李 昌

(交通運輸部廣州打撈局，廣州 510260)

隨著航運業(yè)務的發(fā)展，海上航運為世界的經(jīng)濟發(fā)展提供了強勁的驅(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域的技術(shù)進步。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)域進行沉船打撈清障對保航護航具有重要意義，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，總結(jié)出深水、復雜通航環(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，該方案的成功應用對復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，安提瓜和巴布達籍雜貨船“Thorco Cloud”輪與開曼群島籍化學品運輸船“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備約8 078 t，其中鋼軌重約7 764 t，各種石油設備約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)難點分析

通過對沉船沉沒區(qū)域海上航運、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。

(1)海上航運繁忙。

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)要求嚴苛。

為保障當?shù)睾Ｉ虾竭\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)船舶安全風險防控要求高，傳統(tǒng)拋錨定位浮吊打撈及大型機械設備無法在該區(qū)域開展工作[10]。

(3)沉沒地點水深較深。

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作業(yè)，要求拆解點、抓取點精確度高且在重復作業(yè)中能保證作業(yè)點位一致，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)位置高精度實時監(jiān)控。而該區(qū)域水深較大，殘骸、鋼軌等目標物水下分辨率較差，清理難度大。

(5)海洋水動力條件較強。

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)域存在有流速較強的不定向旋轉(zhuǎn)流和表層流，最大流速可達到5.6 kn，加之風浪影響，極易導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”輪沉船打撈難點分析Fig.4 Analysis of the difficulties in salvaging the sunken ship of Thorco Cloud

(6)其他相關因素。

沉船打撈需要多艘船舶、多種大型機械設備協(xié)同作業(yè)，由于作業(yè)面狹窄，需要將周圍的航運情況、海洋水文、打撈設備工作狀態(tài)等信息進行實時快速共享，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。

通過對這些打撈作業(yè)難點進行分析，針對海上航運繁忙對打撈作業(yè)產(chǎn)生的影響，打撈作業(yè)期間需要對周邊船舶進行實時監(jiān)控預警；作業(yè)要求嚴苛、海洋水動力條件較強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時動態(tài)監(jiān)測；其他作業(yè)難點主要體現(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)上的難點主要體現(xiàn)在四個方面(圖4)：海上預警措施、施工船舶就位、水下高精度實時監(jiān)測、信息傳遞系統(tǒng)。

3 打撈工藝設計與實施

3.1 打撈工藝設計

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

(1)海上預警措施。

由于沉船沉沒區(qū)域航運繁忙，打撈作業(yè)與海上航運二者之間勢必會相互影響，雖然當?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，設立有效的海上預警方案非常重要。打撈作業(yè)前，首先聯(lián)系當?shù)卣蚝Ｊ虏块T，在海事系統(tǒng)中發(fā)布預警信息；作業(yè)期間，申請當?shù)睾Ｊ潞焦懿块T或其他相關部門安排船舶在作業(yè)區(qū)域展開巡邏與預警，并在施工區(qū)域邊界安放浮標、燈樁等警示設備，提醒來往船舶注意避讓；同時接入船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)、雷達等監(jiān)測設備，對周邊活動船舶進行實時監(jiān)控與預警，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。通過設置多重預警措施，確保打撈作業(yè)安全進行。

(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)改造是一個復雜工程，涉及面多且復雜，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柴油機驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳。然后設計外掛式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)水下高精度實時監(jiān)測。

5-a 抓斗 5-b 抓斗聲學影像 5-c 鋼軌 5-d 鋼軌抓取聲學影像圖5 三維實時聲吶水下監(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)水下聲學定位與二維掃描聲吶等相結(jié)合的監(jiān)測方式響應速度慢、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監(jiān)測設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)能對抓斗位置進行實時反饋，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時聲吶系統(tǒng)(Echoscope C500)和超短基線定位系統(tǒng)[15]。三維實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用[16]。

Echoscope C500是全球分辨率最高的實時三維聲吶，能提供實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行實時監(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與鋼軌抓取點(圖5-c和圖5-d)，給Echoscop C500設計了長達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)，纏繞布片或加設導流板，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安裝在抓斗上，采用超短基線和實時三維聲吶共同對抓斗下放、回收位置、沉船殘骸進行監(jiān)測，并將水下監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回控制室。

(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)絡設備，將施工船、抓斗、沉船殘骸及鋼軌的實時監(jiān)測信息，及時反饋給吊機操作者、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度、參與人員、船舶動態(tài)等項目進行規(guī)劃，快速推進沉船打撈工作。

3.2 打撈實施效果

“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，首先對沉船船體進行肢解切塊，再進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結(jié)構(gòu)；首先清理船艉上層建筑及機艙設備，然后清除船艙貨物，最后再對船艉段船體結(jié)構(gòu)進行切割肢解(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的影響。

4 結(jié)語

“Thorco Cloud”輪由于沉沒在水深較大、水動力較強的繁忙航路上，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、工藝設計和實施效果進行分析總結(jié)。

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

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警監(jiān)測手段，對海上來往船舶監(jiān)測預警，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、動力較強導致的船舶就位困難；采用三維成像聲吶系統(tǒng)及超短基線等水下監(jiān)測設備，在打撈過程中對沉船殘骸、抓斗及抓斗抓取位置進行三維實時動態(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)橋等設備搭建工程區(qū)域信息傳遞系統(tǒng)，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)、打撈設備、操作人員等相關信息的實時傳遞與溝通。

“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)實現(xiàn)了深水沉船殘骸快速清障，該案例對復雜海上環(huán)境的清障保航具有重要的參考意義。