大国重器海底造“长龙”
——世界首艘沉管运输安装一体船研发投用纪实
(资料图)
6月11日8时，深圳和中山两市在伶仃洋海底“牵手”。
沉管运输安装一体船“一航津安1”号，犹如一只巨大的长方形钢铁夹子，将最后一节沉管和最终接头，牢牢抱在船底。经船上安装的智能系统控制，精准推出最终接头，实现了最后一节沉管与东侧E24管节的精准对接。
自此，世界最长也是最宽的钢壳混凝土沉管隧道——深中通道海底隧道正式合龙。
“一航津安1”号主船体采用双体船船型设计，集沉管浮运、定位、沉放和安装等功能于一体，船长190.4米、船宽75米、型深14.7米。“它是世界上安装能力最大、沉放精度最高、施工作业最高效、性能最先进的海底隧道沉管施工专用船舶。”中交一航局副总工程师李增军说。
为建设深中通道钢壳混凝土沉管隧道，中交一航局研发团队与建设方一起，从2013年启动研发，到2016年取得根本突破，直至2017年完成可行性论证，又历经3年研制，终于设计制造出“一航津安1”号。
设计一体船解决施工难题
深中通道是继港珠澳大桥后又一世界级跨海集群工程。其沉管隧道长5035米，由32节双向8车道钢壳混凝土沉管相接而成，从建设立项开始，就面临一个又一个世界难题。
与港珠澳大桥相比，深中通道沉管隧道面临钢壳结构形式新、尺寸超宽、浮运距离超长等许多新难题，已有装备无法满足施工要求。
为此，中交一航局组建起一支涵盖设计、研究、装备、施工等专家和工程师的专题研发团队。
“深中通道沉管尺寸超宽，我们首先提出，将原本用于港珠澳大桥沉管建设的两艘安装船合并加宽，匹配深中通道沉管的宽度。”李增军说。
然而，由于两船无法自航，合并加宽后的船体，需在左右两侧加拖轮进行拖带。“而已有航道宽度无法满足安装船和拖轮编队的航行需求。”李增军说。
此后，研发团队又提出新造自航式半潜船方案，拖带沉管并完成安装，但这一方案造船周期太长……
合并船体航道不够，新造自航式船又周期太长，研发陷入困境。
2016年，在一次专家讨论会上，研发团队有人提议：干脆给船带上“腿”（即让船自带动力），把两个安装船连成一体。“当时，这个提议让大家眼前一亮，觉得是一个很好的思路，我们细化研究后觉得方案可行。”中交一航局总技术顾问李一勇回忆说。
3个月后，研发团队发布了一体船建设方案。
李一勇向记者描述了一体船的四个“一体”。
船体结构一体，原来用两条船，现在变成一条船；集沉管浮运和沉放安装于一体；动力一体，以前沉管施工，需用八九个拖轮拖着船走，现在把拖轮的动力合为一体，更便于操作也更节能环保；船舶和沉管一体，船、管通过刚性连接，组合为一个整体，就像一条大鲸鱼肚中怀着一条小鲸鱼在水中游动。
“从2013年启动研发以来，4年间，我们几乎把所有可能采取的方案进行了‘摸排’，终于迎来了‘柳暗花明’。”李一勇说。
一体船完成浮运安装首秀
从2017年初开始，研发团队联合上海交大等科研机构，就一体船动力、航行及沉管沉放等关键课题进行了反反复复的研究论证，于2018年7月正式进入建造阶段。
一体船配有2套9280千瓦主推进系统和8台大功率侧推，可满足带着标准沉管在静水、深水中浮运，航速达5节（注：1节为时速1.852公里）的要求。
2019年6月1日，一体船顺利出坞，标志着世界上安装能力最大、沉放精度最高、施工作业最高效、性能最先进的海底隧道沉管施工专用船舶取得重大阶段性成果。该一体船也被正式命名为“一航津安1”号。
在完成多项准备及试验后，2020年6月16日，“一航津安1”号首次建设海底沉管的重要时刻开启。
当天，2万吨的“一航津安1”号“抱着”8万吨重的沉管，在伶仃洋上徐徐启航，它将在海上航行近50公里，经历7次航道转换，到达深中通道安装海域。
中交一航局深中通道项目部常务副总工程师宁进进回忆说，在经过最后一个转向区时，不明原因的横流陡增，“一航津安1”号与航线的倾斜角度持续扩大，极易跨出航道搁浅。当时，宁进进沉着开启了无人驾驶模式。
按照设定航线，“一航津安1”号稳定航行。当天下午6时，“一航津安1”号顺利把首节沉管带到深中通道西人工岛附近240米处。
“一航津安1”号开启全自动稳船功能，牢牢悬停在沉管基床正上方；随着沉管一点点下放，测量塔实时计算沉管三维动态……“100厘米、90厘米……”在拉合系统作用下，E1管节一点点向对接端靠近。
历经34小时的奋战，沉管顺利实现与西人工岛暗埋段对接，“一航津安1”号完成浮运安装首秀。
“这条船同时具备自动定位、抵抗横流、自动循迹、原地旋转等功能。”李一勇说。
相比传统管节浮运安装方式，采用一体船进行沉管施工，可减少浮运航道疏浚量1500万立方米，节省造价数亿元。
8万吨重沉管实现毫米级对接
在30余米深的海底，让8万吨重的沉管实现毫米级对接，难度堪比载人飞船和“天宫”空间站对接。
测量是工程的眼睛，是沉管高精度安装的基础。
首节沉管安装前，“一航津安1”号自动循迹系统曾出现GPS卫星信号突然丢失的情况。
没有卫星信号，在茫茫外海，一体船就像失去了眼睛。
“这更加坚定了团队启用北斗定位系统的决心。”李一勇说。
建设者在“一航津安1”号9层楼高的测量塔上，装置了北斗卫星天线，收集的信号通过接收器传到监控电脑上，电脑里同步加装了根据沉管浮运安装工序自主研发的测控系统。
2020年8月27日，深中通道首个深水区管节E3抵达沉放水域。就在沉管对接的关键时刻，项目团队分别用北斗系统和GPS系统采集数据，两者竟存在较大出入。
时间一分一秒过去，潮水渐渐达到沉管安装最佳高度，安装窗口期转瞬即逝。到底采用哪一个数据？“经过多种方法进行核算，结果显示北斗数据更优。”中交一航局深中通道项目部测管中心主任成益品回忆说，采用北斗数据后，E3管节与E2沉管完成精准对接。测量塔数据及潜水员测量数据均显示，安装精度满足设计要求。
从此，北斗系统成功被引入跨海沉管隧道施工领域。
实践证明，“一航津安1”号将沉管隧道施工提升到机械化、智能化施工的新高度。
“一体船从概念提出到成为现实，依靠的是我们70多年水工建设的历史积淀，凝聚了各协作单位及研发团队的集体智慧，更是我国整体工业水平飞跃的见证。”李一勇感慨地说。（记者 矫阳）
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