重力錨在“世越號”打撈中的應用

楊 鵬 陳世海 蔣 巖 王偉平

重力錨在“世越號”打撈中的應用

楊 鵬 陳世海 蔣 巖 王偉平

2017年3月22日，沉沒1 077天的“世越號”在上海打撈局590天的緊張施工下緩緩浮出水面，一時舉世矚目。以側臥的姿態從44米深水中整體打撈重達萬噸的沉船被稱為世界打撈史上的奇跡。由于“世越號”打撈現場海底泥質堅硬，普通的抓力錨很難提供上百噸的錨抓力，因此根據實際海底地質情況和理論計算，我們設計了鋼筋混凝土重力錨，在實際施工過程中該重力錨提供了200噸以上的錨抓力，為“世越號”打撈的順利推進提供了很好的助力。

重力錨；碎石海底；“世越號”；打撈

一、概述

2014年4月16日，韓國載有476人的“世越號”客輪在全羅南道珍島郡海域發生浸水事故后沉沒。該事故造成295人死亡，142人受傷，9人下落不明?！笆涝教枴贝L145米，寬22米，沉船重量約8 000噸。

為尋找遇難者遺骸并調查客輪沉沒原因，2015年4月22日，韓國政府決定打撈“世越號”。通過激烈的國際競標，上海打撈局和韓國海洋工程公司在全球25家頂級打撈公司組成的7個聯合體競標中憑借鋼梁托底這一人性化設計方案脫穎而出。根據設計方案穿引首部的18根鋼梁需要通過浮吊船將船首吊起10米左右，為保證船首起吊過程中的穩定性，使難船在吊起的過程中不被流吹動，根據設計方案，船首兩側遠端各設置了一個能夠提供200噸拉力的系固點。在正式施工之前，我們對安放重力錨區域的地基進行了巖土勘察，根據巖土勘察結論，重力錨區域海底表層1.9~2.3米的厚度為直徑20～50毫米的碎石和沙土；第二層為礫質黏性土和沙質黏性土，若以此層作為基礎持力層，在這種底質的海底，普通的抓力錨很難提供大抓力。為此，需要設計一個能夠在這種沙石地質海底提供200噸以上抓力的錨。根據實際情況，項目組決定采用設計建造重力錨形式的錨定塊來固定船首。在重力錨建造完畢之后、使用之前還須進行拉力試驗以確保其滿足要求。吊船首重力錨安裝布置圖如圖1所示。

二、受力分析

根據海底地質勘探報告，我們采用現場施工主作業船舶“大力號”的150噸蛤式抓斗在海底抓取深坑。為了盡量獲得大的錨抓力，坑越深越好。抓坑時，海底表層2米內的泥沙可以輕松挖出，2米以下的泥質是一種堅硬的礫泥層，抓斗的抓齒無法嵌入海底泥層抓出深坑。因此，根據現實情況，重力錨的有效埋入深度最大取為2米。根據現行的錨碇設計準則[1]：錨碇在載荷作用下不發生沉降、滑移和轉動。根據反復的設計和優化，重力錨的最終方案如圖2所示。

重力錨在海底的受力情況如圖3所示。計算主要考慮重力錨受到的主動土壓力Ea、被動土壓力Ep、摩擦力f、重力G以及外部拉力T。

根據庫侖土壓力理論[2]，主動土壓力的最大值計算公式為

圖1 吊船首重力錨安裝布置圖

圖2 重力錨設計圖

圖3 重力錨受力分析

其中，Ka為庫侖主動土壓力系數，其計算公式如下：

被動土壓力的計算公式為

其中，Kp為庫侖被動土壓力系數，其計算公式如下：上述兩式中：γ為土的重度，取10.7 kN/m3；H為錨埋入土中的高度，計算主動土壓力時取2 m，計算被動土壓力時取3 m；ε為錨被動面與豎直面的夾角，取30°；ψ為內摩擦角，取25°；δ為外摩擦角，取 13°；β為土坡角度，取0°。

錨抓力計算：錨能提供的錨抓力F為

F=PpH-Pa+f

其中：PpH= Eplcos（ε-δ）；Pa=Eal；f=μ[G+Epl sin（ε-δ）]

計算出F=1 181 kN，即單個重力錨能夠提供120 t錨抓力。由于回復力矩明顯大于翻轉力矩，經過校核重力錨不會在拖動中翻轉。

三、拉力試驗

在理論計算結束后，為了檢驗重力錨的性能，在“世越號”打撈現場進行了重力錨拉力試驗。重力錨安裝之前需在布放重力錨的區域除去海底表層2米左右的碎石和沙土，之后將重力錨放入坑中。使用“大力號”的大抓斗，在海底重力錨布放的區域內抓出2米左右深的一片區域作為重力錨試驗區。將重力錨與多功能浮吊船“聚力號”錨絞車連接。重力錨布放到設計的坑中以后，“聚力號”開動兩個主推進器加車。圖4為重力錨拖拉試驗圖。

圖4 重力錨拖拉試驗

兩個主推進器逐漸加車至錨鋼絲拉力70噸，然后增加兩個伸縮槳推力至60%，使最大拉力增至93噸。整個過程中，重力錨沒有產生任何位移。之后“聚力號”繼續加車至90%，使總拉力增大到150噸，重力錨發生4～5米滑動。繼續增加拉力至171噸時，重力錨又發生5米位移。之后繼續增大拉力至215噸并保持半小時，重力錨沒有明顯位移。重力錨在運動了11米后，在拉力增大到215噸時穩定下來，據此可以認為重力錨在坑內初始位置可承受不小于150噸的拉力，穩定后可承受不小于215噸的拉力。圖5為通過MS1 000聲吶掃測的海底重力錨試驗前后位置比較情況。

圖5 試驗前（左）后（右）水泥塊位置比較

通過試驗可知，重力錨在受力150噸時，錨出現走錨滑動，此時受力大于實際設計的120噸。在走錨11米之后，重力錨能夠提供215噸以上的錨抓力，說明該重力錨在設計區域的錨抓力大于設計值，設計方案是成功的。

為了保持一定的安全系數，重力錨在實際使用時采用如圖6所示的雙錨并聯的方式，確保在“世越號”吊船頭過程中重力錨能夠提供200噸以上的錨抓力，從而確保項目的施工安全和順利進行。

圖6 重力錨并聯形式

四、總結

鋼筋混凝土式的重力錨制作方便，安全可靠，其提供的錨抓力可以隨著挖坑深度的增加而提高，在海洋工程施工中能夠起到很大的作用。本次“世越號”打撈工程中，重力錨除了在吊船首過程中為穩定抬起的船首提供較大抓力外，在最后難船起浮過程中，其作為抬浮駁的錨固點也起到了非常關鍵的作用。根據海洋工程設計手冊[3]的建議，對于這種堅硬的凍脹礫泥層，當傳統蛤式抓頭無法抓取時，可對抓斗進行改進：一是改進抓斗閉合繩對于抓齒有效重量減少的影響，安裝閉合油缸系統；二是在抓斗上增加重型振動器，從而助力抓齒插入泥中。 通過本次打撈工程中的有效應用，檢驗了埋入式重力錨的有效性和可靠性。

[1]周夢波.懸索橋手冊[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]陳國興,樊良本,陳甦.土質學與土力學[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[3]陳剛.海洋工程設計手冊:海上施工分冊[M].上海:上海交通大學出版社,2013.

10.16176/j.cnki.21-1284.2017.09.002

楊鵬（1987—），男，交通運輸部上海打撈局技術開發中心，工程師，碩士。

陳世海（1972—），男，交通運輸部上海打撈局技術開發中心，總經理，高級工程師，碩士。

蔣巖（1962—），男，交通運輸部上海打撈局副局長，“世越號”打撈工程項目經理，碩士，正高。

王偉平（1960—），男，交通運輸部上海打撈局工程船隊書記，“世越號”打撈工程施工總監，高級工程師，碩士。