超大型沉管隧道鋼殼聯(lián)合運輸過駁及上岸技術(shù)研究

龍漢新 馮勝坤 張光鋒 卜佑天

(廣船國際技術(shù)中心、深中通道管理中心)

0 前言

深中通道項目超大型沉管隧道鋼殼共劃分為32個管節(jié)，單個標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長165m×寬46m×高10.6m、平均重量約11000噸。其中有22個管節(jié)在船廠平臺線上制造，完工后采用專用運輸方法將其滾裝至駁船（簡稱“過駁”），然后駁船拖航至澆筑廠，再采用同樣的運輸方法將管節(jié)從駁船滾卸上岸（簡稱“上岸”），完成管節(jié)的交付。由于業(yè)主對管節(jié)運輸過程中的變形控制要求非常高，在長165m×寬46m的管節(jié)范圍內(nèi)其最大變形不能超過20mm，但管節(jié)兩孔一管廊的設(shè)計導(dǎo)致其橫向結(jié)構(gòu)較弱，如使用船廠常規(guī)的運輸方法很容易導(dǎo)致管節(jié)在過駁及上岸過程中發(fā)生較大變形，無法滿足變形控制要求。故本文旨在研究一種超大型沉管隧道鋼殼管節(jié)運輸過駁及上岸方法，通過利用船廠現(xiàn)有資源解決鋼殼運輸過程中的變形控制難題，同時降低作業(yè)成本。

1 現(xiàn)有運輸過駁及上岸方法的不足

船廠平臺線主要用于造船，配置自行走的軌道式移船小車用于船舶運輸過駁。為適應(yīng)各種大、小型寬船舶的下水，考慮到船舶橫向結(jié)構(gòu)強度大，僅在平臺線距中±1m及±7m處各設(shè)置一組小車軌道。按現(xiàn)有的運輸方法，根據(jù)管節(jié)強結(jié)構(gòu)位置，我們在管節(jié)下方距中±7m軌道處均勻布置32臺小車（見圖1、圖2），按管節(jié)總重11000噸來計算，平均每臺小車承載344噸，小于每臺小車設(shè)計承載500噸的0.8倍，滿足小車承載要求。

圖1 移船小車運輸管節(jié)布車圖（平面圖）

圖2 移船小車運輸管節(jié)布車圖（橫剖面圖）

采用Partran軟件對管節(jié)運輸工況進行有限元計算，得出管節(jié)運輸時最大變形為36.5mm（見圖3），超過允許的最大變形20mm，故采用現(xiàn)有運輸方法不可行。

圖3 使用距中±7m處32臺移船小車運輸管節(jié)時的變形云圖（最大變形36.5mm）

2 鋼殼聯(lián)合運輸過駁及上岸的研究

2.1 聯(lián)合運輸技術(shù)方案設(shè)計

船廠現(xiàn)有的水平船臺大型運輸設(shè)備為移船小車與模塊車，其中移船小車40臺，總承載20000噸，模塊車136軸線，總承載約4800噸。移船小車為軌道式液壓小車，自帶動力單元，具有頂升、自行走的功能，單位面積承載能力大，性價比高。模塊車為輪胎式液壓平板車，是目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的大型構(gòu)件運輸車輛，性能穩(wěn)定、使用靈活，但相比移船小車其單位面積承載能力較小且造價極高。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，管節(jié)運輸時主要發(fā)生橫向大變形，究其原因為管節(jié)采用兩孔一管廊的設(shè)計導(dǎo)致其橫向結(jié)構(gòu)弱，對于寬度達46m的管節(jié)，移船小車僅布置在距中±7m處，兩側(cè)懸空太大導(dǎo)致管節(jié)橫向變形，解決此問題的有效方法就是在管節(jié)兩側(cè)增加運輸設(shè)備。

如在管節(jié)兩側(cè)增加移船小車，需破壞地面混凝土結(jié)構(gòu)、增加預(yù)埋小車軌道。為充分利用船廠設(shè)備資源，避免增加額外基建、設(shè)備投入，同時又能達到減少管節(jié)運輸變形的目的，綜合考慮管節(jié)結(jié)構(gòu)強度以及駁船甲板行走通道的結(jié)構(gòu)強度，我們擬定在管節(jié)距中±18.9m處使用模塊車，與距中±7m處的移船小車一起聯(lián)合運輸管節(jié)過駁及上岸。

為最大限度降低管節(jié)橫向變形，我們將所有模塊車共136軸線全部用上，分成四大組均勻布置在管節(jié)兩側(cè)。移船小車同樣分成四大組均勻布置，共32臺（見圖4、圖5）。模塊車作為輔助承載設(shè)備，預(yù)留足夠的承載裕度以提高操作空間，設(shè)定其總共承受管節(jié)3000噸的重量，其余8000噸由32臺移船小車承受，平均每臺小車250噸。

圖4 移船小車與模塊車聯(lián)合運輸管節(jié)布車（平面圖）

圖5 移船小車與模塊車聯(lián)合運輸管節(jié)布車圖（橫剖面圖）

2.2 理論驗算

采用Partran軟件對聯(lián)合運輸工況進行驗算，得出管節(jié)變形計算結(jié)果見圖6。可見管節(jié)運輸時最大變形為15.1mm，滿足最大允許變形20mm的要求，聯(lián)合運輸?shù)姆桨咐碚撋峡尚小?/p>

圖6 使用移船小車與模塊車聯(lián)合運輸管節(jié)時的變形云圖（最大變形15.1mm）

2.3 技術(shù)難點分析與解決方法

珠海桂山島當(dāng)?shù)貧夂虿环€(wěn)定，常年風(fēng)急、浪大，?？吭诠鹕綅u澆筑廠碼頭的駁船受風(fēng)浪影響晃動很大。在這種惡劣條件下，要使用兩套設(shè)備將管節(jié)從駁船聯(lián)合運輸上岸，難度非常大。特別是首次采用這種聯(lián)合運輸?shù)姆椒?，移船小車與模塊車性能方面存在較大的差異，兩套設(shè)備要完成高難度的聯(lián)合動作，必然要解決一些技術(shù)難點。

2.3.1 移船小車改進

移船小車與模塊車要實現(xiàn)聯(lián)動，首先要保證兩套設(shè)備性能穩(wěn)定且能相互匹配?？紤]到模塊車設(shè)備應(yīng)用成熟、性能已相對穩(wěn)定，我們重點通過改進移船小車性能來適配模塊車。

移船小車的均載原理為通過電腦控制分組內(nèi)的每臺小車載荷相同，從而實現(xiàn)主動均載。而模塊車則通過液壓油管將分組內(nèi)所有頂升油缸串聯(lián)起來，保證各個油缸液壓始終一致，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的均載功能（即被動均載）。相比之下，移船小車均載控制程序復(fù)雜、容易出現(xiàn)故障，很難達到與模塊車同步頂升、平衡分?jǐn)傌?fù)載的要求。因此，我們對小車液壓系統(tǒng)進行改進。

液壓系統(tǒng)改裝主要為將原主動均載改為被動均載，通過增加外接串聯(lián)油管將大組內(nèi)的每臺小車頂升油缸串聯(lián)在一起，形成大組內(nèi)均載床，使移船小車與模塊車的均載功能一致。

經(jīng)過改裝后的小車不僅能與模塊車匹配進行聯(lián)動，而且自身性能有了很大的改進，應(yīng)用于產(chǎn)品下水時效率更高、設(shè)備故障率更低、系統(tǒng)穩(wěn)定性更可靠、風(fēng)險更可控。

2.3.2 聯(lián)動控制策略

管節(jié)運輸精度要求非常高，不僅要求整體變形控制在20mm以內(nèi)，而且因澆筑工位設(shè)計緊湊，管節(jié)運輸上岸時中心線或者平整度稍有偏差，就會碰到車間邊緣或者下方的支墩，因此必須保證兩套設(shè)備聯(lián)合動作時的同步精度。

為此，我們根據(jù)兩套設(shè)備的性能特點，在特定階段采取特殊操作策略，通過人工操控實現(xiàn)兩套設(shè)備的高度同步，當(dāng)兩套設(shè)備同步頂升/下降時，采取以負(fù)載大且動作靈敏的移船小車為主、負(fù)載小而可控性較好的模塊車為輔的策略，通過壓力監(jiān)控、人工遙控操作模塊車跟隨移船小車同步頂升/下降；當(dāng)兩套設(shè)備聯(lián)合行走時，采取由驅(qū)動/制動能力強的模塊車作為牽引、移船小車從動跟隨行走的策略，可達到兩套設(shè)備完全同步行走的效果。

根據(jù)以上策略，我們制定了移船小車與模塊車聯(lián)合運輸?shù)牟僮髁鞒蹋?/p>

（1）移船小車和模塊車按布車方案進入鋼殼管節(jié)底部指定位置；

（2）僅移船小車同步頂升，將管節(jié)頂離地10~20mm，稱重讀出鋼殼實際重量，再重新放置于支墩上；

（3）移船小車預(yù)頂升，使所有小車貼緊管節(jié)底；

（4）移船小車分組設(shè)定，根據(jù)重心前后、左右分成1~4四個分組，手工輸入設(shè)定每一組小車受力值為（實際稱出重量-模塊車承載重量3000t）/4；

（5）模塊車分組，根據(jù)重心前后、左右分成ABCD四個分組；

（6）模塊車先頂升，ABCD組頂升同樣重量，直至總承重為3000t時停止；

（7）模塊車與移船小車同時頂升，直至將鋼殼頂離支墩；

（8）通過遙控操縱模塊車驅(qū)動行走，移船小車從動跟隨（離合打開），將管節(jié)運輸至駁船；運輸過程中如管節(jié)姿態(tài)變化大，則通過移船小車和模塊車各大組分別頂升、下降來進行姿態(tài)調(diào)整；

（9）管節(jié)到位后，在駁船上坐墩；

（10）管節(jié)運輸?shù)焦鹕綅u轉(zhuǎn)移上岸，采用同樣的方法。

2.4 聯(lián)合運輸?shù)膬?yōu)勢與應(yīng)用推廣

采用移船小車與模塊車兩套設(shè)備聯(lián)合運輸?shù)姆椒?，可充分發(fā)揮船廠優(yōu)質(zhì)設(shè)備資源的利用價值，避免設(shè)備設(shè)施的重復(fù)投資，節(jié)省作業(yè)成本。該方法不僅適用于深中通道鋼殼制造項目，而且更適合推廣應(yīng)用于產(chǎn)品種類多變的造船行業(yè)船舶過駁下水作業(yè)，其充分融合了兩套設(shè)備的各自優(yōu)勢：船舶艏艉線型外底處承載面積小、結(jié)構(gòu)強，使用單位面積承載能力大的移船小車作為頂升設(shè)備，避免了大量的工裝；船舶貨艙平直外底區(qū)結(jié)構(gòu)弱、承載面積大，使用單位面積承載能力較小的模塊車作為頂升設(shè)備，不僅方便、靈活，而且適應(yīng)任何型寬的船舶，甚至超大型的海工產(chǎn)品。

該方法在深中通道超大型沉管隧道鋼殼上的成功應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了產(chǎn)品從平臺線運輸上駁船，而且實現(xiàn)了產(chǎn)品從駁船運輸上岸，為日后實現(xiàn)產(chǎn)品異地建造后上平臺線合攏、產(chǎn)品上平臺線返修等奠定了基礎(chǔ)，拓展了船廠平臺線的產(chǎn)品業(yè)務(wù)范圍。

圖7 移船小車與模塊車聯(lián)合運輸船舶布車圖

圖8 深中通道鋼殼管節(jié)聯(lián)合運輸成功過駁

圖9 深中通道鋼殼管節(jié)在桂山島成功上岸

3 結(jié)束語

深中通道超大型沉管隧道鋼殼管節(jié)采用移船小車與模塊車聯(lián)合運輸過駁及上岸的方法，是船廠平臺線產(chǎn)品運輸過駁下水的一種全新方法，該方法的成功應(yīng)用與推廣，不僅可擴大船廠平臺線適造產(chǎn)品的范圍，為平臺線建造大型海工產(chǎn)品、半船異地建造后上平臺合攏、船舶上平臺返修等奠定了基礎(chǔ)，而且為日后充分發(fā)揮船廠設(shè)備資源優(yōu)勢、通過設(shè)備組合來實現(xiàn)更多樣的平臺過駁下水作業(yè)提供了參考，有助于推動船廠資源整合、降低企業(yè)投資成本。