超大型沉管隧道鋼殼聯合運輸過駁及上岸技術研究

龍漢新 馮勝坤 張光鋒 卜佑天

(廣船國際技術中心、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，單個標準管節長165m×寬46m×高10.6m、平均重量約11000噸。其中有22個管節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從駁船滾卸上岸（簡稱“上岸”），完成管節的交付。由于業主對管節運輸過程中的變形控制要求非常高，在長165m×寬46m的管節范圍內其最大變形不能超過20mm，但管節兩孔一管廊的設計導致其橫向結構較弱，如使用船廠常規的運輸方法很容易導致管節在過駁及上岸過程中發生較大變形，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運輸過駁及上岸方法，通過利用船廠現有資源解決鋼殼運輸過程中的變形控制難題，同時降低作業成本。

1 現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。為適應各種大、小型寬船舶的下水，考慮到船舶橫向結構強度大，僅在平臺線距中±1m及±7m處各設置一組小車軌道。按現有的運輸方法，根據管節強結構位置，我們在管節下方距中±7m軌道處均勻布置32臺小車（見圖1、圖2），按管節總重11000噸來計算，平均每臺小車承載344噸，小于每臺小車設計承載500噸的0.8倍，滿足小車承載要求。

圖1 移船小車運輸管節布車圖（平面圖）

圖2 移船小車運輸管節布車圖（橫剖面圖）

采用Partran軟件對管節運輸工況進行有限元計算，得出管節運輸時最大變形為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時的變形云圖（最大變形36.5mm）

2 鋼殼聯合運輸過駁及上岸的研究

2.1 聯合運輸技術方案設計

船廠現有的水平船臺大型運輸設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，是目前國內外應用廣泛的大型構件運輸車輛，性能穩定、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。

根據有限元計算結果，管節運輸時主要發生橫向大變形，究其原因為管節采用兩孔一管廊的設計導致其橫向結構弱，對于寬度達46m的管節，移船小車僅布置在距中±7m處，兩側懸空太大導致管節橫向變形，解決此問題的有效方法就是在管節兩側增加運輸設備。

如在管節兩側增加移船小車，需破壞地面混凝土結構、增加預埋小車軌道。為充分利用船廠設備資源，避免增加額外基建、設備投入，同時又能達到減少管節運輸變形的目的，綜合考慮管節結構強度以及駁船甲板行走通道的結構強度，我們擬定在管節距中±18.9m處使用模塊車，與距中±7m處的移船小車一起聯合運輸管節過駁及上岸。

為最大限度降低管節橫向變形，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兩側。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備，預留足夠的承載裕度以提高操作空間，設定其總共承受管節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合運輸管節布車（平面圖）

圖5 移船小車與模塊車聯合運輸管節布車圖（橫剖面圖）

2.2 理論驗算

采用Partran軟件對聯合運輸工況進行驗算，得出管節變形計算結果見圖6?？梢姽芄澾\輸時最大變形為15.1mm，滿足最大允許變形20mm的要求，聯合運輸的方案理論上可行。

圖6 使用移船小車與模塊車聯合運輸管節時的變形云圖（最大變形15.1mm）

2.3 技術難點分析與解決方法

珠海桂山島當地氣候不穩定，常年風急、浪大，?？吭诠鹕綅u澆筑廠碼頭的駁船受風浪影響晃動很大。在這種惡劣條件下，要使用兩套設備將管節從駁船聯合運輸上岸，難度非常大。特別是首次采用這種聯合運輸的方法，移船小車與模塊車性能方面存在較大的差異，兩套設備要完成高難度的聯合動作，必然要解決一些技術難點。

2.3.1 移船小車改進

移船小車與模塊車要實現聯動，首先要保證兩套設備性能穩定且能相互匹配?？紤]到模塊車設備應用成熟、性能已相對穩定，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的每臺小車載荷相同，從而實現主動均載。而模塊車則通過液壓油管將分組內所有頂升油缸串聯起來，保證各個油缸液壓始終一致，實現穩定可靠的均載功能（即被動均載）。相比之下，移船小車均載控制程序復雜、容易出現故障，很難達到與模塊車同步頂升、平衡分攤負載的要求。因此，我們對小車液壓系統進行改進。

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

經過改裝后的小車不僅能與模塊車匹配進行聯動，而且自身性能有了很大的改進，應用于產品下水時效率更高、設備故障率更低、系統穩定性更可靠、風險更可控。

2.3.2 聯動控制策略

管節運輸精度要求非常高，不僅要求整體變形控制在20mm以內，而且因澆筑工位設計緊湊，管節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備聯合動作時的同步精度。

為此，我們根據兩套設備的性能特點，在特定階段采取特殊操作策略，通過人工操控實現兩套設備的高度同步，當兩套設備同步頂升/下降時，采取以負載大且動作靈敏的移船小車為主、負載小而可控性較好的模塊車為輔的策略，通過壓力監控、人工遙控操作模塊車跟隨移船小車同步頂升/下降；當兩套設備聯合行走時，采取由驅動/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，可達到兩套設備完全同步行走的效果。

根據以上策略，我們制定了移船小車與模塊車聯合運輸的操作流程：

（1）移船小車和模塊車按布車方案進入鋼殼管節底部指定位置；

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

（3）移船小車預頂升，使所有小車貼緊管節底；

（4）移船小車分組設定，根據重心前后、左右分成1~4四個分組，手工輸入設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動行走，移船小車從動跟隨（離合打開），將管節運輸至駁船；運輸過程中如管節姿態變化大，則通過移船小車和模塊車各大組分別頂升、下降來進行姿態調整；

（9）管節到位后，在駁船上坐墩；

（10）管節運輸到桂山島轉移上岸，采用同樣的方法。

2.4 聯合運輸的優勢與應用推廣

采用移船小車與模塊車兩套設備聯合運輸的方法，可充分發揮船廠優質設備資源的利用價值，避免設備設施的重復投資，節省作業成本。該方法不僅適用于深中通道鋼殼制造項目，而且更適合推廣應用于產品種類多變的造船行業船舶過駁下水作業，其充分融合了兩套設備的各自優勢：船舶艏艉線型外底處承載面積小、結構強，使用單位面積承載能力大的移船小車作為頂升設備，避免了大量的工裝；船舶貨艙平直外底區結構弱、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備，不僅方便、靈活，而且適應任何型寬的船舶，甚至超大型的海工產品。

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

圖7 移船小車與模塊車聯合運輸船舶布車圖

圖8 深中通道鋼殼管節聯合運輸成功過駁

圖9 深中通道鋼殼管節在桂山島成功上岸

3 結束語

深中通道超大型沉管隧道鋼殼管節采用移船小車與模塊車聯合運輸過駁及上岸的方法，是船廠平臺線產品運輸過駁下水的一種全新方法，該方法的成功應用與推廣，不僅可擴大船廠平臺線適造產品的范圍，為平臺線建造大型海工產品、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，而且為日后充分發揮船廠設備資源優勢、通過設備組合來實現更多樣的平臺過駁下水作業提供了參考，有助于推動船廠資源整合、降低企業投資成本。