大國重器海底造“長龍”
——世界首艘沉管運輸安裝一體船研發投用紀實
6月11日8時，深圳和中山兩市在伶仃洋海底“牽手”。
沉管運輸安裝一體船“一航津安1”号，猶如一隻巨大的長方形鋼鐵夾子，将最後一節沉管和最終接頭，牢牢抱在船底。經船上安裝的智能系統控制，精準推出最終接頭，實作了最後一節沉管與東側E24管節的精準對接。
自此，世界最長也是最寬的鋼殼混凝土沉管隧道——深中通道海底隧道正式合龍。
“一航津安1”号主船體采用雙體船船型設計，集沉管浮運、定位、沉放和安裝等功能于一體，船長190.4米、船寬75米、型深14.7米。“它是世界上安裝能力最大、沉放精度最高、施工作業最高效、性能最先進的海底隧道沉管施工專用船舶。”中交一航局副總工程師李增軍說。
為建設深中通道鋼殼混凝土沉管隧道，中交一航局研發團隊與建設方一起，從2013年啟動研發，到2016年取得根本突破，直至2017年完成可行性論證，又曆經3年研制，終于設計制造出“一航津安1”号。
設計一體船解決施工難題
深中通道是繼港珠澳大橋後又一世界級跨海叢集工程。其沉管隧道長5035米，由32節雙向8車道鋼殼混凝土沉管相接而成，從建設立項開始，就面臨一個又一個世界難題。
與港珠澳大橋相比，深中通道沉管隧道面臨鋼殼結構形式新、尺寸超寬、浮運距離超長等許多新難題，已有裝備無法滿足施工要求。
為此，中交一航局組建起一支涵蓋設計、研究、裝備、施工等專家和工程師的專題研發團隊。
“深中通道沉管尺寸超寬，我們首先提出，将原本用于港珠澳大橋沉管建設的兩艘安裝船合并加寬，比對深中通道沉管的寬度。”李增軍說。
然而，由于兩船無法自航，合并加寬後的船體，需在左右兩側加拖輪進行拖帶。“而已有航道寬度無法滿足安裝船和拖輪編隊的航行需求。”李增軍說。
此後，研發團隊又提出新造自航式半潛船方案，拖帶沉管并完成安裝，但這一方案造船周期太長……
合并船體航道不夠，新造自航式船又周期太長，研發陷入困境。
2016年，在一次專家讨論會上，研發團隊有人提議：幹脆給船帶上“腿”（即讓船自帶動力），把兩個安裝船連成一體。“當時，這個提議讓大家眼前一亮，覺得是一個很好的思路，我們細化研究後覺得方案可行。”中交一航局總技術顧問李一勇回憶說。
3個月後，研發團隊釋出了一體船建設方案。
李一勇向記者描述了一體船的四個“一體”。
船體結構一體，原來用兩條船，現在變成一條船；集沉管浮運和沉放安裝于一體；動力一體，以前沉管施工，需用八九個拖輪拖着船走，現在把拖輪的動力合為一體，更便于操作也更節能環保；船舶和沉管一體，船、管通過剛性連接配接，組合為一個整體，就像一條大鲸魚肚中懷着一條小鲸魚在水中遊動。
“從2013年啟動研發以來，4年間，我們幾乎把所有可能采取的方案進行了‘摸排’，終于迎來了‘柳暗花明’。”李一勇說。
一體船完成浮運安裝首秀
從2017年初開始，研發團隊聯合上海交大等科研機構，就一體船動力、航行及沉管沉放等關鍵課題進行了反反複複的研究論證，于2018年7月正式進入建造階段。
一體船配有2套9280千瓦主推進系統和8台大功率側推，可滿足帶着标準沉管在靜水、深水中浮運，航速達5節（注：1節為時速1.852公裡）的要求。
2019年6月1日，一體船順利出塢，标志着世界上安裝能力最大、沉放精度最高、施工作業最高效、性能最先進的海底隧道沉管施工專用船舶取得重大階段性成果。該一體船也被正式命名為“一航津安1”号。
在完成多項準備及試驗後，2020年6月16日，“一航津安1”号首次建設海底沉管的重要時刻開啟。
當天，2萬噸的“一航津安1”号“抱着”8萬噸重的沉管，在伶仃洋上徐徐啟航，它将在海上航行近50公裡，經曆7次航道轉換，到達深中通道安裝海域。
中交一航局深中通道項目部常務副總工程師甯進進回憶說，在經過最後一個轉向區時，不明原因的橫流陡增，“一航津安1”号與航線的傾斜角度持續擴大，極易跨出航道擱淺。當時，甯進進沉着開啟了無人駕駛模式。
按照設定航線，“一航津安1”号穩定航行。當天下午6時，“一航津安1”号順利把首節沉管帶到深中通道西人工島附近240米處。
“一航津安1”号開啟全自動穩船功能，牢牢懸停在沉管基床正上方；随着沉管一點點下放，測量塔實時計算沉管三維動态……“100厘米、90厘米……”在拉合系統作用下，E1管節一點點向對接端靠近。
曆經34小時的奮戰，沉管順利實作與西人工島暗埋段對接，“一航津安1”号完成浮運安裝首秀。
“這條船同時具備自動定位、抵抗橫流、自動循迹、原地旋轉等功能。”李一勇說。
相比傳統管節浮運安裝方式，采用一體船進行沉管施工，可減少浮運航道疏浚量1500萬立方米，節省造價數億元。
8萬噸重沉管實作毫米級對接
在30餘米深的海底，讓8萬噸重的沉管實作毫米級對接，難度堪比載人飛船和“天宮”空間站對接。
測量是工程的眼睛，是沉管高精度安裝的基礎。
首節沉管安裝前，“一航津安1”号自動循迹系統曾出現GPS衛星信号突然丢失的情況。
沒有衛星信号，在茫茫外海，一體船就像失去了眼睛。
“這更加堅定了團隊啟用北鬥定位系統的決心。”李一勇說。
建設者在“一航津安1”号9層樓高的測量塔上，裝置了北鬥衛星天線，收集的信号通過接收器傳到監控電腦上，電腦裡同步加裝了根據沉管浮運安裝工序自主研發的測控系統。
2020年8月27日，深中通道首個深水區管節E3抵達沉放水域。就在沉管對接的關鍵時刻，項目團隊分别用北鬥系統和GPS系統采集資料，兩者竟存在較大出入。
時間一分一秒過去，潮水漸漸達到沉管安裝最佳高度，安裝視窗期轉瞬即逝。到底采用哪一個資料？“經過多種方法進行核算，結果顯示北鬥資料更優。”中交一航局深中通道項目部測管中心主任成益品回憶說，采用北鬥資料後，E3管節與E2沉管完成精準對接。測量塔資料及潛水員測量資料均顯示，安裝精度滿足設計要求。
從此，北鬥系統成功被引入跨海沉管隧道施工領域。
實踐證明，“一航津安1”号将沉管隧道施工提升到機械化、智能化施工的新高度。
“一體船從概念提出到成為現實，依靠的是我們70多年水工建設的曆史積澱，凝聚了各協作機關及研發團隊的集體智慧，更是大陸整體工業水準飛躍的見證。”李一勇感慨地說。（記者 矯陽）
來源： 科技日報