抛石基床整平工艺开发与船研制

抛石基床整平工艺开发与船研制

1抛石基床机械平整工艺的必要性和关键技术1.1抛石基床工程概况长江口深水运河一期和二期水库总面积为141.484km，其中50.01km的结构类型为半圆形结构（180t和450t）和半圆形沉淀池结构（每件120t）。需要72.104m的整平基质，0.5.2m的含矿量，以及石头和整平的广泛设计。施工水域逐渐远离陆域趋向外海，工程现场风大、浪高、流急、水中泥沙含量大，能见度极低。根据水文和气象资料统计分析，每年水上可作业天数只有155d，抛石基床工期十分紧迫。面对恶劣的施工条件，宏大的工程规模和紧迫的工期要求，沿用我国传统的抛石基床人工整平工艺是难以保质、保量、保工期、保安全完成的。因此，研制机械化作业效率高、抗风能力强、操作简便，可工作时间长和作业效率高，并能满足抛石基床整平质量精度的专用整平工艺和船机势在必行。1.2关键技术1适应长江河口恶劣环境的条件做到抗风、抗流、抗浪，适应远离陆域，是增加有效工作时间，减少船舶避风次数，安全、优质、高效地完成抛石基床整平作业的关键。2高效研磨抛石技术在定位抛石、整平和质量检测各个工序中，抛石工序的时间约占80%以上，因此，配置高效率的抛石设备，或者采用预抛和现抛相结合，是提高抛石整平总效率的关键。3基于gps的“三化”合一机械化、自动化、智能化的施工，采用的是船、机一体化构思，并以此为出发点进行研制和开发。充分集成现代化先进技术成果，实现“三化”合一，并高度重视对施工过程和质量的监控。由于施工区域处在开敞的海域，采用先进的卫星定位系统即GPS是最佳选择。“三化”合一，具体体现在抛石、整平采用了机械化，船、机定位、高程测定、质量检测采用自动化和智能化。整个施工过程处于流水作业，从而较大限度地提高了恶劣工况条件下的工作效率、工作质量和安全程度的提高。2锚系统设计组成1）长江口航道治理工程所处的水域水底是粉细砂，坡度平缓，而且具有80kPa的承载力，抛石基床要求设在已铺好的软体排上，这就为整平船坐底提供了可能。为此，设计整平船的两侧箱船体坐底，艏艉与两侧箱船体联成整体，同时为形成连续基床，实现移船搭接，在船艏底部开一个“门”字形缺口，开口处设活动闸门为作业提供一个理想的“静态”环境，整平机设在船体的开口“腹腔内”成为机、船一体。鉴此，根据工程图样设计制造的“青平1号”主尺度为总长57m，型宽25m，艏艉楼及两侧箱船体顶甲板型高12m，侧箱片体型宽4.5m，型深5m，满载吃水3.5m，空载吃水2.8m，最大坐底工作水深9m，中间开口42m×16m。按长江口水域工作条件设计，7级风以下海况可24h正常作业，10级风以下海况可以就地坐底抗风停泊。“青平1号”设中央集控室及供40人居住的房间，配备餐厅、厨房、洗手间、会议室等。配有作为工作船所需要的机舱、燃油舱、泵舱、淡水舱、冷却循环水舱、传感器舱，压载舱等。形成六大系统即压载系统，消防、救生系统，供水、环保系统，压缩空气系统，透气、测量、注水系统，通风系统。船舶所有动力选用3台200kW柴油发电机组，可任意2台并车，1台备用。2）为适应长江口水域风浪大、水流急的特点，整平船需配备强大的锚系设施，即主甲板艏艉四角设电动锚绽车4台，锚机工作负荷200kN，最大拉力300kN，制动负荷600kN，速度3～10m/min，缆绳为准40mm钢丝绳700mm长，5185kgAC1-14平台大抓力锚。便于移船定位和减少移锚次数，提高工作效率。3）取消潜水作业，全部操作均在水上进行。设计的整平机主要由整平框架和整平“刮刀”两部分组成。整平机框架由两根纵向主梁和两根横向联接梁组成，主梁上设固定导轨（供整平“刮刀”前后移动）和吊座，框架四周装有导向滚轮导向滑块（用于定位），框架四角装有吃水传感器。框架尺寸小于船体开口尺寸，为41m×14.81m。整平机的升降用4组500kN液压缸吊装在两侧箱船体的桁架上，根据设在整平机框架四角的压力传感器测深系统和GPS系统提供的数据（显示在中控室显示屏上），通过调整4个液压缸的行程对整平机进行升降和水平调整，实现整平基床高程的控制。整平“刮刀”类似推土机铲斗，具有一定的刚度和重量，安装在整平机框架上。整平机的行走为轮式装置，并装有反向钩轮，使行走时保持水平，避免因跳动而引起整平误差。“刮刀”设计宽度12m为双齿，推力为2×400kN，在本船上是由艏至艉为前进方向。“刮刀”底高程即整平高程系通过GPS系统及设在框架两端的压力传感器测深系统提供的数据，操纵液压缸升降整平机框架来完成。整平机可整平的基床厚度为0.5～2.3m，有效长度35m，最大宽度（基床顶宽）12m，当石料规格为10～100kg时，可用“刮刀”一次刮平，达到整平目的。整平“刮刀”的驱动设备由电动机、减速箱、传动齿轮、导链轮和链条构成。主动力是一台30kW电动机，通过两组减速箱后带动链轮，两组链轮安装在同一根传动轴上保持准确同步。电动机转动，经减速箱变速后带动链轮转动，链轮带动两根链条正转或反转，链条通过导向轮牵引整平“刮刀”在框架内间歇式纵向移动，进行整平作业。4）为使抛石整平和质量检测一体化，需设置抛石设备。而该设备的工作效率是决定总效率的关键之一。因此，采用高效设备——克令吊和抓斗。整平船坐底作业、两侧箱船体可直接作为石料运输船的停靠“码头”，船上抓斗从运输船上抓取石料进行抛石作业。同时，在整平船工作甲板开口区上方设置可移动的工作平台，在其上进行质量检测工作，为边抛石、整平，边质量检测提供条件。3船舶船员的配置船舶人员配备（二班制）见表1。4整平工艺4.1中央集控室内操作采用GPS预定船位后，对角抛下艏艉锚各一个，调整锚缆松紧及长度，确认船位无误后，由锚艇送出其余两个锚。在中央集控室内操作4台锚机主令控制器，操纵锚机调整船位和控制移船速度。待CRT显示器上设定的船位与GPS输入船位重合时，准备注入压载。4.2保护船位和流场整平船准确定位后，打开海底阀门，开启通向各个压载舱的电动蝶阀，向各压载舱自然注水或强制注水。在下沉过程中随时调整各个阀门的开度，以调整船的浮态，保证船体平稳下沉，并随时用4台锚机调整船位以保证准确定位。确认船已坐底后各压载舱的蝶阀应敞开使舱内水面同舱外保持一致，以适应潮水涨落时对船体的浮力的变化要求。在水深较深时，为避免靠船及整平机作业时船体发生滑移，应单独向几个压载舱强制注水到一定水位，其注水深度参考本船坐底稳定计算书舱容曲线。高潮时最大水深控制在9m以内。4.3预留沉降量1）“刮刀”底高程为基床设计高程加预留沉降量。2）由船上2个GPS和8个压力传感器测深系统确定整平“刮刀”高程，用4台液压缸进行调整。4.4抛石铺平4.4.1石材规格基床石料规格为10～100kg。4.4.2基床、实抛高度抛石前，整平“刮刀”及作业平台应靠紧艏部。石料自“刮刀”前沿按基床断面分行定点抛放，每行宽度为2～3m。基床实抛高度应高出要求高度30～50cm，在基床断面两侧下料要高一些。抓斗抛放密度应由抓斗实际抓石量和基床厚度确定，抓斗开斗时应尽量靠近水面。4.4.3抗混叠保护时表的误动值1）牵引“刮刀”前进，以前进1档行走，将石料刮平并密切注意电流表的读数，发现超载（已设两级超载保护）及时停机，排除故障。2）考虑青平1号艉部无“门”字形缺口，故抛石至整平框架尾部4～5m时，控制抛石高度要低于设计高度，以防整平时刮石卡住整平“刮刀”。4.5工程质量评定整平完的基床随时进行验收。验收方法采用在整平船甲板上架设水准仪，塔尺测点，基准点高程由GPS系统提供，测量点数和验收标准按照《长江口深水航道治理一期工程整治建筑物工程质量检验评定标准》进行。通过工作平台测水深对已抛的基床检验是否满足要求，不足之处应补抛。4.6船岸起浮时停止排水1）本船位整平的基床验收合格后，开始排压载水，待船体起浮30～50cm时停止排水，移船至下一船位。2）下个船位整平面与上个船位整平面搭接1m，即一船位“刮刀”起点前已有1m整平好的基床。5“长建1号”抛石整平船坐底式基床抛石整平船具有以下优点：1）抗风浪能力强，大大增加了作业时间。2）船位及高程定位准确，整平质量好、精度高。3）抛石、整平和质量检测一体化流水作业，机械化程度高，避免了潜水员水下作业，全部操作均在水上进行，工作效率高。4）基床抛石损耗量低。5）各种机械设备性能良好，工作安全可靠，操作简单。6）船上生活设施齐全，可作为水上作业的指挥中心。经过长江口工程的基床抛石整平施工，证明整平船的研制是成功的，整平误差控制在±5cm，整平效率达到2～3个船位/工作日，日进尺60m，创国内水运工程机械化抛石整平精度、效率及完全取消潜水作业的新纪录，填补了国内水下基床整平工艺的空白，是一种值得发展和推广的方法。在“青平1号”成功应用的基础上，为适应长江口二期工程的深水、软弱地基作业和基床断面加宽的需要，一航局受长江口航道建设有限公司的委托，又建造了一艘坐底式基床抛石整平船“长建1号”。“长建1号”的结构型式、工艺原理与“青平1号”基本相同，但船