卵石河床急流航道鏟斗(抓斗)挖泥船定位系統(tǒng)設(shè)計

徐本舉

(長江重慶航道工程局，重慶 400011)

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卵石河床急流航道鏟斗(抓斗)挖泥船定位系統(tǒng)設(shè)計

徐本舉

(長江重慶航道工程局，重慶 400011)

結(jié)合長江重慶主城區(qū)航道條件，設(shè)計開發(fā)自航鋼耙抓斗挖泥船鋼樁定位裝置，比較分析錨纜定位絞車移船方式與鋼樁定位移船方式的特點，對3種定位樁升降裝置進行計算分析，確定“長鷹7”定位系統(tǒng)采用四樁-液壓環(huán)梁升降裝置型式，使用表明該裝置是卵石河床急流航道鏟斗(抓斗)挖泥船先進、高效、準(zhǔn)確、可靠的定位系統(tǒng)。

卵石河床航道，鏟斗(抓斗)挖泥船，液壓環(huán)梁升降裝置，定位樁

長江重慶主城區(qū)航道水流湍急、河床以板結(jié)砂及卵石為主，該航段過往行船多、兩岸躉船的過江錨鏈多，不能禁航施工。為此，開發(fā)自航樁定位鋼耙抓斗挖泥船——“長鷹7”。該船為雙機雙導(dǎo)管槳電力推進的自航工程船，具有抓斗、反鏟和鋼耙挖掘三種作業(yè)功能，采用單底單甲板、勺形艏方艉船型[1-2]。該船采用鋼樁系統(tǒng)進行定位及移船，本文主要介紹其定位系統(tǒng)的研制。

1　環(huán)境條件

施工水深：2.5～8.0 m；

施工最大流速：3 m/s；

航行最大流速：4 m/s；

最大航行∕作業(yè)風(fēng)級：蒲式6級∕5級；

船舶水面以上固定建筑物高度不大于17.5 m。

疏浚土質(zhì)：板結(jié)沙卵石；

河床土壤名稱(組成)：卵石土；

河床土壤粒徑d50=100 mm；

河床土壤最大粒徑=500 mm；

豎向單位極限阻力qp=2 500 kPa；

側(cè)向單位極限摩擦力qf=150 kPa。

2　主要問題

長江重慶主城區(qū)航道狹窄、航運繁忙，如果采用傳統(tǒng)的錨纜定位，錨纜系統(tǒng)將占用大量航道，疏浚施工與通航矛盾十分突出。

長江重慶主城區(qū)航的河床為板結(jié)卵石覆蓋層+中風(fēng)化巖石河床，且覆蓋層較小，船舶移船定位的可靠性與安全性是需要解決的關(guān)鍵問題。

本船施工河段躉船過江錨鏈較多，在探明錨鏈位置后，挖掘時既要保證航道疏浚尺度，又要避開錨鏈，就必須提高船舶定位質(zhì)量與精度。

3　船舶定位移船方式的選擇

3.1國內(nèi)、外相關(guān)技術(shù)概況

目前，國內(nèi)外抓斗(鏟斗)挖泥船定位移船方式主要有二種，一是錨纜定位絞車移船方式，二是鋼樁定位臺車(鋼樁傾斜)移船方式。見表1。

由表1可見，抓斗式挖泥船可選用錨纜或鋼樁定位，鏟斗挖泥船一般均采用鋼樁定位，鋼樁的升降采用絞車鋼絲繩的方式較多。但對對長江上游硬質(zhì)河床而言，鋼樁的升降方式需進一步探討。

3.2錨纜定位絞車移船方式

錨纜定位為柔性定位，較適合于深水水域，但其定位精度低，船舶易漂移；該系統(tǒng)較適合挖掘軟質(zhì)土，挖掘較硬土質(zhì)時，船舶晃動加劇，挖掘操縱難度大；同時由于錨纜展布占用水域大，對水深有一定要求，施工干擾大。

采用錨纜定位時，一般情況下需要6只錨纜，船首拋一只主錨，左右各兩只邊錨，船尾拋一只尾錨。如在水流較急的航道施工，船首和船尾也可各拋二只錨。除每個錨配絞車外，主錨還需配容纜絞車；為了減少礙航，還需配置價格不菲的水下出纜裝置[3]。

表1　國內(nèi)外抓斗(鏟斗)挖泥船定位移船方式概況

施工時，主錨一般拋出400～500 m，最大可達1 000 m，尾錨和邊錨一般拋出100～200 m，因此，施工船舶在航道上所占的面積最小為

(1)

式中：l艏、l艉——艏、艉拋錨距離,分別為400和100 m；

b左,b右——左、右拋錨距離,均為100 m；

L,B——船長、船寬,分別為52和14 m。

由此得Smin=118 128 m2,由于錨在卵石河床上抓著較困難，故在卵石河床上定位使用的錨纜和絞車比常規(guī)要大。

3.3鋼樁定位移船方式

鋼樁式液壓鏟斗(抓斗)挖泥船定位時只需將鋼樁插入河床中即可。移動時只需將部分定位樁提起，利用其他定位樁的臺車移動牽引船舶移動。

挖泥船施工時占用航道的最小面積為船舶正投影面積=船長×船寬，即52×14=728 m2。

3.4兩種定位移船方式比較

上述兩種方式的特點比較如表2。

表2　兩種定位移船方式比較

綜上比較，鋼樁定位較錨纜定位的鏟斗(抓斗)挖泥船，在狹窄航道施工時，對通航的影響更小，在砂卵石河床上定位的可靠性和準(zhǔn)確性更高[4]，因此，本船選用鋼樁定位移船方式，總布置見圖1。

圖1　總布置

4　鋼樁升降方式的選取

鏟斗(抓斗)挖泥船作業(yè)時挖掘機巨大的切削力、水流和波浪會引起船體的烈劇升沉和搖擺運動，各種載荷最終均作用在鋼樁上。同時，由于長江上游河床為板結(jié)砂卵石覆蓋層+中風(fēng)化巖石河床，且覆蓋層較小，靠自身重力的常規(guī)拋樁方式是無法實現(xiàn)牢固定位的，需通過抬升船體，利用船體的重力才能將鋼樁插入河床，實現(xiàn)可靠定位；移船前，需采用鋼樁升降裝置將樁拔出。為了保證挖泥船正常施工，鋼樁升降裝置必須具有足夠的壓樁及拔樁能力，確保能將定位樁壓進去、定得住、拔得出。

4.1壓樁力及拔樁力的選取

經(jīng)過綜合論證，本船在船艏設(shè)2套臺車定位樁，船艉設(shè)2套固定定位樁，定位樁主要參數(shù)為

定位樁長度18.50 m；直徑1.00 m；重量19.00 t。

4.1.1壓樁力計算

定位樁插入時，河床泥土對定位樁阻力即為所需要的最大壓樁力，為了準(zhǔn)確計算壓樁力，采用兩種方式進行計算[5]。

1)參照《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ320-96)。

根據(jù)《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ320-96)：疏浚河床土質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)慣入擊數(shù)N<25，疏浚河床土質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度Rc1=5 MPa，壓樁力N為

(2)

式中：N1——樁尖阻力，N1=1 000πd2q1/4;

N2——樁側(cè)摩擦力，N2=πdq2h;

q1——樁尖的極限單位阻力，3 MPa；

d——定位樁直徑，1 m；

h——定位樁插入泥土深度3 m；

q2——樁側(cè)的極限單位摩擦力，55 kPa。

由此計得N=2 873.1 kN。

2)按長江航道重慶主城區(qū)豬兒磧河段卵石土調(diào)查數(shù)值計算，式(2)中各參量如下。

式中：q1——樁尖的極限單位阻力地質(zhì)勘探實測值，2.5 MPa；

d——定位樁直徑1 m；

h——定位樁插入泥土深度，3 m；

q2——樁側(cè)的極限單位摩擦力地質(zhì)勘探實測值，150 kPa。

由此計得N=3 375.51 kN。設(shè)計壓樁力取4 000 kN。

4.1.2拔樁力計算

1)參考《工程地質(zhì)手冊》[6]，所需的拔樁力為

(3)

式中：W——定位樁自重重力，190 kN。

由此計得T=2 084 kN。

2)設(shè)計拔樁力取2 400 kN。

4.2船舶作業(yè)需要定位樁插入河床最小深度

以拉列王琴和別贊切夫理論為依據(jù)，本船在抓斗機工作時，定位樁入土點作為彈性固定端，定位樁入土部分可視為樁頂自由并受橫向載荷作用的剛性短樁，在載荷的作用下不產(chǎn)生撓曲變形。計算插入河床最小深度。

(4)

式中：L——鋼樁的入土計算深度，cm;

F——鏟斗作業(yè)時的最大水平力，300 kN；

K0——水平地基反力系數(shù)，50 N/cm3；

d——鋼樁直徑，100 cm；

y——樁在河床面處的水平位移，1 cm;

n——鋼樁數(shù)量。

n=1時，L=138.5 cm；n=2時，L=692.5 cm。

由上可見，當(dāng)僅1根定位樁插入河床時，定位樁插入的深度不能小于1.385 m；當(dāng)有2根定位樁同時插入河床時，定位樁插入的深度不能小于0.692 5 m。

4.2.2定位樁自由落體時插入河床深度計算為(不計水阻力)

h=mgH/N

(5)

式中：h——定位樁插入河床深度,m;

m——定位樁質(zhì)量，19 000 kg；

g=9.8 m/s2；

H——樁尖到河床面的高度,H=6 m；

N=3 375 500 N(河床對樁阻力)。

計得h=0.33 m。

由此可見，定位樁以自由落體狀態(tài)插入河床(不計水阻力)的深度較為0.33 m，這一深度無法保證船舶牢固定位。因此，安裝鋼樁升降裝置進行壓樁和拔樁勢在必行。

4.3鋼樁升降裝置的選擇

目前，應(yīng)用較為廣泛的鋼樁升降裝置有齒輪齒條升降裝置、液壓環(huán)梁升降裝置以及纜索式升降裝置三種類型。

4.3.1齒輪齒條升降裝置

齒輪、齒條式升降裝置優(yōu)點是升降速度快、控制簡單、操作方便，運行平穩(wěn)連續(xù)，適合于移位比較頻繁的工程船。缺點是需要配置較復(fù)雜的變速機構(gòu)，齒輪和齒條的制造工藝要求高，造價高。目前國際上抓斗挖泥船應(yīng)用較多，如國內(nèi)的“新海蚌”和 “長鷹50”，但其齒輪齒條式升降裝置均采用日本原裝進口。

4.3.2液壓環(huán)梁升降裝置

液壓液壓環(huán)梁升降裝置的優(yōu)點是力傳遞簡單直接，運行平穩(wěn)可靠，控制簡單，易于實現(xiàn)系列化和通用化，插樁和拔樁能力強，可滿足鋼樁預(yù)壓要求，造價低，使用維護方便，在海洋工程平臺上有較多應(yīng)用。缺點為升降速度較慢，倒樁較難。

4.3.3纜索式(絞車、鋼絲繩和滑輪)升降裝置

纜索式升降裝置具有運行平穩(wěn)連續(xù)，升降速度快，控制簡單，最大插樁力(鋼樁預(yù)壓力)和拔樁力可為絞車額定拉力的4倍，可滿足鋼樁預(yù)壓要求，適合于移位比較頻繁的工程船。缺點是對液壓升降絞車、齒輪箱和鋼絲繩的質(zhì)量要求很高(多采用進口產(chǎn)品)，使用維護、保養(yǎng)要求高。

4.3.4升降裝置的比選

表3為對上述三種鋼樁升降裝置的比較。

表3　三種鋼樁升降裝置的比較

由表3比較，液壓環(huán)梁升降裝置在工作性能、可靠性、安全性和投資與維護成本方面具有一定優(yōu)勢。雖然在升降速度和倒樁方面存在不足，但由于長江上游挖泥船挖深較小，鋼樁升降距離短，對升降速度要求不高；同時本船幾乎無長途調(diào)遣，鋼樁高度可滿足調(diào)遣區(qū)域限高要求，不需倒樁。因此本船選用液壓液壓環(huán)梁升降方式。

4.4液壓環(huán)梁提升裝置

4.4.1設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點

液壓環(huán)梁升降裝置(見圖2)廣泛應(yīng)用于自升工程船舶或平臺，可為采用管狀(圓形或方形)樁腿的工程船舶(平臺)提供合適的升降能力和一定的風(fēng)暴保持力。該裝置主體上布置的上下兩道環(huán)梁、連接兩道環(huán)梁的液壓油缸、和每道環(huán)梁上的可插拔的液壓銷組成，配用專用的液壓系統(tǒng)，利用兩道環(huán)梁的插銷交替插入鋼樁(樁腿)上的銷孔，使液壓油缸以步進方式改變鋼樁和主船體間的相對位置，以達到壓樁(升船)的目的[7]。

圖2　環(huán)梁升降裝置結(jié)構(gòu)示意

圖3　環(huán)梁模型結(jié)構(gòu)示意

升降裝置包括有上下兩道環(huán)梁(見圖3),每道環(huán)梁裝有液壓插銷，插銷伸出時，可插入鋼樁上的銷孔，使環(huán)梁固定在鋼樁上的某一高度。

下部環(huán)梁固定在船體(或臺車)上，上部環(huán)梁為活動環(huán)梁，當(dāng)下環(huán)梁的銷子沒有插入鋼樁，而上環(huán)梁的插銷插入鋼樁銷孔時，通過液壓油缸的伸縮，使船體相對于鋼樁的位置發(fā)生變化。通過上述步驟，船舶可以以步進形式被抬高或降低，當(dāng)船舶為浮態(tài)時，可進行壓樁或拔樁操作。

本船共設(shè)有4根定位樁，每根樁腿配有1套液壓環(huán)梁升降裝置，4套裝置共用一套液壓泵站，組成全船的升降系統(tǒng)。通過液壓閥件的切換，可以單獨操作任一樁腿升降單元進行壓樁或拔樁作業(yè)，也可四套裝置同步工作。

4.4.2升降裝置的組成

環(huán)梁升降裝置的組成見表4。

4.4.3環(huán)梁升降裝置主要技術(shù)參數(shù)

環(huán)梁升降裝置數(shù)量：4套；

單樁最大壓樁能力：4 000 kN；

單樁最大拔樁能力：2 400 kN；

壓樁速度(入土前/后)：1.8/0.42 m/min；

升樁速度(入土前/后)：1.2/0.42 m·min-1；

船體抬升速度：0.42 m·min-1；

船體下降速度：1.2 m·min-1；

升降油缸徑/桿徑-行程：300/180-1 280 mm；

液壓系統(tǒng)額定/最大壓力：25/30 MPa；

油缸數(shù)量：4只/套。

5　鋼樁系統(tǒng)設(shè)計

鋼樁系統(tǒng)(見圖4)作為船舶定位移船系統(tǒng)的核心設(shè)備，鋼樁必須具備足夠的強度及剛度，其受力較為復(fù)雜，必須承受流、風(fēng)、浪對于船舶的沖擊力、液壓環(huán)梁升降裝置的作用力以及鏟斗切削時的反作用力[8]。同時，反鏟(抓斗)挖泥船在作業(yè)時，還必須綁拖不少于兩艘駁船(一艘滿載，一艘空載)及配套拖船、錨艇，在計算流、風(fēng)、浪對于船舶的沖擊力時，這些輔助船所受的沖擊力也應(yīng)一并考慮,通過有限元分析等方法[9]，設(shè)計了滿足要求的船體結(jié)構(gòu)。

圖4　定位樁系統(tǒng)圖

為準(zhǔn)確校核定位樁的強度及剛度，對定位樁在6種工況(工況1：壓樁工況、工況2：拔樁工況、工況3：挖掘機橫向抬泥工況、工況4：挖掘機縱向抬泥工況、工況5：挖掘機橫向挖泥工況、工況6：挖掘機縱向挖泥工況)下的受力及變形采用有限元計算軟件MSC.PATRAN進行分析，模型(見圖5)及載荷符合《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》(2009)第1篇第10章[10]的有關(guān)要求：

圖5　有限元模型

樁體結(jié)構(gòu)材料選用CCSDH36，按材料強度校對模型受力狀況，屈服應(yīng)力為355 MPa，根據(jù)《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》[11]、《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》2.4.9及3.2.16，對定位樁取安全系數(shù)1.6，材料的屈服應(yīng)力值為222 MPa，應(yīng)力值校核見表5。

表5表明：各種工況下，鋼樁板元相當(dāng)應(yīng)力均小于其材料屈服應(yīng)力，定位樁上端部最大變形量為鋼樁總長的0.8%，其強度和剛度能滿足規(guī)范要求。

表5　各種工況下鋼樁剛度及強度校核匯總表

6　結(jié)束語

本項目首次在卵石河床急流航道鏟斗(抓斗)挖泥船上采用配有液壓環(huán)梁升降裝置的鋼樁系統(tǒng)安全可靠，特點突出、效果顯著[12]。

挖泥船占用航道面積小，可實現(xiàn)不禁航施工。與長江上游現(xiàn)有同類型錨纜式挖泥船相比，“長鷹7”施工時占用航道面積僅為0.6%。在狹窄航道施工時，可實現(xiàn)不禁航施工。

壓樁、拔樁能力強，適用范圍廣。本系統(tǒng)具有強勁的壓拔樁能力，能在板結(jié)密實的砂卵石等多種河床上將鋼樁壓入和拔出河床，實現(xiàn)定位移船作業(yè)；四條樁腿可以聯(lián)動，也獨立動作，在不平整的河床也能正常作業(yè)，適應(yīng)各種復(fù)雜工況。

定位和移船精準(zhǔn)、平穩(wěn)，挖掘精度和質(zhì)量高。本系統(tǒng)可將挖泥船船體抬升一定高度時施工，風(fēng)浪流和挖掘沖擊均由鋼樁承擔(dān)，船舶能始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，可大大提高挖掘精度和質(zhì)量。

功能完備、安全可靠。液壓臺車具有提升、下放、鎖緊、推移等多種功能，性能可靠，安全系數(shù)高，能滿足復(fù)雜工況條件下挖泥船的安全作業(yè)要求。

[1] 程巖，孫長林,張波，等.自航鋼耙抓斗挖泥船設(shè)計報告[R].武漢金鼎船舶設(shè)計有限公司，2011-5.

[2] 羅梁，程巖，徐本舉，等.自航鋼耙抓斗挖泥船建造項目可行性研究報告[R].長江重慶航運工程勘察設(shè)計院，2011-5.

[3] 徐本舉.淺談長江上游航道疏浚船舶技術(shù)發(fā)展趨勢[C]∥世界疏浚協(xié)會//中國第四屆國際疏浚技術(shù)發(fā)展會議論文集,重慶，2011-11.

[4] 徐本舉.長江專用拋石船取、拋石系統(tǒng)研究與開發(fā)[J].船海工程，2013(6).

[5] 中華人民共和國交通部，疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)(JTJ320-96)[S].1996-11.

[6] 工程地質(zhì)手冊編委會,工程地質(zhì)手冊[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[7] 尹秀鳳，劉靜，李磊.拖航工況自升式鉆井平臺樁腿結(jié)構(gòu)強度計算分析[J].船海工程,2013(2).

[8] 季湘嵐，楊啟，陳新權(quán).三樁定位反鏟挖泥船栽載荷分析研究[J].船海工程,2015(1).

[9] 朱元瑤，向小斌，王初龍，等.鉆井船吊運過程中吊物墜落與甲板碰撞有限無分析研究[J].船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師,2015(2).

[10] 中國船級社，鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范[S].北京：中國船級社，2012.

[11] 中國船級社，海上固定平臺入級與建造規(guī)范[S].北京：中國船級社,1992.

[12] 范世東，朱漢華,熊庭，等.長江航道局自航鋼耙抓斗挖泥船建造項目后評價報告[R].武漢理工大學(xué),2015-5.

Design of the Positioning System of the Dipper (Grab) Dredger in the Torrential Waterway with Pebble Riverbed

XU Ben-ju

(Yangtze Chongqing River Waterway Bureau, Chongqing 400011, China)

In light of the waterway condition of the Yangtze river in Chongqing, the steel pile positioning system for the self-propelled trailing grab dredger. The characteristics of moving ship ways by mooring line winch and steel pile positioning are compared with, and three positioning pile lifting gears analyzed numerically. The Changying 7 positioning system, which has the hydraulic ring beam lifting equipment with four piles, is developed. It is shown that the four pile- hydraulic ring beam lifting gear is the advanced, efficient, accurate and reliable positioning system for the dipper (grab) dredgers used in the torrential waterway with pebble riverbed.

waterway with pebble riverbed; dipper (grab) dredger; hydraulic ring beam lifting system; gauge pile

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.003

2015-10-19

2015-11-09

交通運輸部支持系統(tǒng)船舶建造(購置)項目(交規(guī)劃發(fā)[2010]1號)

徐本舉(1966-)，男，學(xué)士，高級工程師

U674.31;U664.82

A

1671-7953(2016)01-0013-06

研究方向:工程船舶設(shè)計

E-mail:xbj1966@163.com