基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎(chǔ)

劉金龍，祝磊，姚軍，肖赟 （合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601）

1 引言

魚雷錨是動(dòng)力貫入錨的一種，一般長(zhǎng)約15m，重達(dá)130t。錨自身的形狀類似魚雷，故得名魚雷錨。魚雷錨可分為有尾翼和無尾翼兩種類型，有尾翼的錨身一般有4個(gè)尾鰭。魚雷錨錨身形如圓柱狀，內(nèi)部中空，可以填充高密度的材料如混凝土、廢金屬等來增加自重和降低錨重心而維持其穩(wěn)定性，下端部呈錐形狀，便于貫入海床土體中。

魚雷錨安裝快捷方便，安裝時(shí)不需要借助任何外力，僅需在離海底足夠高的位置將其垂直釋放，使其靠自身重力下落，并在碰撞海底時(shí)，借助高加速度導(dǎo)致的巨大慣性力而貫穿海床至一定深度。通常釋放高度在距海底30m時(shí)能達(dá)到17m/s的最終碰撞速度，貫入深度約為7m，在150m時(shí)能達(dá)到30m/s以上，貫入深度約為20m。

可見，魚雷錨具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可重復(fù)使用、制造成本低、安裝便捷的特點(diǎn)，非常適合海上的施工環(huán)境。若能利用該優(yōu)點(diǎn)，把魚雷錨變成一種施工工具，必將促進(jìn)海洋錨泊基礎(chǔ)施工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。因此，有必要發(fā)展基于魚雷錨貫入施工的新型基礎(chǔ)型式，促進(jìn)海洋工程錨泊基礎(chǔ)的技術(shù)進(jìn)步。

2 新型組合式錨泊基礎(chǔ)

為此，本文提出一種基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎(chǔ)，包括可組成整體呈對(duì)稱狀態(tài)的上下兩部分結(jié)構(gòu)；上下兩部分結(jié)構(gòu)均由兩個(gè)套筒與七個(gè)翼板組成，兩個(gè)套筒之間由一塊翼板焊接相連，每個(gè)套筒外圍另外還均勻設(shè)置有三塊翼板；所述上下兩部分結(jié)構(gòu)沿豎向的投影形狀完全相同；上下兩部分結(jié)構(gòu)一側(cè)的相鄰翼板上各設(shè)置一個(gè)相互位置較近的預(yù)留孔，用鋼索綁定兩個(gè)預(yù)留孔使上下兩部分結(jié)構(gòu)相互連接；上部結(jié)構(gòu)離預(yù)留孔較遠(yuǎn)的另一側(cè)翼板的下部設(shè)置一個(gè)系泊孔，錨鏈與系泊孔相連，如圖1～圖8所示。

圖1 所提錨泊基礎(chǔ)俯視圖

圖2 所提錨泊基礎(chǔ)主視圖

圖3 所提錨泊基礎(chǔ)側(cè)視圖

圖4 所提錨泊基礎(chǔ)三維示意圖

圖5 所提錨泊基礎(chǔ)上部分結(jié)構(gòu)三維示意圖1

圖6 所提錨泊基礎(chǔ)上部分結(jié)構(gòu)的三維示意圖2

圖7 所提錨泊基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的三維示意圖1

圖8 所提錨泊基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的三維示意圖2

上下兩部分結(jié)構(gòu)均由兩個(gè)套筒與七個(gè)翼板組成，兩個(gè)套筒之間由一塊翼板焊接相連，每個(gè)套筒外圍還均勻設(shè)置有三塊翼板，如圖5～圖8所示。可見，每個(gè)套筒外圍均勻的分布有四塊翼板，其中一塊翼板為兩個(gè)套筒之間共用。

上部結(jié)構(gòu)套筒的內(nèi)徑與外徑分別等于下部結(jié)構(gòu)套筒的內(nèi)徑與外徑。施工時(shí)上下兩部分結(jié)構(gòu)需進(jìn)行組合，組合后上部結(jié)構(gòu)兩個(gè)套筒的中心軸線分別與下部結(jié)構(gòu)兩個(gè)套筒的中心軸線重合。上下兩部分結(jié)構(gòu)沿豎向的投影形狀完全相同，投影形狀如圖1所示。

3 錨泊基礎(chǔ)施工方法

所提錨泊基礎(chǔ)使用魚雷錨進(jìn)行施工；魚雷錨包括錨身，錨身內(nèi)部中空，錨身的下端設(shè)置錐形狀的錨頭，錨身的上端設(shè)有端頭，端頭的外徑大于錨身的外徑，端頭的內(nèi)部設(shè)置吊桿；錨身的外徑小于套筒的內(nèi)徑，端頭的外徑大于套筒的外徑。魚雷錨如圖9與圖10所示。

圖9 施工用的魚雷錨三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 施工用的魚雷錨剖面圖

錨身的內(nèi)部中空，中空處裝入填充物，填充物可選用高密度的材料如混凝土、廢金屬等，用以增加魚雷錨自重和降低魚雷錨重心，維持魚雷錨貫入海床過程中的穩(wěn)定性與鉛垂度。

所提錨泊基礎(chǔ)的施工過程如下。

①用鋼索綁定上下兩部分結(jié)構(gòu)的兩個(gè)預(yù)留孔使上下兩部分結(jié)構(gòu)相互連接，調(diào)整上下兩部分結(jié)構(gòu)的姿態(tài)使上部結(jié)構(gòu)兩個(gè)套筒的中心軸線分別與下部結(jié)構(gòu)兩個(gè)套筒的中心軸線重合，如圖4所示。

把兩個(gè)無尾翼魚雷錨的錨身穿越、套入上下兩部分結(jié)構(gòu)的兩個(gè)套筒中，如圖11所示。

圖11 所提錨泊基礎(chǔ)施工時(shí)組裝示意圖

錨身的下端向下延伸至超過錨泊基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的套筒下端。把施工用的鋼索綁定在各無尾翼魚雷錨上端的吊桿上，并把錨鏈的一端連接在錨泊基礎(chǔ)上的系泊孔上，使用后續(xù)可解脫的輔助措施使各錨身與錨泊基礎(chǔ)緊密相連，確保起吊錨身時(shí)錨泊基礎(chǔ)不會(huì)脫落。基于兩根施工繩索平穩(wěn)的起吊錨泊基礎(chǔ)使整體垂直懸吊于海床上方，如圖12所示。

圖12 施工時(shí)起吊錨泊基礎(chǔ)位于海床上方示意圖

②下放錨鏈一定的長(zhǎng)度使其處于松弛狀態(tài)且對(duì)錨泊基礎(chǔ)的快速下沉影響降到最低，然后同步釋放各施工繩索，使錨泊基礎(chǔ)在魚雷錨自重作用下快速下沉并貫入海床，如圖13所示。

圖13 基于魚雷錨貫入海床的示意圖

所提錨泊基礎(chǔ)基于兩個(gè)無翼魚雷錨施工貫入海床，魚雷錨較大的自重能把錨泊基礎(chǔ)貫入至較深的海床中，安裝便捷，施工時(shí)間短，非常適合海上的施工環(huán)境。

③同步向上張拉施工繩索，張拉過程中使后續(xù)可解脫的輔助措施失效與破壞，使錨身與套筒逐步分離，最終把各錨身拉起、移除。錨身移除后錨泊基礎(chǔ)的姿態(tài)如圖14所示，施工結(jié)束。后續(xù)在錨鏈拉力作用下，錨泊基礎(chǔ)發(fā)生相應(yīng)偏轉(zhuǎn)與位移，圖15給出了錨泊基礎(chǔ)的可能工作狀態(tài)示意圖。

圖14 魚雷錨移除后錨泊基礎(chǔ)姿態(tài)示意圖

圖15 所提錨泊基礎(chǔ)工作狀態(tài)圖

為了方便錨身與套筒的分離，可在錨身表面涂抹潤(rùn)滑劑。上下兩部分結(jié)構(gòu)由位于共同一側(cè)的預(yù)留孔用鋼索柔性相連，鋼索僅能傳遞拉力。基于下部結(jié)構(gòu)的牽制與約束，上部結(jié)構(gòu)在錨鏈拉力的作用下將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后其翼板沿錨鏈拉力方向能兜住一定的海床土體。而下部結(jié)構(gòu)在上部結(jié)構(gòu)傳遞過來的拉力作用下，也將發(fā)生一定的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后其翼板沿錨鏈拉力方向也能兜住一定的海床土體。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的變形與變位互不相同，相互牽制與約束，各自在錨鏈拉力作用下形成較為復(fù)雜的姿態(tài)，使錨泊基礎(chǔ)整體與海床土體的接觸較為復(fù)雜，增大了錨泊基礎(chǔ)與海床土體的摩擦力，提高了抗拔承載力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，所提錨泊基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)為：

①錨泊基礎(chǔ)基于兩個(gè)無翼魚雷錨施工貫入海床，魚雷錨較大的自重能把錨泊基礎(chǔ)貫入至較深的海床中，安裝便捷，施工時(shí)間短，非常適合海上的施工環(huán)境；

②錨泊基礎(chǔ)貫入海床后，在錨鏈拉力作用下上下兩部分結(jié)構(gòu)發(fā)生相互旋轉(zhuǎn)與牽制，使錨泊基礎(chǔ)整體與海床土體的接觸較為復(fù)雜，部分翼板能兜住一定的海床土體，增大了錨泊基礎(chǔ)與海床土體的摩擦力，從而提高了抗拔承載力；

③錨泊基礎(chǔ)由鋼板、套筒焊接而成，組合后整體呈對(duì)稱狀態(tài)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，造價(jià)較低。

4 結(jié)語

提出了一種基于魚雷錨施工的海洋組合式錨泊基礎(chǔ)，包括可組成整體呈對(duì)稱狀態(tài)的上下兩部分結(jié)構(gòu)；上下兩部分結(jié)構(gòu)均由兩個(gè)套筒與七個(gè)翼板組成，兩個(gè)套筒之間由一塊連接翼板相連，每個(gè)套筒外圍還設(shè)置有三塊翼板；上下兩部分結(jié)構(gòu)沿豎向的投影形狀完全重合；上部分結(jié)構(gòu)離預(yù)留孔較遠(yuǎn)的另一側(cè)翼板的下部設(shè)置一個(gè)系泊孔，錨鏈與系泊孔相連。所提錨泊基礎(chǔ)基于兩個(gè)無翼魚雷錨施工貫入海床，安裝便捷，施工時(shí)間短；錨泊基礎(chǔ)貫入海床后，在錨鏈拉力作用下上下兩部分結(jié)構(gòu)發(fā)生相互旋轉(zhuǎn)與牽制，部分翼板能兜住一定的海床土體，提高了抗拔承載力。