“經(jīng)過2020年6月至今一年的實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，一體船實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能，甚至在某些方面比預(yù)想的還出色。”7月23日，深中通道E19管節(jié)順利安裝，全國水運(yùn)工程建造大師、中交一航局總技術(shù)顧問李一勇感慨地說。
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李一勇談及的一體船，指的是沉管運(yùn)輸安裝一體船。記者從總部位于濱海新區(qū)的中交一航局獲悉，7月23日，超級工程深中通道E19管節(jié)在伶仃洋海底順利安家，并創(chuàng)下連續(xù)7節(jié)沉管近乎零偏差毫米級安裝的世界新紀(jì)錄。建設(shè)超級工程，必須要有超級裝備。在世界最寬沉管隧道深中通道建設(shè)中，中交一航局的建設(shè)者勇于開拓創(chuàng)新，歷時三年多時間研發(fā)出世界首制沉管運(yùn)輸安裝一體船，用自主科技創(chuàng)新解決了深中通道施工“卡脖子”難題，將世界跨海沉管隧道施工引入智能化時代。
時光回到近十年前。2013年港珠澳大橋沉管隧道施工開始不久，一航局作為我國外海沉管隧道施工的首倡者和國家隊(duì)，就同步參與到深中通道有關(guān)技術(shù)方案論證工作中。與港珠澳大橋沉管隧道相比，深中通道沉管隧道面臨著鋼殼結(jié)構(gòu)新形式、尺寸超寬、浮運(yùn)距離超長、航道封航時間長等許多新難題。現(xiàn)有裝備無法滿足施工要求。研發(fā)新的方案和裝備，成為必由之路。
從“零”到“一”的跨越
為了攻克這一世界級施工難題，一航局迅速組建了涵蓋設(shè)計(jì)、研究、裝備、施工等專家和工程師的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
幾經(jīng)波折，到2016年在一次專家討論會上，有團(tuán)隊(duì)成員提議：不如直接把兩個安裝船加寬連成一體，再給船帶上“腿”（自帶動力）靈感迸發(fā)往往就在一瞬間，這個提議讓大家眼前一亮。在一言一語討論中，一體船的研究方向逐漸清晰。研發(fā)團(tuán)隊(duì)當(dāng)即分工，進(jìn)一步細(xì)化研究。
一體船逐漸清晰模樣。“一體船首先是船體結(jié)構(gòu)的一體，最直觀的就是把兩條船變成一條船；其次是沉管浮運(yùn)和沉放安裝于一體。一體船是集浮運(yùn)和安裝功能于一身的；再次是動力一體，以前沉管施工，需用八九個拖輪拖著走，現(xiàn)在的動力都在一體船上，便于操作也更節(jié)能環(huán)保；最后是船舶和沉管一體，船管通過剛性連接，組合為整體，就像一條由一體船和沉管組成的組合船。”李一勇詳細(xì)闡述著研發(fā)思路。
2016年12月，研發(fā)團(tuán)隊(duì)赴業(yè)主單位匯報(bào)一體船及沉管浮運(yùn)安裝一體化施工工藝，業(yè)主單位領(lǐng)導(dǎo)和業(yè)內(nèi)專家就給予了高度認(rèn)可。方向確定后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)再接再厲，完成了船體結(jié)構(gòu)工藝方案，確定了各項(xiàng)工藝參數(shù)，完成了一體船的可行性論證，又相繼聯(lián)合國內(nèi)外知名科研機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行了數(shù)模、物模試驗(yàn)，就一體船動力、航行及沉管沉放等關(guān)鍵課題完成了可行性論證。
從2013年啟動研發(fā)，到2016年取得根本突破，再到2017年可行性論證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)基本上把可能采取的方案進(jìn)行系統(tǒng)“摸排”。
從“藍(lán)圖”到“實(shí)踐”的探索
2018年7月，一體船正式進(jìn)入建造階段。“‘一航津安1’具備自航功能，配有2套9280千瓦主推進(jìn)系統(tǒng)和8臺大功率側(cè)推，主機(jī)和側(cè)推的尺寸和功率均創(chuàng)國內(nèi)同等設(shè)備之最，可滿足帶標(biāo)準(zhǔn)沉管浮運(yùn)下深水靜水航速5節(jié)的要求，并具備DP動力定位功能，在帶沉管工況下可抵抗1.6節(jié)橫流。”一航局副總工程師李增軍介紹。同時，一體船還具備航跡追蹤及偏移糾偏功能，在設(shè)計(jì)、建造及施工管理系統(tǒng)方面均實(shí)現(xiàn)了自主研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了外海沉管機(jī)械化、無人化、自動化浮運(yùn)安裝作業(yè)。
2019年6月1日，一體船順利出塢，標(biāo)志著世界上安裝能力最大、沉放精度最高、施工作業(yè)最高效、性能最先進(jìn)的海底隧道沉管施工專用船舶取得重大階段性成果，并正式被命名為“一航津安1”。出塢后，“一航津安1”按計(jì)劃，歷時一年，先后完成了管系、電纜及電氣設(shè)備安裝，并開展設(shè)備調(diào)試、系泊試驗(yàn)及航行試驗(yàn)等工作。
2020年6月16日6時，“一航津安1”迎來首秀。2萬噸的“一航津安1”抱著8萬噸重的沉管，總重達(dá)10萬噸的大家伙，需要海上穿行47公里，經(jīng)過7次航道轉(zhuǎn)換后，才能到達(dá)安裝海域。下午6點(diǎn)，海面上陸續(xù)亮起燈光。一體船把首節(jié)沉管帶到距西人工島附近240米處，兩個大塊頭靜靜對視，工作人員開始系泊作業(yè)。一體船開啟全自動穩(wěn)船功能，牢牢懸停在沉管基床正上方。控制室的新型測控系統(tǒng)，如行車記錄儀般，船及航道周邊環(huán)境一目了然。
隨著沉管一點(diǎn)點(diǎn)下放，測量塔數(shù)據(jù)實(shí)時計(jì)算沉管三維動態(tài)，指揮人員精準(zhǔn)掌握沉管在海底的具體位置。拉合系統(tǒng)作用下，E1管節(jié)一點(diǎn)點(diǎn)向?qū)佣丝拷瑲v經(jīng)34個小時的奮戰(zhàn)，首節(jié)沉管順利實(shí)現(xiàn)與西人工島暗埋段的精準(zhǔn)對接，完成首次“海底初吻”，實(shí)現(xiàn)了世界海工領(lǐng)域的新跨越。
從“滿足要求”到“零偏差”的追求
8萬噸沉管在30余米的海底，實(shí)現(xiàn)指縫般毫米級對接，難度堪比“天宮”對接。深中首節(jié)沉管的精準(zhǔn)對接，為一體船首秀畫上圓滿句號，但是為了實(shí)現(xiàn)沉管隧道近乎零誤差對接，打造滴水不漏的百年品質(zhì)工程，一航局建設(shè)者追求卓越的腳步并未停止。
測量是工程的眼睛，是沉管高精度安裝的基礎(chǔ)。一航局建設(shè)者在一體船9層樓高的測量塔上，裝置了北斗衛(wèi)星天線，天線收集的信號通過接收器傳送到監(jiān)控電腦上，電腦里加裝了根據(jù)沉管浮運(yùn)安裝工序自主研發(fā)的測控系統(tǒng)。這套軟硬件“組合拳”實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)之間的穿透，可接收GPS和北斗兩種信號，實(shí)時計(jì)算沉管三維動態(tài)，作業(yè)人員可精準(zhǔn)掌握船管在海底的具體位置。
2020年8月27日，經(jīng)過近50公里浮運(yùn)，深中通道首個深水區(qū)管節(jié)E3抵達(dá)沉放水域，北斗系統(tǒng)第一次正式亮相。就在沉管對接的關(guān)鍵時刻，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)分別用北斗系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，兩者竟存在較大出入。測量團(tuán)隊(duì)頂著壓力，再次對測控系統(tǒng)做了全面檢查，用多種方法進(jìn)行核算。“結(jié)果顯示，北斗數(shù)據(jù)優(yōu)于GPS，我們果斷關(guān)閉GPS系統(tǒng)，使用北斗系統(tǒng)作為沉管繼續(xù)安裝的唯一依據(jù)。”一航局深中通道項(xiàng)目測管中心主任成益品回憶。
E3 管節(jié)最終與E2沉管精準(zhǔn)對接。測量塔數(shù)據(jù)及潛水員測量數(shù)據(jù)均顯示，安裝精度滿足設(shè)計(jì)要求。至此，北斗系統(tǒng)成功引進(jìn)跨海沉管隧道施工領(lǐng)域。
沉管用上北斗系統(tǒng)，為超級工程的高精度對接，裝上了一雙銳利的眼睛。然而，瞬息萬變的外海，總會帶來出人意料的挑戰(zhàn)。
2021年4月25日，E9管節(jié)對接完成后，測量結(jié)果顯示偏南15.2毫米，而測量塔系統(tǒng)顯示偏北25毫米。換句話說，測量塔數(shù)據(jù)出現(xiàn)了嚴(yán)重失真，這對沉管的高精度對接無疑是個巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
通過數(shù)據(jù)對比，測量團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，鋼殼管節(jié)會隨著水深受壓增加而發(fā)生一定程度的形變。受此影響，安裝在沉管之上的測量塔也會相應(yīng)產(chǎn)生偏移，引起定位誤差。E9管節(jié)安裝位置達(dá)到水下37米，問題尤為凸顯。
針對管節(jié)的特殊空間結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出“相機(jī)-光學(xué)靶標(biāo)”布置方案，在每個形變部位增加精密的姿態(tài)傳感器，并連接到一體船操作系統(tǒng)上。通過傳感器聯(lián)合確定測量塔與管節(jié)的姿態(tài)和相互關(guān)系，管節(jié)沉放過程中對形變帶來的偏差實(shí)時自動提示，最終達(dá)到人機(jī)交互式動態(tài)修正，進(jìn)一步提高測量系統(tǒng)的定位精度和可靠性。
經(jīng)過一個月的緊張準(zhǔn)備，E10管節(jié)安裝迎來大考。夜幕下的一體船緩緩下放沉管，測量塔逐漸沒入水中。安裝了聯(lián)合精密姿態(tài)儀的沉管，就像有了一對“鷹眼”，海底狀況一目了然，E10與E9在深海實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)對接。（中交一航局供圖）
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