié)構(gòu)連接而成，兩側(cè)片體的中間區(qū)域可以用來(lái)放置需要進(jìn)行浮運(yùn)的沉管管節(jié)，采用雙體船的船型，能夠有效保證沉管在浮運(yùn)和安裝過(guò)程中的穩(wěn)定性。
?。p體船進(jìn)行沉管浮運(yùn)安裝示意圖）
不過(guò)這樣的大家伙的中間部分要預(yù)留46米寬用來(lái)安放沉管，這樣的結(jié)構(gòu)意味著可以用來(lái)布置機(jī)艙的空間會(huì)十分狹窄，這是該船在制造過(guò)程中遇到的最大難題。
為了保證船只具有充足的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)沉管的浮運(yùn)，需要在雙體船的每一側(cè)各安裝一套功率為9280千瓦的主推系統(tǒng)，使其具有自航能力，并在深水航道浮運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)沉管的情況下航速不低于5節(jié)。
為了保證浮運(yùn)及安裝過(guò)程的平穩(wěn)性，同時(shí)增加船只運(yùn)動(dòng)的自由度，該船還配備了8臺(tái)大功率的側(cè)推，和DP1級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，能夠在浮運(yùn)沉管工況下抵抗1.6節(jié)的橫流。
該船還具備航跡追蹤及自動(dòng)糾偏功能，循跡寬度可控制在85米以內(nèi)，有效保證了浮運(yùn)及安裝過(guò)程的可靠性。
（四）沉管浮運(yùn)安裝一體船是如何工作的？
從沉管管節(jié)在預(yù)制工廠完成制造到安裝完畢主要經(jīng)過(guò)管節(jié)出塢、浮運(yùn)、沉放及定位安裝幾個(gè)過(guò)程，這些過(guò)程均可由浮運(yùn)安裝一體化船完成。
（沉管安裝過(guò)程示意圖）
首先，沉管管節(jié)先后在預(yù)制工廠的淺塢區(qū)和深塢區(qū)進(jìn)行兩次舾裝，舾裝的過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將相關(guān)的管線、電子設(shè)備及保護(hù)裝置安裝在沉管管節(jié)上。
完成第二次舾裝后，一體化船將在深塢區(qū)跨騎在管節(jié)上方，通過(guò)甲板上的6臺(tái)絞車(chē)將沉管提升，并向船中注入壓載水，使得船體吃水增加，這樣管節(jié)和船體在提升系統(tǒng)的拉力和壓載水的雙重作用下成為一個(gè)牢固的整體。然后，通過(guò)深塢區(qū)和船上的絞車(chē)，在潮汛的窗口期絞移安裝船并帶動(dòng)沉管出塢。
沉管出塢后需浮運(yùn)到指定安裝地點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)拖船編隊(duì)的浮運(yùn)方式，“一航津安1”更加節(jié)約船只運(yùn)營(yíng)成本，并且，由于沉管和船只之間的相對(duì)位置固定，更易于控制沉管沿著預(yù)定的航道浮運(yùn)至指定沉放地點(diǎn)。
當(dāng)沉管管節(jié)運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢煤笮柽M(jìn)行沉放操作，一體船上的管節(jié)垂直提升系統(tǒng)控制沉管的下沉速度和下沉深度，水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)沉管下沉過(guò)程的姿態(tài)，8臺(tái)移船絞車(chē)負(fù)責(zé)控制沉管在平面內(nèi)的位置和移動(dòng)速度。
沉放過(guò)程中的圖像及位置信號(hào)由測(cè)控系統(tǒng)獲得，經(jīng)由無(wú)線通訊系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸，使中控系統(tǒng)對(duì)沉放狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，并引導(dǎo)待安裝的沉管接近已經(jīng)完成安裝的沉管，使待安裝的沉管落在事先挖好的溝槽并在碎石基床上實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，與已安裝沉管實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。
完成對(duì)接后，利用沉管頂部的拉合系統(tǒng)將兩個(gè)管節(jié)拉合在一起，并利用排水系統(tǒng)將兩管節(jié)結(jié)合腔內(nèi)部的海水抽出，這樣管節(jié)外部的海水壓力能將兩沉管壓合在一起，實(shí)現(xiàn)初步的壓接和止水。
對(duì)于在水力壓接作用下接合在一起的兩節(jié)沉管，還需要對(duì)其軸線的安裝偏差進(jìn)行測(cè)量，如偏差超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)待安裝管節(jié)的姿態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整。通常會(huì)在兩個(gè)管節(jié)的對(duì)接端設(shè)置頂推（千斤頂）和限位裝置，利用頂推推動(dòng)待安裝管節(jié)的邊墻，改變其姿態(tài)從而實(shí)現(xiàn)糾偏。同時(shí)，一體船上的沉管提升系統(tǒng)對(duì)待安裝管節(jié)施加向上的拉力，減小管壁和碎石基床之間的摩擦，實(shí)現(xiàn)更加精確的位置調(diào)整。
（待安裝管節(jié)糾偏過(guò)程）
管節(jié)安裝對(duì)接完成后，依次解除管節(jié)提升系統(tǒng)、水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)和移船絞車(chē)的纜繩，浮運(yùn)安裝一體船離開(kāi)安裝現(xiàn)場(chǎng)，等待下一次浮運(yùn)安裝。
除了浮運(yùn)和沉放所需要的絞盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)等機(jī)械裝置之外，該船還設(shè)置4層生活區(qū)，能夠?yàn)?8人提供就餐、住宿、辦公和娛樂(lè)等。
6月1日，該船已順利出塢，將按計(jì)劃進(jìn)行管系、電纜及電氣設(shè)備安裝，并開(kāi)展設(shè)備調(diào)試、系泊試驗(yàn)及航行試驗(yàn)等工作，計(jì)劃于今年7月底試航。
不遠(yuǎn)的將來(lái)，它將服務(wù)深中通道項(xiàng)目的沉管運(yùn)輸及安裝作業(yè)，對(duì)工程建設(shè)起到良好的推進(jìn)作用，并將進(jìn)一步提升中國(guó)在沉管隧道市場(chǎng)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力和影響力。
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編輯| 史文慧
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