李 昌

(交通運(yùn)輸部廣州打撈局，廣州 510260)

隨著航運(yùn)業(yè)務(wù)的發(fā)展，海上航運(yùn)為世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)勁的驅(qū)動力，海上活動的船舶越來越多。受天氣、碰撞、船舶故障、擱淺等多種影響船舶失事事故頻發(fā)[1]，據(jù)統(tǒng)計，2018年僅中國籍船舶就發(fā)生176起事故，造成83艘船沉沒[2]。失事船舶沉沒后，對海上通航及海洋生態(tài)環(huán)境都會造成一定影響。沉船打撈及障礙物清障工作在恢復(fù)通航、降低環(huán)境污染以及民生、軍事等方面都具有重要的意義[3]，目前我國已經(jīng)完成了多項沉船打撈工程，包括“南海一號”、“夏長輪”、韓國“世越號”等[4-5]，這些沉船打撈工程推動著我國沉船打撈領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。潘德拉將目前常用的沉船打撈方法按照產(chǎn)生浮力性質(zhì)分為內(nèi)浮力打撈法、外浮力打撈法、吊船打撈法、混合打撈法四類[6]。重要航道、航路區(qū)域進(jìn)行沉船打撈清障對保航護(hù)航具有重要意義，這些區(qū)域通常來往船舶較多，采用何種打撈方式能在航路通航條件下開展清障作業(yè)，并盡可能降低打撈作業(yè)的影響，一直是業(yè)界難題，且已有的案例較少。

本文以沉沒在新加坡海峽航路中的“Thorco Cloud”輪沉船打撈工程為研究對象，該沉船的打撈難度被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為世界前列，通過對沉沒區(qū)域周圍環(huán)境信息的搜集，結(jié)合沉船打撈要求，分析沉船打撈的重難點(diǎn)，總結(jié)出深水、復(fù)雜通航環(huán)境、作業(yè)區(qū)域狹窄等多種限制條件下的沉船打撈技術(shù)解決方案，該方案的成功應(yīng)用對復(fù)雜工況條件下沉船打撈及海底清障具有一定的參考價值。

1 沉船概況

2015年12月16日，安提瓜和巴布達(dá)籍雜貨船“Thorco Cloud”輪與開曼群島籍化學(xué)品運(yùn)輸船“Stolt Commitment”輪發(fā)生碰撞后沉沒，沉沒位置在新加坡海峽的中區(qū)航路，具體位于新加坡與印度尼西亞峇淡島之間的東向航路(圖1)。新加坡海峽是馬六甲海峽的一段，該區(qū)域是世界上最繁忙的水道之一[7]，也是船舶過往、進(jìn)出及穿越航道的最密集區(qū)域。

圖1 “Thorco Cloud”輪沉沒位置示意圖Fig.1 The Sinking location of the Thorco Cloud

“Thorco Cloud”輪船長145.63 m，船寬18.25 m，型深10.3 m，空船重量4 447 t。該船沉沒時載有鐵路鋼軌及油氣設(shè)備約8 078 t，其中鋼軌重約7 764 t，各種石油設(shè)備約300 t，貨量大且散雜，不易打撈。船體在沉沒過程中折為兩段后相繼沉入海底，船艏段與船艉段相距約1 600 m；船艏段沉沒區(qū)域水深60～66 m，船艉段沉沒區(qū)域水深73～80 m；船艏段殘骸重約2 218 t，船艉段殘骸重約2 082 t。

2 打撈作業(yè)難點(diǎn)分析

通過對沉船沉沒區(qū)域海上航運(yùn)、水文地形等環(huán)境因素分析，結(jié)合沉船及船載貨物、打撈技術(shù)要求等條件，沉船打撈作業(yè)有以下工作及技術(shù)難點(diǎn)。

(1)海上航運(yùn)繁忙。

新加坡海峽是馬六甲海峽的一部分，馬六甲海峽作為全球的重要水道，連通著太平洋和印度洋，來往的船舶數(shù)量巨大，根據(jù)全球船舶AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計，年通過馬六甲海峽船舶流量約為10萬艘[8-9]。

“Thorco Cloud”輪沉沒于新加坡海峽南側(cè)的東向航路中，根據(jù)海圖資料顯示，該段航路寬度約為3 km，同時又分為一個西向和兩個東向航路。通過對沉船周邊活動船舶AIS監(jiān)測，由圖2可以看出，僅6 h內(nèi)就有多艘船舶活動在沉船打撈施工區(qū)域，海上航運(yùn)非常繁忙。

注：圖中線表示船舶軌跡。圖2 施工區(qū)域附近6 h船舶軌跡Fig.2 The AIS data of ships near the construction area for 6 hours

(2)打撈作業(yè)要求嚴(yán)苛。

為保障當(dāng)?shù)睾Ｉ虾竭\(yùn)不間斷，本次打撈作業(yè)在航路中指定了一小塊施工區(qū)域(圖1和圖2)，作業(yè)期間不允許拋錨，施工區(qū)域長約2 500 m、寬約400 m。沉船打撈通常有多種工程船協(xié)同作業(yè)，在如此狹小的作業(yè)區(qū)域，現(xiàn)場作業(yè)船舶安全風(fēng)險防控要求高，傳統(tǒng)拋錨定位浮吊打撈及大型機(jī)械設(shè)備無法在該區(qū)域開展工作[10]。

(3)沉沒地點(diǎn)水深較深。

根據(jù)前期掃測結(jié)果，“Thorco Cloud”輪船艏分段沉沒水深為60～66 m，船尾分段沉沒水深為73～80 m，在沉船打撈領(lǐng)域?qū)儆谏钏鳂I(yè)(大于50 m)[11]，業(yè)內(nèi)可供參考案例相對較少[3]。

(4)殘骸或貨物的清理難度大。

根據(jù)前期掃測結(jié)果，“Thorco Cloud”輪沉沒后分為兩段，船艏分段和船艉分段相距約1.6 km，船艏段沉沒后側(cè)向傾斜(圖3-a)，船艉段基本正沉(圖3-b)，根據(jù)沉船設(shè)計圖，該輪舷側(cè)結(jié)構(gòu)為三層殼結(jié)構(gòu)，船舷豎直，水下殘骸抓取與撕咬難度大。

3-a 船艏分段3-b 船尾分段圖3 “Thorco Cloud”輪殘骸海底狀態(tài)及打撈分割方案(虛線)Fig.3 The Shipwreck seabed state and dismemberment cutting path (dotted line) of Thorco Cloud

沉船打撈有多種作業(yè)方法[12]，對于礙航且不能整體打撈的沉船，可采用水下解體打撈法，主要作業(yè)方式有潛水沉船整體打撈、水下器具(抓斗等)打撈。該輪沉沒水深較大，無法進(jìn)行潛水作業(yè)，若采用抓斗抓取殘骸，在深水作業(yè)條件下，空斗率較高，會導(dǎo)致作業(yè)周期延長，這會對清障保航帶來不利影響。沉船沉沒時載有約7 700多t鋼軌，在殘骸打撈中，為保證有效抓力，抓斗可伸出船甲板最大距離約10 m，而單根鋼軌長約24 m，鋼軌在船舶沉沒后，部分散落在海底，朝向雜亂，方向不一，在保證有效抓力的條件下，對鋼軌的抓取位置將直接影響到作業(yè)船舶安全。

船體拆解、貨物抓取過程中需要反復(fù)作業(yè)，要求拆解點(diǎn)、抓取點(diǎn)精確度高且在重復(fù)作業(yè)中能保證作業(yè)點(diǎn)位一致，而在拆解、抓取過程中沉船殘骸受抓斗提拉、拖拽的影響，其水下位置、艏向、姿態(tài)會隨之變化，這就需要對水下抓斗和殘骸姿態(tài)位置高精度實(shí)時監(jiān)控。而該區(qū)域水深較大，殘骸、鋼軌等目標(biāo)物水下分辨率較差，清理難度大。

(5)海洋水動力條件較強(qiáng)。

沉船沉沒區(qū)域位于新加坡海峽，受諸多島嶼及沿岸淺灘的影響[13-14]，沉沒區(qū)域存在有流速較強(qiáng)的不定向旋轉(zhuǎn)流和表層流，最大流速可達(dá)到5.6 kn，加之風(fēng)浪影響，極易導(dǎo)致浮吊船舶及水下抓斗偏移，造成水下監(jiān)測難度加大等諸多問題。

圖4 “Thorco Cloud”輪沉船打撈難點(diǎn)分析Fig.4 Analysis of the difficulties in salvaging the sunken ship of Thorco Cloud

(6)其他相關(guān)因素。

沉船打撈需要多艘船舶、多種大型機(jī)械設(shè)備協(xié)同作業(yè)，由于作業(yè)面狹窄，需要將周圍的航運(yùn)情況、海洋水文、打撈設(shè)備工作狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時快速共享，這對各方參與人員極其重要。打撈作業(yè)區(qū)域在國外，施工現(xiàn)場涉及多個部門合作、多語言溝通、構(gòu)建信息傳遞系統(tǒng)是工程中需要解決的一個難點(diǎn)。

通過對這些打撈作業(yè)難點(diǎn)進(jìn)行分析，針對海上航運(yùn)繁忙對打撈作業(yè)產(chǎn)生的影響，打撈作業(yè)期間需要對周邊船舶進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控預(yù)警；作業(yè)要求嚴(yán)苛、海洋水動力條件較強(qiáng)等因素主要影響到施工船舶就位；沉沒水深較深、殘骸或貨物在海底的分布，則需要水下高精度實(shí)時動態(tài)監(jiān)測；其他作業(yè)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在信息傳遞及工程項目管理。因此，該輪打撈的工作及技術(shù)上的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在四個方面(圖4)：海上預(yù)警措施、施工船舶就位、水下高精度實(shí)時監(jiān)測、信息傳遞系統(tǒng)。

3 打撈工藝設(shè)計與實(shí)施

3.1 打撈工藝設(shè)計

通過對“Thorco Cloud”輪沉船打撈技術(shù)難點(diǎn)分析與總結(jié)，圍繞各項工作難點(diǎn)，提出針對性解決措施。

(1)海上預(yù)警措施。

由于沉船沉沒區(qū)域航運(yùn)繁忙，打撈作業(yè)與海上航運(yùn)二者之間勢必會相互影響，雖然當(dāng)?shù)卣畡澏舜驌谱鳂I(yè)范圍，但不能排除部分船舶誤入作業(yè)區(qū)，對打撈作業(yè)產(chǎn)生極大威脅，造成二次事故，設(shè)立有效的海上預(yù)警方案非常重要。打撈作業(yè)前，首先聯(lián)系當(dāng)?shù)卣蚝Ｊ虏块T，在海事系統(tǒng)中發(fā)布預(yù)警信息；作業(yè)期間，申請當(dāng)?shù)睾Ｊ潞焦懿块T或其他相關(guān)部門安排船舶在作業(yè)區(qū)域展開巡邏與預(yù)警，并在施工區(qū)域邊界安放浮標(biāo)、燈樁等警示設(shè)備，提醒來往船舶注意避讓；同時接入船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、雷達(dá)等監(jiān)測設(shè)備，對周邊活動船舶進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控與預(yù)警，提醒過往船舶注意避開沉船打撈施工區(qū)域；由于船舶來源繁雜，會存在語言溝通差異，且不排除船舶可能在此區(qū)域發(fā)生故障，不能避開施工區(qū)域，若監(jiān)測到周邊船舶異常行為，立即提醒施工船停止作業(yè)，避讓船舶。通過設(shè)置多重預(yù)警措施，確保打撈作業(yè)安全進(jìn)行。

(2)施工船舶DP動力定位。

針對作業(yè)期間工程區(qū)域范圍狹窄、不允許拋錨、海洋動力強(qiáng)等對施工船舶就位產(chǎn)生的影響，提出對浮吊船加裝外掛式DP動力定位系統(tǒng)，解決船舶就位困難問題。浮吊船臨時DP動力定位系統(tǒng)改造是一個復(fù)雜工程，涉及面多且復(fù)雜，傳統(tǒng)浮吊船DP定位系統(tǒng)改造的方式為直接在浮吊船上安裝舵槳支撐夾具的固定方式，改造周期較長，為避免船舶進(jìn)塢改造，縮短工期，提出采用模塊化安裝的方案。

浮吊船改裝外掛式DP定位系統(tǒng)流程如下，首先根據(jù)作業(yè)船舶船型分析計算需要加裝DP舵槳的數(shù)量、安裝位置以及確定舵槳的具體參數(shù)，沉船殘骸打撈作業(yè)船為“泓邦6”，經(jīng)設(shè)計、計算與優(yōu)化，需在浮吊船上安裝5個外掛式DP舵槳，組成浮吊船的外掛式DP定位系統(tǒng)，并采用了船艏安裝2臺舵槳、船艉安裝3臺舵槳的改造方案，DP舵槳采用了1 885 kW柴油機(jī)驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳。然后設(shè)計外掛式DP舵槳底座，將DP舵槳與舵槳底座在岸上組裝為整體模塊后，在碼頭上整體吊裝至浮吊船。

(3)水下高精度實(shí)時監(jiān)測。

5-a 抓斗 5-b 抓斗聲學(xué)影像 5-c 鋼軌 5-d 鋼軌抓取聲學(xué)影像圖5 三維實(shí)時聲吶水下監(jiān)測效果Fig.5 The underwater monitoring effect of three-dimensional real-time sonar

根據(jù)沉船殘骸及貨物的組成，沉船殘骸打撈的大部分工作是清理鋼軌，鋼軌散雜且不易抓取，單根鋼軌長約24 m。浮吊船為保證有效抓力，抓斗伸出船甲板最大距離約10 m，為保證浮吊船的安全并兼顧施工效率，在抓取鋼軌時，需保證抓斗開斗方式與鋼軌走向垂直，且抓取位置需要在距鋼軌一端5～10 m。

傳統(tǒng)水下聲學(xué)定位與二維掃描聲吶等相結(jié)合的監(jiān)測方式響應(yīng)速度慢、定位精度不高，僅能提供二維掃測畫面，且抓斗和殘骸會大面積遮擋聲學(xué)信號，完全無法滿足監(jiān)測要求，水下攝像、水下電視抓斗等光學(xué)監(jiān)測設(shè)備在深水及渾濁水體條件下可視范圍有限，且在沉船打撈領(lǐng)域適用性相對較差，超短基線等水下定位技術(shù)能對抓斗位置進(jìn)行實(shí)時反饋，但不能看到沉船殘骸的狀態(tài)，因此，在沉船打撈水下監(jiān)測方面采用了三維實(shí)時聲吶系統(tǒng)(Echoscope C500)和超短基線定位系統(tǒng)[15]。三維實(shí)時聲吶是近年來逐漸發(fā)展成熟的一種海洋調(diào)查裝備，能夠?qū)崟r、高效、清晰地生成水下結(jié)構(gòu)三維圖像，在國內(nèi)外一些水下工程中獲得應(yīng)用[16]。

Echoscope C500是全球分辨率最高的實(shí)時三維聲吶，能提供實(shí)時高分辨率的三維聲吶圖像(圖5-a和圖5-b)，工作頻率為375 kHz和630 kHz，當(dāng)采用630 kHz工作頻率時，最大探測距離為80 m，最大分辨率為2 cm，采用Echoscop C500在打撈中對沉船及抓斗進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[17]?！癟horco Cloud”輪殘骸沉沒水深為60～80 m，一般海洋測量中，水下支桿長度多在2～5 m，若采用傳統(tǒng)安裝方案，Echoscope C500量程與分辨率都會受到影響，為提高聲吶監(jiān)測范圍及水下分辨率，精確觀察沉船殘骸拆解點(diǎn)與鋼軌抓取點(diǎn)(圖5-c和圖5-d)，給Echoscop C500設(shè)計了長達(dá)26 m的水下安裝支桿。水下支桿采用多段鋼管連接而成，但由于支桿較長，支桿會在海流的沖擊下產(chǎn)生晃動，這會影響到水下檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量和準(zhǔn)確度，為確保底部的Echoscope C500聲吶能夠穩(wěn)定作業(yè)，首先將支桿鋼管加粗加大，并在支桿兩側(cè)增加了鋼絲繩斜拉固定系統(tǒng)，纏繞布片或加設(shè)導(dǎo)流板，減少水流沖擊對支桿的影響，使Echoscop C500聲吶在入水較深時能夠穩(wěn)定工作，提高聲吶探測精度及范圍。同時將超短基線水下定位信標(biāo)安裝在抓斗上，采用超短基線和實(shí)時三維聲吶共同對抓斗下放、回收位置、沉船殘骸進(jìn)行監(jiān)測，并將水下監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳回控制室。

(4)信息傳遞系統(tǒng)。

針對施工現(xiàn)場作業(yè)船舶多、作業(yè)面復(fù)雜、多部門施工人員協(xié)作等現(xiàn)狀，通過主動溝通、提前告知施工進(jìn)展及計劃，提高各參與部門之間的配合。為保障現(xiàn)場信息高效共享，通過無線網(wǎng)橋等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，將施工船、抓斗、沉船殘骸及鋼軌的實(shí)時監(jiān)測信息，及時反饋給吊機(jī)操作者、定位人員以及DP操作者，提高殘骸移除作業(yè)效率。此外，采用高效的項目管理系統(tǒng)，合理并有效的對工作進(jìn)度、參與人員、船舶動態(tài)等項目進(jìn)行規(guī)劃，快速推進(jìn)沉船打撈工作。

3.2 打撈實(shí)施效果

“Thorco Cloud”輪打撈作業(yè)的環(huán)節(jié)主要包括：浮吊船DP動力定位改造升級、施工前殘骸掃測、沉船船體及貨物水下拆解與抓取、船艏與船艉路由區(qū)殘骸打撈、殘骸轉(zhuǎn)移與運(yùn)送、施工后海底掃測。

沉船船體及貨物的拆解、清理采用大型深水大力抓斗，大型深水大力抓斗重800 t，抓斗自重500 t，閉合剪切力4 800 t，抓斗張開后下落過程中，靠抓斗自重使爪尖穿透沉船甲板，抓斗閉合產(chǎn)生的巨大閉合力，能將厚度30 mm以下的鋼板穿透。

“Thorco Cloud”輪船載鋼軌基本都在船艉貨艙內(nèi)，油田設(shè)備、艙口蓋大部分散落在船艉段周邊(圖3-b)。綜合考慮浮吊船吊機(jī)旋轉(zhuǎn)吊重曲線、沉船結(jié)構(gòu)分布、貨物信息、抓斗性能等，首先對沉船船體進(jìn)行肢解切塊，再進(jìn)行水下殘骸拆解與抓取。船艏分段水下切割方案如圖3-a所示，水下肢解作業(yè)中避開貨艙與貨艙、船艏克令吊底座等船體強(qiáng)結(jié)構(gòu)；首先清理船艉上層建筑及機(jī)艙設(shè)備，然后清除船艙貨物，最后再對船艉段船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割肢解(圖3-b)。沉船船舷較高且船舷為三層殼結(jié)構(gòu)，抓斗抓取舷側(cè)結(jié)構(gòu)下半部時，容易被卡導(dǎo)致抓斗鋼絲繩受損，水下切割時在舷側(cè)結(jié)構(gòu)開1道縱向切口。

“Thorco Cloud”輪沉船打撈工程自2019年3月啟動，至5月在印度尼西亞巴淡船廠完成浮吊船外掛式DP改造、改造后的海上試航試驗、失效模式與影響分析以及DP動力定位系統(tǒng)各項校驗。浮吊船改裝完成后，在3個月內(nèi)完成沉船殘骸清障工作，成功解決了深水沉船殘骸急需快速移除，大大降低了打撈施工對全球重要黃金航道航運(yùn)的影響。

4 結(jié)語

“Thorco Cloud”輪由于沉沒在水深較大、水動力較強(qiáng)的繁忙航路上，加之船體斷為兩截，所載貨物難以抓取，造成打撈難度極大。本文以該沉船打撈為例，對沉船打撈作業(yè)中的技術(shù)難點(diǎn)、工藝設(shè)計和實(shí)施效果進(jìn)行分析總結(jié)。

施工船舶DP動力定位改造和水下高精度實(shí)時監(jiān)測，是“Thorco Cloud”輪打撈的最主要技術(shù)難點(diǎn)。

對沉船打撈中的各項難題提出針對性的解決方案，其中采用多種海上船舶預(yù)警監(jiān)測手段，對海上來往船舶監(jiān)測預(yù)警，確保作業(yè)期間施工船舶安全；提出浮吊船加裝外掛DP定位系統(tǒng)，解決因不允許拋錨、動力較強(qiáng)導(dǎo)致的船舶就位困難；采用三維成像聲吶系統(tǒng)及超短基線等水下監(jiān)測設(shè)備，在打撈過程中對沉船殘骸、抓斗及抓斗抓取位置進(jìn)行三維實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，并通過多種方式提升對水下殘骸清理抓取時的精度；通過無線網(wǎng)橋等設(shè)備搭建工程區(qū)域信息傳遞系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、打撈設(shè)備、操作人員等相關(guān)信息的實(shí)時傳遞與溝通。

“Thorco Cloud”輪沉船打撈工程于2019年3月至10月歷時約8個月完成，在較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了深水沉船殘骸快速清障，該案例對復(fù)雜海上環(huán)境的清障保航具有重要的參考意義。