航工平1自升式抛石整平平台船研制与应用

航工平1自升式抛石整平平台船研制与应用

1抛石整平施工难度加大,成为“青长江口深水管道修复工程是中国历史上最大的河流治理工程。主要工程是在长江口水域从横沙岛开始朝外海方向修建两条长达50余km的导堤,引流归潮,依靠水流的自然冲刷保持通航水域的常年水深达到12.5m,达到提高通航能力的目的。传统的潜水员水下人工整平和简易的机械整平已经无法在恶劣的施工条件下完成工程量如此巨大的基床抛石整平施工。一期工程期间,一航局研制开发出我国第一条大型坐底式机械整平船“青平1号”,在一期工程中使用效果良好,发挥了不可替代的重要作用并申请了国家专利。二航局承担的长江口深水航道治理二期SIIB标工程,总长度约11.5km,水深小于10m的部分堤段,仍使用“青平1号”抛石整平。随着施工区域逐渐向外海延伸,工况越来越恶劣,水深逐渐增加,抛石基床加厚,而且“青平1号”坐在软体排上的摇晃极易造成排体的破坏。在此情况下,即使“青平1号”进行较大的改造也难以完成原定SIIB标段的抛石整平计划。为确保该计划的完成,二航局于2002年底联合上海交通大学等科研设计单位,开始研制“航工平1”自升式抛石整平平台船(以下简称“航工平1”),并于2003年7月在长江口二期工程SIIB标段施工现场投入使用,其效果非常明显,达到了预期目的。2设备工作原理“航工平1”的研发构想是在深入调查长江口二期工程工况条件和认真总结一期工程坐底整平船适应性不足的基础上制定的,是利用平台技术嫁接到船舶使用功能上,使之既具备船舶的性能又可以发挥平台的强适应性。研究的主要内容包括该设备的施工作业方式、结构、支腿靴板对基础的压力、升降装置、抛石整平机构、拖航稳定、作业时的稳定以及自存状态的稳定等。其船体是一个“回”型结构,依靠四支角上带靴板的支腿站立在河床软体排上,支腿和平台间用液压升降装置联结,平台移动时支腿收起,离开河床漂浮。平台作业时支腿靴板坐底,液压升降装置将平台升离水面,水平地固定在需要的高度上。平台中部是空框,框边安装滑轨和滑块。整平刮刀架置于滑块中,可以上下调节定位高度。作业时牵引滑块,刮刀推动基床面块石达到整平的目的。抛石用安装在平台两侧的克令吊进行,电动抓斗从运石船上抓石投入可以在刮刀架上移动的下料溜筒中,石料按需要定点抛到基床上。一次坐底就位可以整平20m,完成后收腿移至下一船位(图1)。3适应性条件3.1接受分类操作的海况最大风力:浦氏6级(13.9m/s);最大波高:1.2m;最大流速:1.5m/s。3.2抛石和整平海的满足最大风力:浦氏7级(17.2m/s);最大波高:1.5m;最大流速:1.5m/s;作业水深:4～11m。3.3破损稳性的计算风速平台在蒲氏风力8级以下时(≤20.7m/s),近海调遣;风速为36m/s时,风暴迁航;破损稳性的计算风速为25.8m/s。拖航时,4个带桩靴的桩腿完全升起,并用固桩块良好固定,桩靴顶部与平台基线间距为0.1m。3.4基本结构整平基床最大顶宽:14m;整平基床厚度范围:0.5～5.0m;整平石料规格:1～100kg。3.5泥质河口一些设计软体排容许压力≥22kPa;原状淤泥质河床面层(承载力≤20kPa)厚度小于1.5m;靴板范围(12m×17m)基床不平度≯40cm。4基本结构4.1桩u桩u水桩平台型深、高、设计“航工平1”的主要技术参数如下:锚泊系统:1台35t锚机和3台16t锚机,4个5t丹福尔锚;平台型长:39.00m;平台型宽:36.00m;平台型深:3.20m;设计吃水:1.50m;排水量:2517.6t;肋距:0.5m;桩腿直径:2.1m;桩腿长度:28.0m(含桩靴厚度2.0m);桩腿壁厚:30.0mm;桩靴长度:16.8m;桩靴宽度:11.8m;桩靴高度:2.0m;桩腿数量:4个;升船能力:450t×4;起重能力:25t×28m一台;25t×24.5m一台;首甲板室:1层,层高2.5m;尾甲板室:1层,层高2.5m。4.2升降系统4.2.1鞋板面积计算m靴板尺寸取决于平台升离水面状态时,在一定风浪条件下对基床的最大压力F靴必须小于软体排所能承受的容许压力F容。平台在坐底工作时自重(22.83MN)减去桩腿浮力(10.63MN)的一半(因为靴板底面与基面贴紧后会产生吸附力,假定浮力折减50%),桩腿压重为W靴=17250kN;风和波流载荷在平台斜向引起的力矩产生的力W风浪=250kN;软体排所能承受的容许压力F容参考“青平1号”设计,其取值为25kPa。考虑到“青平1号”在二期工程海况条件下,多次发生坐坏软体排的情况,适当减小平台坐底压力,F容取值为22kPa。由此计算靴板面积:计算结果:S靴≥795m2。每个靴板尺寸设计为16.8m×11.8m;4只靴板面积S靴=198.24×4=793m2≈795m2。4.2.2液压环梁插销平台升降装置(图2)是自升式平台的关键设备,由桩腿、升降机构、升降机构室(固桩区),液压提升系统及电气控制系统组成。本平台采用圆筒形桩腿的液压环梁插销形式,通过升降油缸的伸缩,液压插销与桩腿插销孔间的啮合/脱开可以实现下桩、平台提升、平台下降、拔桩及提桩等功能。本平台有4条桩腿,每条桩体由各自的液压提升系统控制,平台升降机构(包括动环梁组件、固定环梁组件、升降油缸、插销油缸)通过悬挂装置,悬挂在升降机构室的顶部,电气控制箱在机构旁边,液压泵站及液压控制系统(4个桩腿分为左右两套)布置在舱内。另外,在甲板面(驾控台)还单独设计一套调水平集中电控系统。4.2.3平台抛石整平平台进行抛石整平作业时,主要是通过4根桩腿的桩靴作用在基床底的砂肋软体排上作为平台的支撑。如果最大风力大于浦氏7级(17.2m/s)或最大波高大于1.5m时,平台抛石整平作业就不能正常进行。为防止工程的实体部分砂肋软体排遭到由于整平船坐在软体排上的摇晃造成排体破坏的危险,整平船必须离开砂肋软体排在天然海床坐底避风。此时靴板可能陷进淤泥,拔腿会受底面吸附力影响,因此在靴板底安装有高压水射孔。通过高压水扰动底部泥土,减小吸附力,从而减少平台起浮时间,提高平台的施工工效。4.3滑动长板及刀架机构平台抛石整平系统由平台吊机、刮刀架、刮刀架固定滑块、石料溜槽、牵引绞车、导向滑轮和滑动导轨等组成(图3)。本平台抛石整平系统安装在平台中间16000mm×28000mm的开槽内,在平台两侧平台甲板和船底分别设置有滑动导轨共4条,导轨与平台采用焊接连接,整个刀架机构可以在牵引绞车的牵引下沿着上下导轨前后移动。刀架机构由1个刮刀架和2个刮刀架固定滑块组成,刮刀架在固定滑块中上、下移动由平台甲板起重机完成。吊到位后,用插销与固定滑块锁死。石料溜槽悬挂在刮刀架前面,可以沿着刮刀架上滑轨左、右移动,以便于抛石。固定滑块移动带动刀架和石料溜槽一起运动,从而完成抛石整平工作。平台理论上一次刮平长度为21.6m,实际作业长度为20m,宽度为14m。4.3.1电动抓斗装置平台上装备有2台克令吊,28m×25t1台,24.5m×25t1台,2只电动抓斗均为3m3。运石船可在平台两侧系靠,2台吊机抓斗可以覆盖整个整平船位。4.3.2材料准备悬挂在刮刀架上的溜筒用卷扬机左右移位,定点下料。溜筒两侧装有钢丝绳吊放的测量杆,测量抛石前后的石料高程,控制抛石量。4.3.3钢板和土工布抗滑阻力验算参照“青平1号”刮刀最大推刮力按F=1200kN考虑。水平方向推刮力靠靴板与软体排间的摩擦力平衡。钢板与土工布的摩擦系数f取0.3。平台完全离开水面坐底重量W全=1220t,抗滑阻力R全=W全×f(kN);计算得R全=12200×0.3=3660(kN);整平抗滑安全系数K全=R全/F=3660/1200=3.05。4.3.4拉伸滑动方式刮刀架工作的牵引系统通过2台200kN的液压绞车,分别正反向钢丝绳滑轮方式牵引。正向最大推刮力1200kN,推进速度约0.8m/s;反向退回速度约1.0m/s。一个船位有效整平长度20m。4.3.5角部位各装置设计刮刀架重约80t,其上下升降由平台上液压油缸完成。平台上滑块四角部位各装置一只行程65cm、顶力300kN油缸。刮刀架四角立柱上开有间距60cm插销孔,油缸顶住插销作步进式升降,步距60cm。刮刀可以在平台升离高潮位状态调整需要的基床整平高程。4.4锚系统3台16t液压卷扬机配5t丹福尔锚、500m钢丝绳;1台35t电动主卷扬机在大风浪时抗风抛锚。5计算的稳定性5.1抗滑稳性的计算和校核根据中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》(1992)(以下简称“规范”)第三篇第三章第3节的要求对本平台的抗滑稳性进行计算和校核。5.1.1见本规范4.1的基本尺寸5.1.2计算坐标系标系原点位于平台中心线0号肋位处,X轴向首为正,Y轴向左舷为正,坐标系见图4。1计算环境负荷和环境市长的组合本平台在正常作业和自存状态时各方向的外载荷组合取自“波流载荷计算书”第6节,参见表1和表2,表中力矩为外力对海底泥面处的力矩。2抗滑稳性校核从作业和自存状态的外载荷组合表中可知:自存状态时斜向受外力最大(滑移力Fh=1508.90kN),另从“抗倾稳性计算书”中可知:工况2时的重量较轻(Wz=12001.58kN),因此抗滑稳性最危险情况为自存状态斜向受外力时,可按此状态进行计算校核。此平台工作时,桩靴坐在土工织物上,桩靴和土工织物的摩擦系数根据经验可取0.3。3滑移力fh的计算计算公式:式中:F为风力(kN);∑Fli为波流力(kN)4rh抗滑阻力计算公式设抗滑阻力由桩靴底部与土的摩擦力构成。式中:Wz为自存工况时的重量;f为桩靴与土工织物的摩擦系数,取为0.3。5抗滑系数kh的调整计算公式:Kh=Rh/Fh(3)“移动规范”要求:自存工况时Kh应不小于1.2。计算校核结果见表3。6施工方法6.1施工过程施工流程如图5示。6.2施工准备6.2.1覆岩调顶高程本项目执行《长江口深水航道治理工程整治建筑物工程质量检验评定标准》有关规定:排体不得有破损,回淤沉积物厚度不应大于300cm,整平基床顶高程允许偏差±100mm,边线不小于设计宽度。石料强度与规格应符合设计要求。6.2.2基床顶高程和压缩量刮刀高程即整平施工控制高程A的确定公式:式中:S为设计基床顶高程,已考虑地基沉降量;Y为抛石基床本身压缩量,根据经验取基床厚度的5%;D为刮刀提高量,参照《青平1号》经验取10cm。6.2.3平台鞋板坐底的检查平台就位前10天,应对前方200m排基进行水深测量和潜水探摸,如果发现排基高程有明显变化,必须继续探明原因,必要时进行处理。为避免平台靴板坐底时破坏排布,对整平基床搭接部位是否有散落到坐底范围的块石应进行潜水重点检查。为了支腿坐底后保持必要的垂直度,避免破坏软体排,每个靴扳范围的基床平整度高差不宜大于30cm。6.2.4计算石及自航驳运输整平一个船位20m,基床厚度按1.5m计算约需石料500m3。1～100kg块石用1000t自航驳装运至现场。正常施工按1个工作天2个船位计划,需供两船。6.3平台上升和预压平台在起浮收腿状态下用拖轮拖航,在施工段水域抛四口锚大致就位,满足200m整平范围移位。依靠船装GPS精确定位,平台到达目的地后,利用移船绞车定位,并调平。然后人工控制4个桩,同时或单独下放,通过压力表可知道桩靴是否触地,一直到四桩靴均接触地面,完成下桩动作。平台下桩结束后,就可使平台上升,此动作尽量四桩同步,以保持平台的水平。待船底上升到一定程度后可对桩靴基础进行预压,预压动作为两对角线桩交替逐步预压,一直到系统压力达到设定值时,平台不再上升。在预压过程中,平台逐步离开水面,待4个桩预压结束后,4个桩腿同时举升平台到达希望高度。即在低潮位坐底时,为了满足运石船靠船,平台船底应高于潮位半个潮差加浪高,平台到位后靠4个腿的插销挂定在支腿上。潮位上涨,平台作第2次提升,船底离开高潮位1m。在船体上升过程中应逐步松开移船绞车。平台调平在集中控制室内操纵,根据水平仪显示及刮刀工作深度微调4个桩腿的升降高度,动作结束后,平台可进入工作状态。6.4加刀架的设计当平台定位完成进入工作状态后,操作油缸降下滑块中的刮刀架。刀架以分级插销方式调整高度,在最后一个步距锁定油缸,将刮刀固定在要求高程的位置上,刀口处于与上一段搭接1m的断面。料斗移至刀架端部。6.5石材研磨6.5.1抛石作业系统根据潮流情况,石料运输船可分别停泊在平台的两侧,抛石作业即可开始。运石船上装备1台0.5m3反铲用于堆拢块石,便于抓斗抓石饱满。克令吊配备的3m3电动抓斗抓石投入料斗仓,块石通过溜筒抛到排基上。6.5.2已抛斗位石面高程测量启动卷扬机,牵引刮刀架上的料斗移位到下一斗位。用安装在溜筒上侧的测量杆测量已抛斗位的石面高程,控制高程高于刮刀高程30～50cm;用下侧测量杆测量未抛斗位的基床高程,确定抛石量。6.6开展总预算6.6.1卷扬、牵引刀架滑块整平抛石完成1个断面后(进尺约2m),启动卷扬机,牵引刀架滑块,利用刮刀推动基床面块石进行整平。注意每次进尺不能超过前方抛石棱体,保持两侧滑块行走均匀。6.6.2基床高程验收测量完成一个船位整平后,提起刮刀,牵引刀架作为测量平台,每5m一个断面,每2m一个测点,定位允许偏差10cm,进行基床高程验收测量。验收高程不低于施工控制高程(即刮刀高程)A-10cm。6.7结束整体6.7.1提升刀盘高度结束1个船位(约20m)整平后,用2台克令吊提升刮刀架,使刀口高于靠船箱体底。刮刀架结构(含料斗)总质量72t,水下浮箱浮力45t,提升力27t。6.7.2降低船之间的平衡每一船位工作结束后,平台需要下降,下降动作在固桩室内操纵。当船体下降至重力与浮力平衡时,需要拔桩。如拔桩力过大可采用对角线桩成对交替进行,在拔桩时应带紧移船绞车缆绳。当桩靴拔离支承层后,继续将桩提升到一定的高度,即可移船进入下一船位施工。6.7.3平台运行偏移抛锚范围可满足平台在堤轴线方向移位100m,即抛锚1次整平5个船位。平台起浮状态铰缆移位。6.8每抛石3m的算例工效主要取决于抓斗抛石的速度和抓盈率。完成一个从船上抓石、往料斗抛石、再回到船上抓石的动作按4分钟考虑,3m3电动