“長江口二號”古船項目“奮力”輪出塢方案

蔣哲 周東榮 戴青 胡建 朱小東 魏良孟 馬松 王磊

摘 要：介紹“長江口二號”古船整體打撈遷移工程中，專用超大月池打撈工程駁船“奮力”輪懷抱古船進塢并下放穩(wěn)妥后的出塢方案，為什么最終選擇了艉部用金剛石繩鋸切割后，利用液壓同步提升裝置提升7 m 后焊接固定，然后出塢的方案，以及該方案的實際實施情況。該方案順利實施，技術、經(jīng)濟效果都良好，有較大的經(jīng)濟價值，可為日后類似的工程情形提供技術參考和實施經(jīng)驗。

關鍵詞：“奮力”輪；出塢方案；船體切割；金剛石繩鋸；同步提升；同步下放；切割船體復原

中圖分類號：U615.9

文獻標志碼：A

0 工程背景

“長江口二號”清代沉船（以下簡稱“長江口二號”古船）是目前國內(nèi)乃至世界上發(fā)現(xiàn)體量最大、保存最為完整、船載文物數(shù)量巨大的古代木質(zhì)古船之一，是彌足珍貴的文化遺產(chǎn)。作為在上海水域發(fā)現(xiàn)的“長江口二號”古船，它受到了國家文物局和上海市委、市政府的高度重視。國家文物局2018年底通過《文物要情》將有關情況專報中辦、國辦和中宣部等部門，并將“長江口二號”古船項目納入“考古中國”重大工程。2021 年 1 月 30 日發(fā)布的《上海市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠景目標綱要》，將“長江口二號”古船博物館列入“十四五” 上海市重大公共文化體育設施建設項目。

交通運輸部上海打撈局受上海市文化和旅游局委托編制的《長江口二號古船遺址整體遷移工作方案》報送國家文物局審批后，2021 年 5 月 6 號，國家文物局對《國家文物局關于 長江口二號沉船整體發(fā)掘考古項目意見的函》（文物保函[2021]444 號）正式批復，對古船進行整體發(fā)掘。

2021 年 6 月 23 日，上海文旅局邀請國內(nèi)打撈、海洋工程專家，對《長江口二號古船遺址整體遷移工作方案》中交通運輸部上海打撈局提出的沉井、分段沉井和弧形梁方案三種整體遷移方案進行了評審，專家認為弧形梁方案海上施工時間最短、工藝成熟、自動化和安全性高，一致同意弧形梁整體遷移方案。2021 年 7 月 28 日，上海文化和旅游局正式批復同意采取弧形梁方案進行古船整體打撈，并遷移至上海船廠舊址 1 號船塢進行保護。其現(xiàn)有建筑主要參數(shù)如下：船塢底部為混凝土底板，兩側為鋼板樁，1號船塢長 185 m，寬 36 m，深 10.4 m。

為優(yōu)化沉船整體打撈方式，上海打撈局項目組創(chuàng)造性地提出自帶超大月池的專用工程甲板駁方案。該方案為一種全新的集沉船打撈、運輸、進塢、卸載于一體的專用工程駁船概念，在該船中部設計一個長 56 m、寬 20 m的超大月池，以計算機控制液壓鋼絞線同步提升技術為設計打撈提升方案，這樣一來，僅用1艘船就能完成傳統(tǒng)工藝2條抬浮駁轉載至1艘半潛船共3艘船的工作任務，從而可高效地解決“長江口二號”古船整體打撈遷移工程中的船舶資源和沉船進塢的問題。

該專用工程駁船命名為“奮力”輪，為鋼質(zhì)船，由于古船遷移的目標船塢寬度為36 m，船舶進出塢還需要一定的余量，因此該船的設計寬度不能超過34 m，而古船打撈的弧形梁框架整體寬度為19 m，提升也需要適度的余量，因此，超大月池的尺寸也被限制為長 56 m、寬 20 m。這樣一來，月池之外的船體，左右分別只有7 m，顯得非常單薄，然而這左右的兩條7m寬的船邊，卻要承受設計15 000 t的總提升力，為此，月池左右的7 m船舷側需要特別強化結構強度。

“奮力”輪經(jīng)過詳細設計并建造完成后，在“長江口二號”古船海上整體打撈時，工程中應用順利，順利用弧形梁方案懷抱古船，并用計算機控制液壓鋼絞線同步提升系統(tǒng)將技術將整個弧形梁框架收入“奮力”輪的超大月池之中，并進塢下放成功。整個過程無轉載作業(yè)，輔助設備投入較少，降低了轉載帶來的安全風險，整體作業(yè)時間短，作業(yè)工序干凈利落，安全性較高，大幅節(jié)省成本支出。

“奮力”輪的設計原理圖以及“奮力”輪打撈“長江口二號”古船現(xiàn)場情況分別如圖1、圖2所示。

圖2 “奮力”輪打撈“長江口二號”古船現(xiàn)場照片

“奮力”打撈“長江口二號”古船并托載古船弧形梁框架進塢下放安置妥當后，由于古船大桅高度較高，達到11 m，最高潮位時塢內(nèi)水深約為8.7 m，加上奮力輪本身空載有2.6 m左右的吃水，水下無阻礙凈高最多只能有6.1 m，遠低于11 m，因此正常情況下“奮力”輪沒辦法直接出塢。本論文即針對這一“奮力”輪出塢進行不同方案的分析，并說明方案的選取以及實際操作中出塢的情況。

1 “奮力”出塢方案的比選

在“奮力”輪設計之初即考慮了整個“長江口二號”古船打撈遷移的需求。包括打撈提升、進上海船廠1號舊塢、然后出塢的全過程。為了讓“奮力”輪能夠出塢，初步考慮了可能需要將船艉約35 m長、20 m寬的分段進行切割，這樣“奮力”輪才可以出塢。

“奮力”輪艉部切割航拍見圖3、圖4。

針對這一條技術思路，考慮了以下幾種方案：

方案一，船艉分段切割后解體陸運。這個方案船艉分段必須切割到較小塊才能陸運裝車，這對后期“奮力”輪復原后的船舶狀況十分不利，首先排除。

圖3 “奮力”輪艉部切割航拍示意圖1

圖4 “奮力”輪艉部切割航拍示意圖2

方案二，船艉分段切割后解體浮運。將船艉分段做成可以浮于水面的浮體，浮運出塢。從水中出塢因為塢寬約36 m，而古船框架寬度接近20 m，左右空隙分別只有8 m左右，因此奮力船艉部的20 m分段，至少得切割成3塊長35 m、寬約7 m的長方塊分段，再經(jīng)下部焊接密封處理才能自浮于水面出塢。由此可見，水面出塢工序復雜、成本較高，而且也不利于后期“奮力”輪復原后的船舶狀況，不優(yōu)先選擇。

方案三，船艉分段切割后由大型浮吊船將其整體起吊裝船運走。這一方案顯然對浮吊船要求高，需要浮吊船的主吊機舷外跨距80 m時能起重約800 t，這樣的浮吊船租賃價格昂貴，且浮吊船在塢口就位有一定風險，對航道也會造成較大影響，需要與海事部門進行相應的溝通協(xié)調(diào)，然后選擇合適的作業(yè)窗口，比較受限制。此外，做大件吊裝還存在吊索及吊耳的布置等吊裝設計，費用高昂，很不經(jīng)濟。

方案四，專門建設一臺軌道門吊在船塢現(xiàn)場使用（上海船廠舊船塢的軌道門吊已經(jīng)拆除），用于船艉分段切割后的起吊裝船運輸，此方案與上述方案三類似，需要吊索及吊耳的布置等吊裝設計，且門吊位置最遠只能到塢口，運輸船就位有一定困難，布置短時間使用的門吊然后又得拆除，相對比較浪費，成本依然偏高。

方案五，“奮力”輪船艏壓載（塢口），船艉提高，達到要求的高度乘高潮出塢，這種方式不用切割艉部，但“奮力”輪在極限前傾狀態(tài)下，船艏已經(jīng)沒入水中，船艉底部完全掛在水面之上，縱向彎矩很大，安全性不好，且容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。

方案六，“奮力”輪船艉分段用不需要搭設腳手架且切割效果良好的金剛繩鋸切割技術切割后，豎直同步提升7 m，將其雙層底上甲板與船體主甲板對齊后燒焊固定處理，讓船艉分段從古船弧形梁框架上部越過，隨“奮力“輪的船舶主體一起出塢。此方案技術可靠，成本較低，有技術可行性，但沒有先例，存在諸多不確定影響因素。

經(jīng)過多種方案的比選，最終選擇方案六，大膽進行創(chuàng)新嘗試，如圖5所示，提升依然采用計算機控制液壓油缸同步提升技術，以節(jié)省需要使用大吊機的成本，并于“奮力”輪建造時就考慮了提升吊點的錨固位置設計。

圖5 “奮力”輪艉部切割提升設計剖面圖

“奮力”輪出塢時，艏艉的吃水也很關鍵，經(jīng)過多方案比選，在船舶吃水可以滿足出塢要求的前提下，壓載方案最終選擇安全性方面最穩(wěn)妥的正浮方案。

2“奮力”輪艉部提升有限元計算

“奮力”輪建造時已考慮船體艉部分段的提升方案，所以在船舶設計時即對“奮力”輪進行強度校核，設計了4個提升點，分別在FR20肋位和FR45肋位，可滿足艉部分段的提升要求。在實際提升前再次方案評審前，考慮到艉部分段的重心距離FR45肋位不夠大，為了確保提升過程中的萬無一失，在船體FR70肋位新增了2個提升點，共設置6個提升點，根據(jù)有限元計算結果分析，6點提升位置強度能更穩(wěn)妥地滿足提升時結構強度受力的要求，還可規(guī)避提升過程中可能的艉部分段失穩(wěn)的情況。6吊點布局如圖7所示。

圖7 提升點布置圖

2.1 船艉分段提升點強度計算

“奮力”輪艉部分段提升設計了4個提升點，有限元計算依據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）、《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（CCS2021）的要求進行計算。采用有限元直接計算法。應用 PATRAN 和 NASTRAN 軟件進行建模及計算，單元類型包括板單元和梁單元。原點位于基線與 Fr0 相交處，X 軸沿船體縱向指向船艏，Y 軸沿船寬方向指向左舷，Z 軸沿船體垂直向上。

根據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）以及中間抬升段模型資料，模型所受載荷約 6480KN（抬升段自重預留一定的安全系數(shù)）。

計算結果如下：

計算所得結構最大應力及變形匯總見表 1，計算結果滿足規(guī)范要求。

表 1 提升支撐結構最大應力匯總（MPa）

結論：本次計算是根據(jù)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（CCS 2021）、《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）第三章的要求，對“奮力”輪中間抬升段及片體模型的結構強度進行了有限元計算。計算結果表明，“奮力”輪中間抬升段及片體模型的結構強度滿足規(guī)范要求。板與梁系的各應力云圖如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13所示。

圖8 板最大 von mises 應力云圖

圖9 梁系最大組合應力云圖

圖10 梁系最小組合應力云圖

圖11 板最大 von mises 應力云圖

圖12 梁系最大組合應力云圖

圖13 梁系最小組合應力云圖

2.2 新增月池后部提升點強度計算

在“奮力”輪的艉部前方（即月池后部）新增2只提升點，采用類牛腳形式在月池內(nèi)部焊接。有限元計算依據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）、《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（CCS2021）的要求進行計算。采用有限元直接計算法。應用 PATRAN 和 NASTRAN 軟件進行建模及計算，單元類型包括板單元和梁單元。坐標系和前述一致。

類牛腳提升點及提升效果見圖14。

圖14 類牛腳提升點及提升效果圖

根據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》（2007）以及中間抬升段模型資料，提升基座上液壓提升油缸載荷，模型中按 150T 校核。

強度衡準

表2 板單元許用應力表（MPa）

計算結果如下：

計算所得結構最大應力及變形匯總見表 2、表3，計算結果滿足規(guī)范要求。

表 3 提升支撐結構最大應力匯總（MPa）

結論：對新增提升結構進行校核，結果表明在載荷作用下結構強度均滿足規(guī)范要求。

剪切應力及各梁的應力云圖如模型1、模型2、模型3、模型4、模型5、模型6所示。

模型 1 剪切應力云圖

模型 2 剪切應力云圖

模型 3 最大梁單元應力云圖

模型 4 最大梁單元應力云圖

模型 5 最小梁單元應力云圖

模型 6 最小梁單元應力云圖

3“奮力”輪出塢具體實施情況

“奮力”輪進塢后，于2022年11月26日關閉塢門后，弧形梁框架及“奮力”輪依次順利落座于預先設置好的馬鞍座及塢墩上，然后船塢內(nèi)開始采用抽水泵排水。27日，開始拆除液壓提升油缸的底錨與弧形梁框架縱梁相連接的扁擔梁。30日，做“奮力”輪艉部分段切割的準備工作、12月1日，金剛繩鋸切割設備及物資進場，開始布置切割需要的開孔及導向滑輪等。4日，用氧碳風割刀割除阻礙切割的甲板部件，開始用金剛繩鋸切割船體。切割時，將船體艉部分段沿著設計切割線分成了上下2層，前后3段，左舷和右舷總計分成了12個切割段。這樣的切割方式有利于鋼材的切割。（因篇幅有限，有關金剛石繩鋸切割船體的具體方案在此不再展開描述）

“奮力”輪船艉金鋼繩鋸切割圖見圖15。

圖15 “奮力”輪船艉金鋼繩鋸切割現(xiàn)場照片

12月14日，完成船艉分段的主船體切割，開始切割基座突出部分，20日完成全部切割，將切割下的“奮力”輪艉部分段用6套同步提升油缸提升7 m，艉部切割段雙層底的上部甲板與“奮力”輪主甲板基本持平，方便燒焊固定。焊接固定也進行了相應的設計和計算確認?！皧^力”輪艉部分段提升后的效果見圖16。

圖16 “奮力”輪艉部分段切割提升后現(xiàn)場照片

按照設計方案將“奮力”輪艉部分段燒焊固定穩(wěn)妥后，“奮力”輪進行調(diào)載等出塢準備工作，將“奮力”輪調(diào)平，準備正浮出塢。

2023年1月6日，先將船塢內(nèi)放入黃浦江水，在塢門內(nèi)部和外部水位基本持平后，安排拖船輔助打開船塢的塢門。

7日，“奮力”輪按照工程規(guī)劃，由3艘拖船輔助順利出塢，8日關閉塢門?！皧^力”輪出塢效果航拍照片見圖17。

圖17 “奮力”輪出塢效果航拍照片

后續(xù)，“奮力”輪于2023年2月6日進中遠船廠船塢準備開始進行艉部分段的下放及復原焊接工作。7日，“奮力”輪先將同步提升油缸系統(tǒng)載力，確認提升系統(tǒng)正常受力后，切除船艉分段的焊接固定，然后控制油缸同步緩緩下放“奮力”輪艉部切割分段，順利將其下放至原設計位置。經(jīng)焊接工作測算，按照規(guī)范規(guī)定大約70%的切割縫可切坡口直接焊接，剩余的其它30%焊縫需要額外加墊鋼板等方式進行處理后才能焊接。這樣的結果達到了“奮力”輪設計出塢方案的預期，“奮力”輪于13日完成艉部切割段的重新焊接，恢復原樣，出塢靠泊碼頭，復原效果頗佳。

“奮力”輪艉部分段復原對接的效果見圖18、圖19、圖20。

圖18 “奮力”輪艉部分段復原對接效果現(xiàn)場照片

圖19 “奮力”輪艉部復原前現(xiàn)場照片

圖20 “奮力”輪艉部復原后現(xiàn)場照片

4 結 論

“長江口二號”古船項目采用將“奮力”輪船艉分段切割后整體提升7 m，并燒焊固定后隨“奮力”輪一起出塢的方案，不僅順利地將“奮力”輪艉部切割分段帶出了上海船廠1號舊船塢，且船體復原順利，效果頗佳，對“奮力”輪船體的損傷降到了很低，此出塢方案不需要大浮吊或特制門吊及額外的運輸船，成本得到大幅節(jié)省，取得了不錯的經(jīng)濟效益。

此外，“奮力”輪艉部分段的切割采用了先進的金剛石繩鋸切割鋼材技術，保證了切割質(zhì)量，也節(jié)省了人力物力。同時還采用液壓同步提升和下放技術，避免了使用大噸位吊機等，實施過程中“奮力”輪艉部分段提升和下放都很穩(wěn)定，進一步提高了施工的安全性、便利性、經(jīng)濟性。這些技術值得日后類似工程作為技術參考，也積累了實施經(jīng)驗。

參考文獻

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[2] 卞永明. 大型構件液壓同步提升技術[M]. 上?？茖W技術出版社， 2015.

作者簡介：

蔣哲，高級工程師，從事水工工程、海洋工程、項目管理，（E-mail）jz@coes.cn，15317222569