86m擠密式砂樁船的研發設計

陸洪度，林玉璋，鄭鵬翔，錢明鋒，孫欽揚，劉森林，賈穎暉

（上海佳豪船舶工程設計股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

對水下土體系列植砂樁是目前水下地基加固效果最好，見效最快的施工工藝，是海上軟基礎加固的一項新技術。這項技術在發達國家應用已較普遍，在國內因缺少砂樁船而不能普遍應用。

上海佳豪船舶工程設計股份有限公司曾進行過起重船改建為砂樁船的改建設計（砂樁2號、砂樁3號），對砂樁船有一定研究，為砂樁船的研發設計打下了基礎。2009年受托聯合開發、研制86m擠密式砂樁船，則是填補國內擠密式砂樁船空白的一項舉措。首批3艘船已于2011年在香港投入運營，為正在建造的港珠澳大橋作貢獻。

1 砂樁船概況

該船為非自航工程船，沿海航區作業，無限航區調遣，主要用于水下擠密式砂樁施工作業，最大作業深度水面下65m。鋼質全電焊結構、單甲板、單底（機艙雙層底）、箱形主船體。

作業環境條件：作業水域流速≤3.0m/s，風速≤17.1m/s，H1/3波高≤2.0m；錨泊環境條件：在蒲氏 8-9級，水域流速≤4.5m/s，作業區水域就地拋錨抗風。在蒲氏10級及10級風以上進港避風。

該船為三管擠密式砂樁船，可同時施打 3根擠密式砂樁。按砂樁作業所需，砂樁管橫向能在距中4.8～6.9m范圍可調。樁架最高點距水平面86.2m，樁架之高為國內砂樁船之最。為滿足吳淞口過江電纜68m通航高度要求，樁架上部采用活動結構。

入中國船級社（CCS），入級符號及附加標志：★CSA，Pile Driving Barge, R2 for Operation， In-water survey。

2 主尺度

主尺度的選取涉及到總布置、總強度、干舷、穩性、經濟性等諸多因素[1]，鑒于該船主甲板上需配置甲板室、砂樁架及眾多設備，主尺度擬取滿足總布置、干舷、穩性等要求下的較小的尺度即經濟型尺度，最終取值如下：

船長L75.0m

型寬B26.0m

型深D5.20m

設計吃水d3.20m

結構吃水 3.50m

燃油艙（左，右） 2×225m3

淡水艙（左，右） 2×235m3

工作水艙 2800m3

自持力 30d

船員 36人

3 總布置

3.1 主甲板下布置

1)該船主甲板下船寬范圍內設5道水密橫艙壁、2道縱艙壁 。從艉向艏主要布置有No.4工作淡水艙（左、中、右）、電氣設備室/ No.3工作淡水艙（左、右）、機艙/淡水艙（左、右）/平衡水艙（左、右）/燃油艙（左、右）、空氣瓶間/空艙（左、右）、泵間/備件間/ No.2工作淡水艙（左、右）、No.1工作淡水艙（左、右）/空艙（中）。工作淡水艙，淡水艙、燃油艙及橫傾水艙均左右對稱布置。

2)機艙設雙層底，除布置主、輔柴油發電機組等設備外，尚布置機艙監控室、機修間。雙層底內布置燃油溢油艙、污油艙、艙底水艙、生活污水艙及空艙。淡水艙及生活污水艙縱向靠近主甲板甲板室，以節省管道，布置優化。

3)機艙與電氣設備室間設有液壓水密移門，便于機艙、電氣設備室的工作及管理。

4)機艙及電氣設備室均設有通向主甲板的梯道，機艙尚設有通向主甲板的應急逃口；空氣瓶間、備件間及泵間除設有通往露天甲板的梯口，還設有吊備件的小艙口（含機艙）。從而方便這些艙室的人員及設備進出。

3.2 甲板室布置

主甲板以上的艙室布置，充分體現“以人為本”的設計理念，為船員提供較好的生活、工作環境。

1)廚房、餐廳/娛樂室、食品庫、空調室、CO2室、熱水發生器間、蓄電池間、充放電間、衛生間等起居、服務處所布置于進出方便的主甲板甲板室內。

2)船員起居處所均布置于主甲板之上，除主甲板甲板室布置有2間雙人間外，其余均布置在二層及三層甲板室，且均為雙人間或單人間。船長、輪機長及大付的居住艙室均為帶衛生間的套間，其中船長和輪機長的配置級別為最高。

3)控制室位于三層甲板室，寬敞、明亮、視野開闊并可對樁架最高點、主甲板砂料斗進料及砂料皮帶輸送等作業進行瞭望。控制室兩側設有通向室外走道的風雨密門，室內也有艙室門，進出控制室甚為便捷。

4)每層甲板室均設有廁所和浴室。

5)船首主甲板設艏甲板室，便于砂料提升斗上料觀測，砂樁架維修保養等作業，內設工作室（兼甲板部辦公室）、氧氣室、乙炔室、貯藏室。

6)主甲板上自艉向艏布置有6臺錨泊定位絞車、甲板室、3臺砂料提升斗絞車、3臺吊錘絞車、甲板起重機左右各1臺、砂料斗、3組皮帶輸送機、A字架、樁架、砂樁管等砂樁系統設備，布置緊湊、合理。總布置見圖1。

圖1 總布置

4 縱傾及穩性

該船在主甲板下左右前后均布置有淡水艙、燃油艙、橫傾水艙及數量足夠的工作淡水艙，以調整浮態，確保船舶穩性。

4.1 縱傾

該船在任何工況（作業及調遣航行）均無橫傾及艏傾，可調至平浮，滿足植樁作業平浮的浮態要求。

4.2 穩性

該船樁架頂端距水面達86.2m，為國內砂樁船之最，對穩性影響較大。穩性校核具有二重性，作業穩性按《國內航行海船法定檢驗技術規則》起重船要求校核[2]，拖航完整穩性按國際航行海船要求校核[3]。共校核7種工況：

1)100%油水調遣航行；

2)10%油水調遣航行；

3)10%油水調遣航行并計及結冰；

4)100%油水遮蔽航行；

5)10%油水遮蔽航行

6)100%油水植樁作業；

7)10%油水植樁作業。

該船空船重量及重心高度在送審設計時經詳細地計算，以理論計算的空船重量及重心高度校核的完整穩性完全滿足規范要求。2艘實船傾斜試驗確定的空船重量及重心高度與理論計算數據偏差甚小，實船空船重量與理論計算結果的相對誤差最大為4%，且系負偏差。偏差絕對值越大，對穩性計算越有利，因此可加大工作淡水艙的壓載量，從而校核工況船舶重心高度下降；實船重心高度與理論值相對偏差0.1%（一實船重心高度高于理論值18mm，另一實船重心高度低于理論值12mm，），完工穩性仍滿足規范要求。

該船為非機動船，按SOLAS公約(國際海上人命安全公約)免于破艙穩性校核[4]。

5 結構設計

按CCS《鋼質海船入級規范》（2009）設計，計算吃水取3.50m結構吃水。

1)主船體為單甲板、單底，機艙為雙層底。雙層底高1100mm，雙層底實肋板隔檔設置，機艙雙層底與前后、左右單底分別有良好的縱、橫向過渡。

2)主船體下設水密橫艙壁5道，自艉至艏縱艙壁2道，船體中心線處設縱艙壁與縱桁架組合結構一道,縱橫艙壁的設置滿足規范要求。

3)主甲板以下船體結構為縱骨架式（主甲板、舷側、縱艙壁、船底、雙層底內底），從而主船體形成強船體縱向梁。主船體每隔3～4檔肋距設強框架，兼顧了主船體的橫強度。甲板室為橫骨架式結構。

4)結構為箱形駁，按規范，如其水密橫艙壁和縱艙壁的設置滿足規范對駁船要求，同時滿足L/B＞3，B/D≤ 6 .0的尺度比要求,則可按規范校核其總縱強度。否則，應采用直接計算法確定,并應提交CCS審批。該船水密橫艙壁和縱艙壁的設置雖滿足規范要求，但L/B= 2 .88，小于3，即不滿足規范要求的第二個條件，總縱強度需作整船有限元分析。

5)按規范，對于B/D≥ 3 的箱形駁，應用直接計算法校核其橫向強度，該船B/D= 5 ，大于3，橫向強度需作有限元計算。

6)樁架的 A字架下端鉸鏈與主甲板下的縱向強構件在同一縱剖面上，并有較好的反面加強，可對主船體的承重力得到較好的傳遞。

7)對系泊設備、拖帶設備、A字樁架、錨泊定位絞車底座、吊錘絞車、砂料提升斗絞車底座、甲板起重機底座均作甲板下結構加強，并作有限元計算。

6 植樁系統

6.1 砂樁架

砂樁架主要由A字架、樁架、頂部平臺和砂樁管等組成。

6.1.1 A字架

A字架是整個砂樁架的支撐構件，為鋼管焊接結構，具有足夠的強度和剛度。A字架頂橫桿與前面樁架為鷹鉤頭連接，樁架鷹鉤頭可沿A字架頂橫桿移動；中間3層分別與樁架連接，連接結構可移動。前后弦桿下端均鉸接在船體鉸座上。

6.1.2 樁架

樁架共3件，為角鋼焊接而成的矩形截面桁架結構。樁架最高點距水面86m，額定吊重120t。為滿足吳淞口過江電纜68m通航高度要求，樁架上部采用法蘭連接的可折卸結構，上部折卸后樁架高度低于68m。樁架下部鉸接在船體鉸座上，船體鉸座橫向可在距中4.8～6.9m 范圍內移動。樁架前面設置振動錘軌道，一側面設置砂料提升斗軌道。

6.1.3 頂部平臺

樁架頂部設置平臺，布置吊錘，吊砂料斗的導向滑輪。吊錘導向滑輪可向前移動約1.5m，以便樁錘在樁管不拆的情況下可以下放至甲板進行維修。

6.1.4 砂樁管

砂樁管3件，直徑800mm，長約64m。砂樁管由樁管定位設備定位于樁架前、振動錘下，因依附于樁架，砂樁管在橫向4.8～6.9m范圍可調。砂樁管處甲板孔洞的直徑略大于砂樁管頭部直徑，便于樁管頭部提升到甲板以上進行維修。甲板孔洞邊緣設置4組砂樁管限位滾輪，以確保植樁時砂樁位置的恒定性。

6.1.5 結構優化

砂樁架和A字架必須具有足夠的強度和剛度，以滿足同時施打3根擠密式砂樁的要求，但也不能對船體結構造成太大的不必要的荷重，因此，對砂樁架的設計進行優化，主要對A字架建立合理的數學力學模型，進行結構的有限元分析和優化；A字架頂橫桿與樁架為鷹鉤頭連接，前后弦桿及樁架下端與主船體連接采用鉸鏈連接。鉸鏈或鷹鉤頭連接可以減輕振動，釋放連接點處的彎矩，減少構件和船體結構的疲勞損傷及便于調節樁架的橫向間距。砂樁架概貌見圖2。

圖2 砂樁架概貌

6.2 植樁設備

振動錘3套，砂樁激振力為0～2940kN，拔砂樁管力1176kN；3臺電動變頻吊錘絞車，額定拉力（第4層）225kN、額定速度（第4層）31m/min、容繩量φ40mm×550m。

6.3 供料設備

植樁用砂料由停泊在兩舷的砂駁提供。2臺15t抓斗起重機布置于主甲板左右舷，船體中心線處及近旁依次布置容積220m3砂料斗一只（分成3腔）、物料輸送帶3臺，每臺輸送能力400m3/h。可從船舶任一舷或兩舷同時向砂料輸送帶提供砂料,繼而經樁架旁砂料計量斗、樁架一側砂料提升斗、下沉樁管頂部進料斗等裝置往樁管灌進砂料（上述裝置系每根樁管各一套）。樁架側面砂料提升斗由設在主甲板的電動變頻提升斗絞車實施提升，全船計3臺，每臺額定拉力（第1 層）170kN、額定速度42m/min、容繩量（第1層）φ36mm×100m。

7 錨泊、系泊、拖曳設備

7.1 錨泊設備

根據使用要求，該船采用航行錨泊設備及定位錨泊設備。

航行錨泊設備由計算得到的舾裝數按船級社規范配置。該船航行錨設備為：艏錨2只。每只2850kg，錨鏈直徑φ48mm，AM2，總長度495m。

根據作業水域的水深及作業要求的環境條件，定位錨泊設備采用6根錨索輻射狀錨泊系統。定位錨泊設備主要配置：艏艉各設250kN錨泊定位絞車3臺，容繩量φ46mm×500m，鋼絲繩規格為φ46mm，6×37(a)＋IWR1770，破斷負荷1330kN，海軍錨6只，每只錨重8000kg。

由于定位錨泊設備所配8000kg海軍錨高于規范要求的2850kg航行錨，因此規范要求的2只航行錨可用艉部2只海軍錨代替，即該船定位錨泊設備可替代航行錨泊設備[5]，為最終錨泊設備。

作為航行錨使用的2只海軍錨，在錨與鋼索之間用有檔錨鏈AM2 φ58mm（約12.5m）作過渡連接。

7.2 系泊設備

按規范，該船系泊設備為：系船索4根，每根長度170m，破斷負荷216kN。由于規范規定的舾裝數主要反映了錨泊時的受力狀態，而對側面為主的系泊狀態考慮不夠，因此，實際配置系船索的數量及破斷負荷均高于規范要求。

7.3 拖曳設備

按《鋼質海船入級規范》，該船需配拖索190m，破斷負荷為559kN，這是遠遠不夠的。拖曳設備需同時滿足CCS《海上拖航法定檢驗技術規則》(1999)及海安會通函MSC/Circ.884《海上安全拖航導則》的要求，因此，拖曳設備最終按上述兩規則設計。

該船拖航阻力為525.8kN，拖船的系柱拖力取750 kN。主拖纜和備用拖纜由拖船提供，其最小破斷負荷按下式求得：

式中，MBL——主拖纜和備用拖纜的破斷負荷，kN；

BP——拖船的系柱拖力，750kN。

主要拖曳設備：拖航眼板4只，設于艏部左右舷（每舷各2只）；拖航用龍須纜一套，包括短纜、龍須纜、回收纜、連接卸扣、套環和連接三角板等。短纜及龍須纜中的鋼索均為φ56mm，6×37(b)+IWR1770，破斷負荷1770kN＞1704kN，滿足拖航強度要求，以上其他附件也均滿足拖航強度要求。

為改善拖航時航向穩定性，艉對稱布置2道分水踵。

8 輪 機

8.1 概況

機艙設置800kW主柴油發電機組4臺、燃用船用輕柴油，壓縮空氣起動，柴油機設有飛車、滑油壓力過低及淡水高溫等自動停車保護功能。

機艙另設輔柴油發電機組一臺，燃用船用輕柴油，電起動，供停泊時使用。在熱水發生器間，設置83.7萬J常壓燃油熱水鍋爐一臺。

起居處所、服務處所及機器處所除配置必要的通風設備外，機艙監控室配置立柜式空調，甲板室起居處所、控制室等采用分層式中央空調[6,7]，制熱時用鍋爐熱水加熱，采用分層布置便于管理、節能。4臺移動式電動空壓機組布置在船員甲板后，可充分滿足所需新鮮空氣，還便于設備散熱。發電機組、空壓機組采用海水冷卻，同時管路還旁通到艉部工作淡水艙打循環，減少管路及設備的腐蝕。 機艙工作環境條件為：舷外水溫度32℃、環境溫度45℃、大氣壓力0.1MPa、相對濕度60%。

8.2 砂樁擠密系統

由4臺電動空壓機組提供植樁時擠密砂樁用壓縮空氣，每臺排量50.2m3/min，壓力1.4MPa。

空氣瓶間內設置總容積為190m3的打樁空氣瓶，空氣瓶是根據空氣瓶間尺寸制作，布置緊湊。設進氣閥，排氣閥，壓力表，壓力傳感器，放泄閥和釋放閥等附件，釋放閥帶釋放管接至外部安全區域。從空氣瓶至樁架的主空氣管路按照需要設置若干支管,鋼管鋪設至樁架40m左右的高度，樁架至樁管的空氣管為軟管式。從空氣瓶至樁架的控制空氣管路，按照需要也設置成若干不銹鋼管支管，鋪設至樁架40m左右的高度，樁架至樁管的控制空氣管為軟管式。

高壓注水泵和高壓沖水泵，布置在艏部泵間。

9 電 氣

9.1 主電源

主電源由4臺800kW主柴油發電機組提供，4臺并車運行時能滿足擠密式砂樁作業工況時震動錘、吊錘絞車、砂料供應系統、空壓機、全船動力和生活同時用電的需要。設置 130kW 停泊柴油發電機一臺，能滿足全船生活用電需要。設置的功率管理系統（PMS），主要有以下功能：

1)4臺主發電機組可采用手動/準同步/自動并車方式實現并聯運行；

2)平衡調節主柴油機的動態和靜態功率分配；

3)非重要負載卸載；

4)發電機與匯流排自動同步；

5)自動負載分配；

6)頻率調節；

7)根據負載自動起動/停止發電機；

8)發電機自動同步；

9)發電機主開關自動合閘/分閘；

10)報警和事件處理；

11)圖形化顯示和人機界面等。

9.2 監測及控制

三層甲板控制室設船用集中控制臺1座、錨泊定位絞車控制臺1座及砂樁控制臺3座，此外，機艙監視室設機艙監視臺1座。

9.2.1 船用集中控制臺

船用集中控制臺裝有船用設備的控制板及報警板等。

9.2.2 錨泊定位絞車控制

主甲板上6臺錨泊定位絞車采用電動機驅動，交流變頻調速控制，變頻控制柜設置在變頻室，制動電阻箱布置在電氣設備室。錨泊定位絞車既能在機旁就地操作也能在控制室的控制臺集中操作。系統引入DGPS作精確定位，通過閉路電視監視系統（CCTV）確保錨泊定位絞車的安全可靠運行。

9.2.3 砂樁控制臺

每根樁管配一臺砂樁控制臺監控，共3臺。砂樁作業具有程序自動控制功能和自動監測功能，由設備廠家提供控制設備。植樁作業配有閉路電視監視系統（CCTV），該系統所用攝像頭為防震式。

9.2.4 機艙監視臺

機艙監視室設監視臺1座，監視臺上設機艙監測報警系統1套，用于各發電機組及重要輔機的監測及報警、機艙各艙柜液位報警等。自動電話、聲力電話等也置于監視臺上。

10 結 語

86m擠密式砂樁船系國內自行設計、建造的首制船。隨著國內大型深水港等海洋工程建設的需要，砂樁船在國內有著廣闊的應用前景。應加強對砂樁船船型、應用、施工工藝等相關研究，使砂樁船成為海洋工程建設的一支生力軍。

[1]陸洪度. 總舾設計若干問題的研討[J]. 船舶設計技術交流，2011, (1)∶ 1-2.

[2]中華人民共和國海事局. 船舶與海上設施法定檢驗規則——國內航行海船法定檢驗技術規則[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[3]IS Code[S]. 2008.

[4]SOLAS Consolidated Edition[S]. 2009.

[5]中國船級社. 鋼質海船入級規范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[6]宋靠華. 水面艦艇空調通風系統技術現狀及展望[J]. 上海造船，2007, (1)∶ 36.

[7]張建華，闞安康，韓厚德. 船舶中央空調系統能耗分析及節能措施[J]. 上海造船，2011, (1)∶ 60.