航工平1自升式拋石整平平臺船研制與應(yīng)用

航工平1自升式拋石整平平臺船研制與應(yīng)用

1拋石整平施工難度加大,成為“青長江口深水管道修復(fù)工程是中國歷史上最大的河流治理工程。主要工程是在長江口水域從橫沙島開始朝外海方向修建兩條長達(dá)50余km的導(dǎo)堤,引流歸潮,依靠水流的自然沖刷保持通航水域的常年水深達(dá)到12.5m,達(dá)到提高通航能力的目的。傳統(tǒng)的潛水員水下人工整平和簡易的機械整平已經(jīng)無法在惡劣的施工條件下完成工程量如此巨大的基床拋石整平施工。一期工程期間,一航局研制開發(fā)出我國第一條大型坐底式機械整平船“青平1號”,在一期工程中使用效果良好,發(fā)揮了不可替代的重要作用并申請了國家專利。二航局承擔(dān)的長江口深水航道治理二期SIIB標(biāo)工程,總長度約11.5km,水深小于10m的部分堤段,仍使用“青平1號”拋石整平。隨著施工區(qū)域逐漸向外海延伸,工況越來越惡劣,水深逐漸增加,拋石基床加厚,而且“青平1號”坐在軟體排上的搖晃極易造成排體的破壞。在此情況下,即使“青平1號”進(jìn)行較大的改造也難以完成原定SIIB標(biāo)段的拋石整平計劃。為確保該計劃的完成,二航局于2002年底聯(lián)合上海交通大學(xué)等科研設(shè)計單位,開始研制“航工平1”自升式拋石整平平臺船(以下簡稱“航工平1”),并于2003年7月在長江口二期工程SIIB標(biāo)段施工現(xiàn)場投入使用,其效果非常明顯,達(dá)到了預(yù)期目的。2設(shè)備工作原理“航工平1”的研發(fā)構(gòu)想是在深入調(diào)查長江口二期工程工況條件和認(rèn)真總結(jié)一期工程坐底整平船適應(yīng)性不足的基礎(chǔ)上制定的,是利用平臺技術(shù)嫁接到船舶使用功能上,使之既具備船舶的性能又可以發(fā)揮平臺的強適應(yīng)性。研究的主要內(nèi)容包括該設(shè)備的施工作業(yè)方式、結(jié)構(gòu)、支腿靴板對基礎(chǔ)的壓力、升降裝置、拋石整平機構(gòu)、拖航穩(wěn)定、作業(yè)時的穩(wěn)定以及自存狀態(tài)的穩(wěn)定等。其船體是一個“回”型結(jié)構(gòu),依靠四支角上帶靴板的支腿站立在河床軟體排上,支腿和平臺間用液壓升降裝置聯(lián)結(jié),平臺移動時支腿收起,離開河床漂浮。平臺作業(yè)時支腿靴板坐底,液壓升降裝置將平臺升離水面,水平地固定在需要的高度上。平臺中部是空框,框邊安裝滑軌和滑塊。整平刮刀架置于滑塊中,可以上下調(diào)節(jié)定位高度。作業(yè)時牽引滑塊,刮刀推動基床面塊石達(dá)到整平的目的。拋石用安裝在平臺兩側(cè)的克令吊進(jìn)行,電動抓斗從運石船上抓石投入可以在刮刀架上移動的下料溜筒中,石料按需要定點拋到基床上。一次坐底就位可以整平20m,完成后收腿移至下一船位(圖1)。3適應(yīng)性條件3.1接受分類操作的海況最大風(fēng)力:浦氏6級(13.9m/s);最大波高:1.2m;最大流速:1.5m/s。3.2拋石和整平海的滿足最大風(fēng)力:浦氏7級(17.2m/s);最大波高:1.5m;最大流速:1.5m/s;作業(yè)水深:4～11m。3.3破損穩(wěn)性的計算風(fēng)速平臺在蒲氏風(fēng)力8級以下時(≤20.7m/s),近海調(diào)遣;風(fēng)速為36m/s時,風(fēng)暴遷航;破損穩(wěn)性的計算風(fēng)速為25.8m/s。拖航時,4個帶樁靴的樁腿完全升起,并用固樁塊良好固定,樁靴頂部與平臺基線間距為0.1m。3.4基本結(jié)構(gòu)整平基床最大頂寬:14m;整平基床厚度范圍:0.5～5.0m;整平石料規(guī)格:1～100kg。3.5泥質(zhì)河口一些設(shè)計軟體排容許壓力≥22kPa;原狀淤泥質(zhì)河床面層(承載力≤20kPa)厚度小于1.5m;靴板范圍(12m×17m)基床不平度≯40cm。4基本結(jié)構(gòu)4.1樁u樁u水樁平臺型深、高、設(shè)計“航工平1”的主要技術(shù)參數(shù)如下:錨泊系統(tǒng):1臺35t錨機和3臺16t錨機,4個5t丹福爾錨;平臺型長:39.00m;平臺型寬:36.00m;平臺型深:3.20m;設(shè)計吃水:1.50m;排水量:2517.6t;肋距:0.5m;樁腿直徑:2.1m;樁腿長度:28.0m(含樁靴厚度2.0m);樁腿壁厚:30.0mm;樁靴長度:16.8m;樁靴寬度:11.8m;樁靴高度:2.0m;樁腿數(shù)量:4個;升船能力:450t×4;起重能力:25t×28m一臺;25t×24.5m一臺;首甲板室:1層,層高2.5m;尾甲板室:1層,層高2.5m。4.2升降系統(tǒng)4.2.1鞋板面積計算m靴板尺寸取決于平臺升離水面狀態(tài)時,在一定風(fēng)浪條件下對基床的最大壓力F靴必須小于軟體排所能承受的容許壓力F容。平臺在坐底工作時自重(22.83MN)減去樁腿浮力(10.63MN)的一半(因為靴板底面與基面貼緊后會產(chǎn)生吸附力,假定浮力折減50%),樁腿壓重為W靴=17250kN;風(fēng)和波流載荷在平臺斜向引起的力矩產(chǎn)生的力W風(fēng)浪=250kN;軟體排所能承受的容許壓力F容參考“青平1號”設(shè)計,其取值為25kPa?？紤]到“青平1號”在二期工程海況條件下,多次發(fā)生坐壞軟體排的情況,適當(dāng)減小平臺坐底壓力,F容取值為22kPa。由此計算靴板面積:計算結(jié)果:S靴≥795m2。每個靴板尺寸設(shè)計為16.8m×11.8m;4只靴板面積S靴=198.24×4=793m2≈795m2。4.2.2液壓環(huán)梁插銷平臺升降裝置(圖2)是自升式平臺的關(guān)鍵設(shè)備,由樁腿、升降機構(gòu)、升降機構(gòu)室(固樁區(qū)),液壓提升系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)組成。本平臺采用圓筒形樁腿的液壓環(huán)梁插銷形式,通過升降油缸的伸縮,液壓插銷與樁腿插銷孔間的嚙合/脫開可以實現(xiàn)下樁、平臺提升、平臺下降、拔樁及提樁等功能。本平臺有4條樁腿,每條樁體由各自的液壓提升系統(tǒng)控制,平臺升降機構(gòu)(包括動環(huán)梁組件、固定環(huán)梁組件、升降油缸、插銷油缸)通過懸掛裝置,懸掛在升降機構(gòu)室的頂部,電氣控制箱在機構(gòu)旁邊,液壓泵站及液壓控制系統(tǒng)(4個樁腿分為左右兩套)布置在艙內(nèi)。另外,在甲板面(駕控臺)還單獨設(shè)計一套調(diào)水平集中電控系統(tǒng)。4.2.3平臺拋石整平平臺進(jìn)行拋石整平作業(yè)時,主要是通過4根樁腿的樁靴作用在基床底的砂肋軟體排上作為平臺的支撐。如果最大風(fēng)力大于浦氏7級(17.2m/s)或最大波高大于1.5m時,平臺拋石整平作業(yè)就不能正常進(jìn)行。為防止工程的實體部分砂肋軟體排遭到由于整平船坐在軟體排上的搖晃造成排體破壞的危險,整平船必須離開砂肋軟體排在天然海床坐底避風(fēng)。此時靴板可能陷進(jìn)淤泥,拔腿會受底面吸附力影響,因此在靴板底安裝有高壓水射孔。通過高壓水?dāng)_動底部泥土,減小吸附力,從而減少平臺起浮時間,提高平臺的施工工效。4.3滑動長板及刀架機構(gòu)平臺拋石整平系統(tǒng)由平臺吊機、刮刀架、刮刀架固定滑塊、石料溜槽、牽引絞車、導(dǎo)向滑輪和滑動導(dǎo)軌等組成(圖3)。本平臺拋石整平系統(tǒng)安裝在平臺中間16000mm×28000mm的開槽內(nèi),在平臺兩側(cè)平臺甲板和船底分別設(shè)置有滑動導(dǎo)軌共4條,導(dǎo)軌與平臺采用焊接連接,整個刀架機構(gòu)可以在牽引絞車的牽引下沿著上下導(dǎo)軌前后移動。刀架機構(gòu)由1個刮刀架和2個刮刀架固定滑塊組成,刮刀架在固定滑塊中上、下移動由平臺甲板起重機完成。吊到位后,用插銷與固定滑塊鎖死。石料溜槽懸掛在刮刀架前面,可以沿著刮刀架上滑軌左、右移動,以便于拋石。固定滑塊移動帶動刀架和石料溜槽一起運動,從而完成拋石整平工作。平臺理論上一次刮平長度為21.6m,實際作業(yè)長度為20m,寬度為14m。4.3.1電動抓斗裝置平臺上裝備有2臺克令吊,28m×25t1臺,24.5m×25t1臺,2只電動抓斗均為3m3。運石船可在平臺兩側(cè)系靠,2臺吊機抓斗可以覆蓋整個整平船位。4.3.2材料準(zhǔn)備懸掛在刮刀架上的溜筒用卷揚機左右移位,定點下料。溜筒兩側(cè)裝有鋼絲繩吊放的測量桿,測量拋石前后的石料高程,控制拋石量。4.3.3鋼板和土工布抗滑阻力驗算參照“青平1號”刮刀最大推刮力按F=1200kN考慮。水平方向推刮力靠靴板與軟體排間的摩擦力平衡。鋼板與土工布的摩擦系數(shù)f取0.3。平臺完全離開水面坐底重量W全=1220t,抗滑阻力R全=W全×f(kN);計算得R全=12200×0.3=3660(kN);整平抗滑安全系數(shù)K全=R全/F=3660/1200=3.05。4.3.4拉伸滑動方式刮刀架工作的牽引系統(tǒng)通過2臺200kN的液壓絞車,分別正反向鋼絲繩滑輪方式牽引。正向最大推刮力1200kN,推進(jìn)速度約0.8m/s;反向退回速度約1.0m/s。一個船位有效整平長度20m。4.3.5角部位各裝置設(shè)計刮刀架重約80t,其上下升降由平臺上液壓油缸完成。平臺上滑塊四角部位各裝置一只行程65cm、頂力300kN油缸。刮刀架四角立柱上開有間距60cm插銷孔,油缸頂住插銷作步進(jìn)式升降,步距60cm。刮刀可以在平臺升離高潮位狀態(tài)調(diào)整需要的基床整平高程。4.4錨系統(tǒng)3臺16t液壓卷揚機配5t丹福爾錨、500m鋼絲繩;1臺35t電動主卷揚機在大風(fēng)浪時抗風(fēng)拋錨。5計算的穩(wěn)定性5.1抗滑穩(wěn)性的計算和校核根據(jù)中國船級社《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(1992)(以下簡稱“規(guī)范”)第三篇第三章第3節(jié)的要求對本平臺的抗滑穩(wěn)性進(jìn)行計算和校核。5.1.1見本規(guī)范4.1的基本尺寸5.1.2計算坐標(biāo)系標(biāo)系原點位于平臺中心線0號肋位處,X軸向首為正,Y軸向左舷為正,坐標(biāo)系見圖4。1計算環(huán)境負(fù)荷和環(huán)境市長的組合本平臺在正常作業(yè)和自存狀態(tài)時各方向的外載荷組合取自“波流載荷計算書”第6節(jié),參見表1和表2,表中力矩為外力對海底泥面處的力矩。2抗滑穩(wěn)性校核從作業(yè)和自存狀態(tài)的外載荷組合表中可知:自存狀態(tài)時斜向受外力最大(滑移力Fh=1508.90kN),另從“抗傾穩(wěn)性計算書”中可知:工況2時的重量較輕(Wz=12001.58kN),因此抗滑穩(wěn)性最危險情況為自存狀態(tài)斜向受外力時,可按此狀態(tài)進(jìn)行計算校核。此平臺工作時,樁靴坐在土工織物上,樁靴和土工織物的摩擦系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗可取0.3。3滑移力fh的計算計算公式:式中:F為風(fēng)力(kN);∑Fli為波流力(kN)4rh抗滑阻力計算公式設(shè)抗滑阻力由樁靴底部與土的摩擦力構(gòu)成。式中:Wz為自存工況時的重量;f為樁靴與土工織物的摩擦系數(shù),取為0.3。5抗滑系數(shù)kh的調(diào)整計算公式:Kh=Rh/Fh(3)“移動規(guī)范”要求:自存工況時Kh應(yīng)不小于1.2。計算校核結(jié)果見表3。6施工方法6.1施工過程施工流程如圖5示。6.2施工準(zhǔn)備6.2.1覆巖調(diào)頂高程本項目執(zhí)行《長江口深水航道治理工程整治建筑物工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定:排體不得有破損,回淤沉積物厚度不應(yīng)大于300cm,整平基床頂高程允許偏差±100mm,邊線不小于設(shè)計寬度。石料強度與規(guī)格應(yīng)符合設(shè)計要求。6.2.2基床頂高程和壓縮量刮刀高程即整平施工控制高程A的確定公式:式中:S為設(shè)計基床頂高程,已考慮地基沉降量;Y為拋石基床本身壓縮量,根據(jù)經(jīng)驗取基床厚度的5%;D為刮刀提高量,參照《青平1號》經(jīng)驗取10cm。6.2.3平臺鞋板坐底的檢查平臺就位前10天,應(yīng)對前方200m排基進(jìn)行水深測量和潛水探摸,如果發(fā)現(xiàn)排基高程有明顯變化,必須繼續(xù)探明原因,必要時進(jìn)行處理。為避免平臺靴板坐底時破壞排布,對整平基床搭接部位是否有散落到坐底范圍的塊石應(yīng)進(jìn)行潛水重點檢查。為了支腿坐底后保持必要的垂直度,避免破壞軟體排,每個靴扳范圍的基床平整度高差不宜大于30cm。6.2.4計算石及自航駁運輸整平一個船位20m,基床厚度按1.5m計算約需石料500m3。1～100kg塊石用1000t自航駁裝運至現(xiàn)場。正常施工按1個工作天2個船位計劃,需供兩船。6.3平臺上升和預(yù)壓平臺在起浮收腿狀態(tài)下用拖輪拖航,在施工段水域拋四口錨大致就位,滿足200m整平范圍移位。依靠船裝GPS精確定位,平臺到達(dá)目的地后,利用移船絞車定位,并調(diào)平。然后人工控制4個樁,同時或單獨下放,通過壓力表可知道樁靴是否觸地,一直到四樁靴均接觸地面,完成下樁動作。平臺下樁結(jié)束后,就可使平臺上升,此動作盡量四樁同步,以保持平臺的水平。待船底上升到一定程度后可對樁靴基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)壓,預(yù)壓動作為兩對角線樁交替逐步預(yù)壓,一直到系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時,平臺不再上升。在預(yù)壓過程中,平臺逐步離開水面,待4個樁預(yù)壓結(jié)束后,4個樁腿同時舉升平臺到達(dá)希望高度。即在低潮位坐底時,為了滿足運石船靠船,平臺船底應(yīng)高于潮位半個潮差加浪高,平臺到位后靠4個腿的插銷掛定在支腿上。潮位上漲,平臺作第2次提升,船底離開高潮位1m。在船體上升過程中應(yīng)逐步松開移船絞車。平臺調(diào)平在集中控制室內(nèi)操縱,根據(jù)水平儀顯示及刮刀工作深度微調(diào)4個樁腿的升降高度,動作結(jié)束后,平臺可進(jìn)入工作狀態(tài)。6.4加刀架的設(shè)計當(dāng)平臺定位完成進(jìn)入工作狀態(tài)后,操作油缸降下滑塊中的刮刀架。刀架以分級插銷方式調(diào)整高度,在最后一個步距鎖定油缸,將刮刀固定在要求高程的位置上,刀口處于與上一段搭接1m的斷面。料斗移至刀架端部。6.5石材研磨6.5.1拋石作業(yè)系統(tǒng)根據(jù)潮流情況,石料運輸船可分別停泊在平臺的兩側(cè),拋石作業(yè)即可開始。運石船上裝備1臺0.5m3反鏟用于堆攏塊石,便于抓斗抓石飽滿?？肆畹跖鋫涞?m3電動抓斗抓石投入料斗倉,塊石通過溜筒拋到排基上。6.5.2已拋斗位石面高程測量啟動卷揚機,牽引刮刀架上的料斗移位到下一斗位。用安裝在溜筒上側(cè)的測量桿測量已拋斗位的石面高程,控制高程高于刮刀高程30～50cm;用下側(cè)測量桿測量未拋斗位的基床高程,確定拋石量。6.6開展總預(yù)算6.6.1卷揚、牽引刀架滑塊整平拋石完成1個斷面后(進(jìn)尺約2m),啟動卷揚機,牽引刀架滑塊,利用刮刀推動基床面塊石進(jìn)行整平。注意每次進(jìn)尺不能超過前方拋石棱體,保持兩側(cè)滑塊行走均勻。6.6.2基床高程驗收測量完成一個船位整平后,提起刮刀,牽引刀架作為測量平臺,每5m一個斷面,每2m一個測點,定位允許偏差10cm,進(jìn)行基床高程驗收測量。驗收高程不低于施工控制高程(即刮刀高程)A-10cm。6.7結(jié)束整體6.7.1提升刀盤高度結(jié)束1個船位(約20m)整平后,用2臺克令吊提升刮刀架,使刀口高于靠船箱體底。刮刀架結(jié)構(gòu)(含料斗)總質(zhì)量72t,水下浮箱浮力45t,提升力27t。6.7.2降低船之間的平衡每一船位工作結(jié)束后,平臺需要下降,下降動作在固樁室內(nèi)操縱。當(dāng)船體下降至重力與浮力平衡時,需要拔樁。如拔樁力過大可采用對角線樁成對交替進(jìn)行,在拔樁時應(yīng)帶緊移船絞車?yán)|繩。當(dāng)樁靴拔離支承層后,繼續(xù)將樁提升到一定的高度,即可移船進(jìn)入下一船位施工。6.7.3平臺運行偏移拋錨范圍可滿足平臺在堤軸線方向移位100m,即拋錨1次整平5個船位。平臺起浮狀態(tài)鉸纜移位。6.8每拋石3m的算例工效主要取決于抓斗拋石的速度和抓盈率。完成一個從船上抓石、往料斗拋石、再回到船上抓石的動作按4分鐘考慮,3m3電動