新型鉆孔爆破船的樁腿式定位移位裝置分析

魏 虎 仁

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

為拓深、拓寬國際巴拿馬運河，中國寧波遠東水下工程有限公司與比利時國際疏浚公司聯合應標了其疏浚工程。遠東公司為此投資建造了一艘有創新理念的，大型自航并裝設能自行定位和移位的樁腿式裝置的鉆孔爆破船“遠東007”號（圖1），其性能數據見表1。

圖1 新型鉆孔爆破船“遠東007”號

表1 使用樁腿定位系統的鉆孔爆破船性能數據

1 鉆孔爆破船的工作特點和要求

對于港區水下基巖地層面的疏浚必須先實行大面積的鉆孔和爆破。將地層面的基巖粉碎，才能由液壓反鏟或抓斗進行疏浚清理。孔眼雖不深，但數量眾多，其孔位間距多為3m左右，孔眼間距要求準確，鉆孔爆破后地層呈倒錐形，見圖2。

圖2 鉆孔深度與間距

當鉆孔孔位間距不準，誤差較大時，爆破后地層將高低參差不齊，個別區域頂點未在要求達標水深以下，就需要返工，費時費工。

2 兩種定位移位方法

鉆孔爆破必先定位，常用的有兩種定位方法，即傳統的多點錨索定位方法與樁腿定位方法，稱之為“靜力定位”。其指在淺水深度范圍內用構件固定于地球某一點上，實現力的平衡和目標定位；而動力定位則是利用推進動力連續產生與干擾外力相反的運動達到抵抗、平衡和目標定位。本文以該鉆孔爆破船為例，討論靜力定位的兩種定位方法。

2.1 多點錨索定位

錨索定位（見圖3）是在工作船艏艉和左右舷4角的多點（該船為6點），距離舷外100m處拋置錨索于水下，形成一個由6根錨索所組成的平衡力系，依靠GPS系統和岸標找準船的方位。這種方法在理論上是準確的，但實際上鋼索是一個準彈性元件，且是單向受力元件，所以錨索定位存在下述問題：

首先無論是哪一根鋼索，如受到風、流、浪等外力干擾時，鋼索受到拉抻會發生拉伸形變ΔL1；其次錨索由于自重的作用，成為一根類似拋物線的懸鏈線[1]。當受到拉力作用時，懸鏈線發生變化，中間懸垂線H變短，繩索長度變長，增加一個懸鏈形變ΔL2；再者由于風、流、浪干擾外力，其合力不一定會通過船的形心，在水平面上遂產生一個圍繞垂軸z的轉動力偶Mz。為平衡這個力偶，工作船必須轉動一個角度θ，才能達到新的靜力平衡，見圖4。

通常為提高工作效率，需在鉆爆船舷一側放置多個鉆機，甚至10臺一字展開。這樣在其一個轉角θ下，每臺鉆機都發生不等的位移；離船形心越遠，其值ΔL3越大。此外工作船受到干擾力合力時，對船縱軸x橫向外力作用，在高度方向上的力偶Mx，還會產生在x軸上的橫向擺動角α，因鉆桿較深，直到水下地層面橫向搖擺時產生擺值ΔL4較大；所以錨索定位系統孔眼誤差總值為： ΔL= ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔL4的矢量和，如圖4所示。

圖3 錨索定位方法

圖4 受Mz作用產生的轉角θ

以上干擾的外力不論多少與方向，可以歸納為下列數學方程組表達：

作用在船體上x向合力：

作用在船體上y向合力：

作用在船體上z軸上合力矩：

作用在船體上x軸上合力矩：

式中：m——船舶質量；x——x向移動分量；y——y向移動分量；θ——外力矩對船z軸上的轉角；α——外力矩對船x軸上的轉角。

2.2 樁腿定位系統

如果說錨索定位系統是一種間接的彈性定位系統，而樁腿定位系統則是直接的剛性定位系統。工作船在艏艉左右舷4角各放置一套樁腿升降機構，樁腿在船體導向孔結構中上下移動；在樁腿底部有樁靴支承，可支撐在水下巖石基礎上，當樁柱繼續下降時，船體減少吃水深度，船體排水量減少，使部分船體抬起，亦就是樁腿上發生負重；其值大小取決于工作船的性質，在何級風浪下工作，以及本身工作機構的反力值[2]。對于30m左右的淺水層工作，不要求船體脫出水面，樁腿的負重值約為1/10～1/3的船體排水量，如圖5所示。

該船樁腿不僅上下可以定位且可擺動作移位之用。

圖5 樁腿定位系統

與錨索定位系統不一樣，樁腿定位系統是一組剛性機構。當樁腿負重受壓伸入到土層中去，因有橫向阻力R將不會滑動和移位，因此ΔL1=0。在船體受到外力時，導向孔與樁腿之間存在小量滑動間隙S，一般在5cm之內，即ΔL2=5cm。再者，船體受外界干擾力作用時，4根樁腿可按門架，亦可簡單認為懸臂梁，計算其彎曲繞度ΔL3。最后水平面上，圍繞垂軸z的偏心外力偶Mz的作用下，4根樁腿隨同船體發生扭曲形變和轉角θ，從而產生ΔL4，如圖6所示。

圖6 樁腿形變

3 兩種定位方法的比較

對兩種定位方法所產生的孔眼位置誤差，在此，僅以本船有關參數作估算，進行比較。不對干擾的外力進行量值分析和定位系統進行結構上的力學分析。

設定x方向鋼索受到100kN外力，鋼索直徑28mm，長100m，鋼索受力后，其伸長形變值ΔL1為：

式中：P——鋼索拉力，取100kN（100000N）；

L——鋼索長度，取100m（10000cm）；

E——第一彈性模數，取 8 × 106N/cm2；

F——鋼索有效面積，取4.5cm2。

一般爆破孔孔距S=3m，最大允許誤差S/10=300/10 =30cm，現ΔL1孔眼誤差幾近允許值，所以錨索定位系統控制孔眼位置的能力是不足的，何況還有ΔL2、ΔL3、ΔL4尚未計入。

而對樁腿定位系統首先要減少船體吃水，即將樁柱壓入水下地層中，抬起部分船體出水。其部分排水量變為樁腿的壓力，n為樁腿數，每條樁腿將承受1/4的失去排水量的正壓力，設比值λ為排水量的1/10，船總體排水量Q= 5600 t ，每樁壓力值T為：

在1400kN壓力下，樁腿穿過2m左右浮泥層，其尖頂插入土層中，因為涉及土力學計算，這里不及細述，但抵抗橫向100kN干擾力是有余的。設樁靴與基巖表面摩擦系數f=0.1，橫向阻力R為：

由于560kN＞100kN，所以滑移不存在，即ΔL1=0。而樁腿形變可按前后2組門架計算，如圖7所示。其形變值為ΔL3：

式中：fmax——樁腿端部最大形變值；

H——樁腿支承高度，2200cm；

P——載荷，100kN；

基于對全川經濟、文化、政治等各項指標數據的分析，考慮地區代表性和客戶配合程度等客觀因素，選定四川省阿壩州某牧區縣和德陽某農業縣作為四川低密度負荷試點地區，并在上述試點區域進行10 kV線路負荷分布狀況調研。

n——樁腿數，4；

E——彈性模數， 2 × 107N/cm2；

J——軸慣性矩，2073600cm4。

圖7 樁腿繞度

由于其值遠遠小于允許值30cm，因此采用樁腿定位可以達到控制孔眼位置誤差的目的。

就結構力學而言，無論是海洋工程船或岸上鋼結構，對于受力作用的鋼梁構件，如雙支點的簡梁、懸臂梁或門架結構，其最大撓度值，不得超過梁長度的千分之一。究其原因是較大的撓度值將會引起結構動力學中的振動。而振動會造成梁結構在許用應力之內過早地失效。樁腿的形變值計算為ΔL3=2.14cm，小于22m樁受力長度的千分之一，是安全的。

因錨索是一個彈性力系，而樁腿則是剛體扭轉；船體轉角θ較小，由此產生的形變值甚小[2]，因此不必計算偏心力矩對船體的轉角影響。至于船體受橫向外力時所產生的傾覆力矩Mx，使樁腿受力一側壓力減小，另一側壓力增加；其壓力減小的一側樁腿只要不會減少到零值或負值，就不會傾倒，能保持其原有的穩定性。當然在設計時，還應考慮穩定性系數[3]。樁腿壓力增減值ΔT為：

圖8 樁腿定位移位裝置

式中：ΔH——樁腿插入泥層中深度，2m；

B——受力側2樁腿中心距，10m。

即一側增加240kN壓力值，另一側減小240kN壓力值。每一根樁腿增加或減小120kN，原樁腿每根正壓力為 1400kN；壓力增加一側每樁為 1400kN+120kN=1520kN，壓力減小一側為每樁1400kN-120kN=1280kN；其值均為正值，所以說并不影響總體的穩定性能。

4 遠東007船樁腿定位移位系統

該系統是一種剛性靜力定位系統，適用于25m以內水深范圍。系統由4套樁腿升降裝置組成，沿艏艉左右舷4角安放。樁腿長約30m，為管式框架結構，在船體導向孔內上下升降。升降機構為鋼索絞車，穿過樁腿上下端4個滑輪傳動。每臺液壓絞車的拉力為350kN，通過倍率滑輪組后樁腿壓力為1400kN。在絞車架下部用液壓缸2臺與甲板鉸接相連，絞車架與船體甲板上的樁架鉸座相連，液壓缸推動起到絞車架的搖擺作用；樁腿不僅可以在絞車架的導向孔中上下滑動，還能夠由液壓油缸的傳動，樁腿起擺動作用；這樣樁腿可以移步，使樁式定位系統能夠實現移位和定位，詳見圖8[4]。

5 結 語

1)樁腿定位系統相比錨索定位系統，其移位迅速、定位準確、無須其他工具和船只配合和幫助；

2)樁腿定位系統在港區內或狹窄航道上施工，不影響過往船舶航行，且有利于輔助船的工作停靠；

3)樁腿定位系統的應用范圍可以擴大到其他工程船如液壓反鏟疏浚船、打樁船等；

4)在30m左右的淺水深度使用的樁腿定位升降機構可用液壓驅動鋼索絞車，這種機構制作簡單，成本低廉、使用便捷、維護方便；

5)該船的樁腿定位系統不僅可上下升降，還因設置了液壓缸可作擺動，因而可以跨步移位。

[1]馮建祥，羅才英. 懸索工程[M]. 廈門：廈門大學出版社，2010.

[2]楊永祥. 船舶與海洋平臺結構[M]. 北京：國防工業出版社，2008.

[3]中國船級社. 船舶與海上設施起重設備規范[S]. 2007.

[4]吳良寶，魏虎仁. 船舶液壓傳動系統[M]. 北京：國防工業出版社1987.