官山大橋復(fù)雜海域鋼箱梁運(yùn)輸船定位技術(shù)

邱榮軍，徐洲

（中交二航局第一工程有限公司，湖北 武漢 430012）

1 工程概況

官山大橋位于浙江省舟山市岱山縣牛軛島與官山島之間，為主跨580 m雙塔單跨鋼箱梁懸索橋，是國(guó)內(nèi)第一座隧道錨跨海懸索橋（見(jiàn)圖1）。工程地處外海無(wú)遮擋條件，氣象、水文、地質(zhì)條件惡劣，橋梁上部結(jié)構(gòu)施工難度很大。

牛軛至官山水道為南北走向，兩島之間為一深槽，最窄處寬約520 m，最大水深達(dá)94 m，潮汐為不規(guī)則半日潮，島嶼之間“狹道效應(yīng)”明顯，漲落潮流速大，并伴有強(qiáng)烈漩渦。實(shí)測(cè)平均漲急流速為3.8 m/s，平均落急流速為2.55 m/s，均出現(xiàn)于大潮汛期間。橋位區(qū)海底無(wú)覆蓋層，水下地形凹凸不平且呈“U”形，海床坡度陡達(dá)30毅，船舶拋錨定位難度極大。

圖1 官山大橋立面圖Fig.1 Elevation of Guanshan Bridge

舟山地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響頻繁，尤其7—9月居多。處于安裝過(guò)程中的鋼箱梁未連成整體，抗風(fēng)能力較差，受臺(tái)風(fēng)影響大，鋼箱梁的安裝必須避開(kāi)臺(tái)風(fēng)影響。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度安排，鋼箱梁具備安裝條件的時(shí)間為2014年5月初，要求鋼箱梁的安裝必須在7月以前完成，安裝完成后將鋼箱梁通過(guò)臨時(shí)連接拉桿強(qiáng)制連接使之形成“整體”以確保臺(tái)風(fēng)期的安全。

官山大橋鋼箱梁共有49個(gè)吊裝節(jié)段，其中44個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段重為139 t，跨中梁段重為153.7 t，2個(gè)端梁段重130 t，2個(gè)合龍梁段重126 t，每個(gè)梁段為1個(gè)吊裝單元，從跨中向兩端對(duì)稱(chēng)吊裝。

橋梁鋼箱梁吊裝時(shí)運(yùn)輸船的定位精度要求一般都在50 cm以?xún)?nèi)[1]。西堠門(mén)大橋有126個(gè)吊裝梁段，共用172 d完成鋼箱梁的吊裝，其速度是相當(dāng)快的。對(duì)比西堠門(mén)大橋的鋼箱梁吊裝條件，同為跨海懸索橋，但官山大橋更偏向于外海，水流流速更大，“狹道效應(yīng)”更明顯，水下地形更陡峭，造成鋼箱梁運(yùn)輸船定位極其困難。其他工程鋼箱梁運(yùn)輸船可利用水下拋錨定位，船舶動(dòng)力定位，地錨定位，容易滿足鋼箱梁的吊裝條件；盡管其他工程的鋼箱梁吊裝成果和經(jīng)驗(yàn)可以為官山大橋的鋼箱梁吊裝提供參考，但要求在較短的工期內(nèi)完成較大的吊裝作業(yè)量，存在工期和安全風(fēng)險(xiǎn)，必須采取有效的技術(shù)措施，克服鋼箱梁吊裝時(shí)運(yùn)輸船的定位困難問(wèn)題。

2 運(yùn)輸船定位方案

由于傳統(tǒng)的拋錨定位方式在本工程中難以實(shí)施，根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)，參考同類(lèi)型橋梁的鋼箱梁運(yùn)輸船定位方案，對(duì)多個(gè)船舶定位方案進(jìn)行研究和現(xiàn)場(chǎng)演練，比選出最優(yōu)的船舶定位方案。

2.1 運(yùn)輸船動(dòng)力定位

動(dòng)力定位原理：利用船舶自身的動(dòng)力抵消風(fēng)浪流對(duì)其的影響，將船舶的方向和位置穩(wěn)定在一定的方位內(nèi)。在西堠門(mén)大橋鋼箱梁吊裝施工中[2]，充分利用平潮期，運(yùn)輸船根據(jù)地區(qū)潮汐表，在平潮前約30 min提前抵達(dá)箱梁安裝預(yù)定水域附近等待，一旦海面平穩(wěn)，即開(kāi)抵目的地，利用運(yùn)輸船自身或者輔助其他船舶動(dòng)力進(jìn)行定位，無(wú)需拋錨，梁段起吊后運(yùn)輸船可立即撤走，施工速度快，安全風(fēng)險(xiǎn)小。此方案在該大橋鋼箱梁吊裝施工中成功運(yùn)用，運(yùn)梁船可在30耀40 min左右完成定位作業(yè)，纜載吊機(jī)以柔性吊具迅速起吊梁段，可以滿足吊梁需要。

2014年1月7日—8日小潮汛平潮期，采用鋼箱梁運(yùn)輸船進(jìn)行本工程現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力定位試驗(yàn)，該船為800 t甲板駁，雙槳雙舵。先采用運(yùn)輸船自身動(dòng)力定位，再采用拖輪和小動(dòng)力運(yùn)輸船輔助進(jìn)行動(dòng)力定位，試驗(yàn)結(jié)果均不理想，由于橋位處“狹道效應(yīng)”明顯，水深較大，平潮期間海面看似平靜但水下卻有暗流，大型漩渦較多，船舶易旋轉(zhuǎn)和隨暗流整體漂流，定位精度滿足不了施工要求。

2.2 定位船拋錨定位

定位船在水上構(gòu)件吊裝施工中運(yùn)用廣泛，其工作原理是：在構(gòu)件吊裝區(qū)域采用1艘駁船作為定位船，駁船上需至少設(shè)置4臺(tái)錨機(jī)分別位于駁船4個(gè)角點(diǎn)附近位置，與船體連接牢固，每臺(tái)錨機(jī)配備足夠長(zhǎng)度和直徑的鋼絲繩及足夠噸位的錨，可以是金屬錨或混凝土蛙錨，通過(guò)前后交叉拋錨將駁船定位，并且通過(guò)錨機(jī)的收放纜繩來(lái)調(diào)整駁船的位置，吊裝構(gòu)件時(shí)運(yùn)輸船直接靠泊定位船。

當(dāng)海底有軟弱覆蓋層時(shí)，可采用霍爾錨或海軍錨，錨爪可嚙入覆蓋層中較大深度，抓力大[3]。當(dāng)海底無(wú)軟弱覆蓋層時(shí)，可采用混凝土蛙錨，大小可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，自重大，能提供所需錨碇力。

針對(duì)牛軛、官山兩島之間的地質(zhì)及海況條件，為驗(yàn)證駁船拋錨定位是否可行，進(jìn)行了駁船拋錨試驗(yàn)，分別進(jìn)行海軍錨和混凝土蛙錨試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明，由于海底無(wú)覆蓋層，海軍錨受力后會(huì)走錨，錨機(jī)收繩時(shí)會(huì)將錨拖動(dòng)并直接提起，起不到錨的效果；30 t重混凝土蛙錨拋至海底后會(huì)順著陡坡或水流往低處滾動(dòng)或滑動(dòng)，通過(guò)海底地形測(cè)量，發(fā)現(xiàn)很難找到適合投放混凝土蛙錨的平緩或低凹處。

2.3 定位船岸錨定位

定位船岸錨定位的工作原理與拋錨定位原理相似，只是將水下拋錨轉(zhuǎn)移至岸上進(jìn)行錨固，特別適合于水下無(wú)法拋錨或拋錨無(wú)法滿足施工需要的情況，岸錨根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，可提供更大的錨固力。

官山大橋位于牛軛島與官山島最窄處，牛軛島北側(cè)有一小島，具備布置岸錨的條件。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地形實(shí)測(cè)和鋼箱梁吊裝時(shí)定位船的布置，岸錨采用在巖石上鉆孔植筋的方式進(jìn)行錨固（見(jiàn)圖2）。

圖2 岸錨布置示意圖Fig.2 Layout diagram of shore anchor position

駁船僅采用岸錨定位存在弊端，錨纜靠近駁船端和岸錨端很長(zhǎng)一段長(zhǎng)度高于水面，影響施工船舶通行和運(yùn)梁船的靠泊，容易引發(fā)船舶安全事故；而錨纜從岸錨至定位船之間以懸鏈線狀態(tài)懸于水中，較長(zhǎng)的錨纜在水流作用下又會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，影響定位船定位精度。

2.4 定位船岸錨+水下錨定位

通過(guò)對(duì)以上3種船舶定位方案的分析，結(jié)合橋位水文地形條件，官山大橋鋼箱梁運(yùn)輸船采用以“定位船+岸錨+水下錨”相結(jié)合的方式來(lái)進(jìn)行定位（見(jiàn)圖3、圖4）。其工作原理是：在岸錨與定位船之間海底-20 m區(qū)域采用混凝土水下錨與定位船和岸錨之間的錨纜連接，將錨纜沉到海底，相當(dāng)于定位船采用水下錨定位，而水下錨又由岸錨約束而不會(huì)向低洼處滾動(dòng)或滑動(dòng)，錨纜從定位船出去不遠(yuǎn)就進(jìn)入水下，不影響施工船舶通行，運(yùn)輸船定位時(shí)直接靠泊在定位船旁。

圖3 錨位布置示意圖Fig.3 Layout diagram of anchors position

圖4 水下錨結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Layout diagram of underwater anchor structure

在錨艇的輔助下，進(jìn)行水下錨與岸錨的鋼絲繩固定連接。在水下錨上設(shè)置浮標(biāo)以便于其位置的識(shí)別，當(dāng)水下錨拋至指定位置后，錨艇分別牽拉定位船首尾錨纜至水下錨浮標(biāo)處，與岸錨鋼絲繩相連，形成倒八字錨，通過(guò)定位船首尾配置的4臺(tái)錨機(jī)收放錨纜，調(diào)整定位船至指定位置進(jìn)行定位。定位船定位完成后，運(yùn)梁船直接靠泊定位船進(jìn)行定位。

3 錨泊力計(jì)算

3.1 船舶阻力計(jì)算

定位船采用方駁，船長(zhǎng)54.86 m，寬15.24 m，型深3.25 m，滿載吃水2.49 m。運(yùn)梁船為800 t甲板駁，船長(zhǎng)63.4 m，寬12.5 m，型深3.18 m，裝2層4個(gè)梁段，滿載吃水2.2 m。根據(jù)《鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)（橋涵）》的相關(guān)公式計(jì)算漲落潮時(shí)船舶載梁定位的最大水阻力和風(fēng)阻力[4]。

式中：V為水流速度，m/s；f為鐵駁摩擦系數(shù)，取f=0.17；S為船舶浸水面積，m2，S抑L（2T+0.85B）；T為吃水深度；B為船寬；漬為阻力系數(shù)（方頭船取10）；F為船入水部分垂直于水流方向的投影面積，m2；酌為水的重度，取10 kN/m3；g為重力加速度，取9.81 m/s2；

式中：K1為設(shè)計(jì)風(fēng)速頻率換算系數(shù)，取1.0；K2為風(fēng)載體型系數(shù)，取1.3；K3為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.0；K4為地形、地埋條件系數(shù)，取1.0；棕0為基本風(fēng)壓值；F為擋風(fēng)面積，m2；

鋼箱梁吊裝作業(yè)風(fēng)速取7級(jí)風(fēng)以?xún)?nèi)，棕0=0.2 kPa，流速取V=3.0 m/s以?xún)?nèi)，超過(guò)7級(jí)風(fēng)或流速大于3.0 m/s時(shí)不進(jìn)行吊裝作業(yè)。吊裝作業(yè)時(shí)，運(yùn)輸船靠泊定位船，按2艘船舶進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，船舶水阻力R1=90 kN，風(fēng)阻力R2=53 kN。

惡劣天氣和水文條件下鋼箱梁不吊裝，運(yùn)梁船不靠泊定位船，僅對(duì)定位船1艘船舶進(jìn)行計(jì)算，最不利條件取10 a一遇最大風(fēng)速35.07 m/s，棕0=0.77 kPa，取20 a一遇最大流速V=4.25 m/s進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，船舶水阻力R1=100 kN，風(fēng)阻力R2=92 kN。

3.2 錨纜力計(jì)算

錨纜與船舶順流向中軸線夾角越大，則錨纜受力越大。鋼箱梁吊裝期間，考慮以下4種工況：

工況1：吊裝牛軛側(cè)4號(hào)梁段落潮時(shí)，1、4號(hào)錨主要受力；

工況2：吊裝牛軛側(cè)4號(hào)梁段漲潮時(shí)，2、3號(hào)錨主要受力；

工況3：吊裝官山側(cè)45號(hào)梁段落潮時(shí)，1、4號(hào)錨主要受力；

工況4：吊裝官山側(cè)45號(hào)梁段漲潮時(shí)，2、3號(hào)錨主要受力。

船舶及水下錨受力如圖5所示，其中F1耀F4為錨纜力F纜在水平面上的分力，計(jì)算時(shí)考慮水下錨受力后剛剛離開(kāi)海底處于懸浮的臨界狀態(tài)。

圖5 受力示意圖Fig.5 Layout diagram of stress

由于船舶、水下錨、岸錨所處高度不同，分別按照不等高懸點(diǎn)的懸鏈線公式[5]計(jì)算錨纜兩端拉力，懸鏈線示意見(jiàn)圖6。

圖6 懸鏈線示意圖Fig.6 Layout diagram of catenary

其中滓0為錨纜水平應(yīng)力，根據(jù)船舶阻力計(jì)算可求得，船舶至水下錨和岸錨至水下錨的距離L為已知數(shù)，根據(jù)以上公式可以求出錨纜兩端的拉力。通過(guò)計(jì)算，定位船和運(yùn)梁船位于牛軛側(cè)4號(hào)梁段落潮時(shí)為最不利工況，1、4號(hào)錨主要受力，最大受力為G水下錨=150 kN，F(xiàn)岸=152.4 kN，F(xiàn)纜=133.2 kN。

惡劣天氣和水文條件下鋼箱梁不吊裝，僅1艘定位船受風(fēng)、浪、流作用，定位船位于牛軛側(cè)4號(hào)梁段落潮時(shí)，此為最不利工況，1、4號(hào)錨主要受力。

同樣，采用上述公式進(jìn)行計(jì)算，最大受力為G水下錨=202 kN，F(xiàn)岸=205 kN，F(xiàn)纜=179.5 kN。

綜上所述，錨纜受力按205 kN，水下錨重量按202 kN進(jìn)行配置。錨纜采用鋼絲繩[6]，安全系數(shù)取3.5，鋼絲繩選用1 679 MPa準(zhǔn)36 mm纖維芯鋼絲繩，最小破斷拉力為719 kN，滿足受力要求。為避免岸錨至水下錨之間鋼絲繩與岸坡巖石磨擦損壞，靠近岸錨端30 m長(zhǎng)度范圍的鋼絲繩采用準(zhǔn)36 mm錨鏈替代。

水下錨采用2個(gè)8 m3的混凝土蛙錨串聯(lián)，浮標(biāo)采用鋼筋籠填充泡沫制作，浮標(biāo)與水下錨采用準(zhǔn)28 mm鋼絲繩連接。

4 結(jié)語(yǔ)

官山大橋主跨跨徑不大，但技術(shù)程度復(fù)雜、施工難度大，又受特定的氣象、水文、地質(zhì)條件制約，鋼箱梁運(yùn)輸船定位難度極大。通過(guò)對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行研究和現(xiàn)場(chǎng)演練，提出了以“定位船+岸錨+水下錨”的方式來(lái)進(jìn)行鋼箱梁運(yùn)輸船定位，成功地解決了鋼箱梁運(yùn)輸船定位難題，49個(gè)梁段吊裝質(zhì)量及安全均滿足要求。該技術(shù)可為同類(lèi)工程施工提供借鑒和參考。