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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

科技日报记者 矫阳

编者按 制造业是立国之本、强国之基,是我国实体经济的主体和创新驱动的主战场。党的二十大报告指出,加快建设制造强国,推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。本报于今日起推出制造版,记录新时代中国制造业的转型与升级、攻坚与突破,书写其背后的科技创新故事。

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

“一航津安1”号沉管运输安装一体船将E23管节和最终接头浮运至安装现场时经过港珠澳大桥(6月8日摄,无人机照片)。新华社发

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。