深中通道供料鎖固船供料鎖固系統工藝設計與實現

劉洪寶，喬朝起，竇勇

（1.中交一航局安裝工程有限公司機電設計咨詢分公司，天津 300457；2.中交一航局安裝工程有限公司，天津 300457）

深中通道連接珠江東西岸，是為承接粵港澳大灣區產業轉移打造的交通大動脈。該工程的海底沉管隧道長約6.8 km，是世界首次使用的雙向八車道超寬鋼殼混凝土沉管隧道。在海底隧道施工建設中，沉管基礎整平及沉管安放就位后的鎖定回填是必不可少的施工工藝，碎石整平船是用于鋪設沉管管節基床和整平作業的核心裝備，供料鎖固船則負責給整平船進行整平作業的石料供料及沉管安放后的碎石回填鎖固工作。

1 功能概述

“一航津供1”供料鎖固船（見圖1）是中交一航局為深中通道量身定制的施工型工程船舶，船長84.6 m，型寬35 m，型深6 m，吃水3.9 m。船上設計一套輸送機輸送系統，能夠滿足石料輸送與石料回填2種作業工況的需求，輸送及一般回填時能力可達800 m3/h，鎖定回填時能力可達400 m3/h。其中石料輸送功能配合整平船使用，實現為整平船連續供料功能[1]。

回填作業可獨立完成，回填給料溜管工作行程分別為42 m、15 m，能夠完成最寬56 m沉管的雙側鎖定回填和一般回填施工工藝作業。

圖1 供料鎖固船外形圖Fig.1 Outline drawing of feeding and locking ship

2 工藝設計

工藝系統由艙底8臺裝有振動給料機的給料漏斗，6條皮帶輸送機，1臺可俯仰的旋轉給料輸送機及2套可行走可提升溜管系統組成，工藝流程圖見圖2。圖中VF為振動給料機，T1/T2/T3/T4為轉接平臺，BC1～BC7為皮帶輸送機，其中BC7為旋轉給料輸送機，CT1/CT2為溜管臺車。

圖2 工藝流程圖Fig.2 Process flow chart

系統通過輸送機系統轉接可實現兩種功能，一種用于向整平船供應石料，由輸送機BC1、BC2、BC3、BC4和旋轉給料輸送機BC7組成。一種用于沉管鎖定和回填，由BC1、BC2、BC3、BC4、BC5、BC6輸送機和對應的卸料小車、溜管臺車CT1、CT2組成。

輸送機BC1、BC2、BC3為共用輸送機。BC1是接料輸送機，石料倉石料通過8個漏斗和振動給料機VF向1號輸送機BC1供料。BC2為轉向及提升輸送機，其上布置有皮帶秤，可對輸送石料進行計量。BC3為3級提升輸送機，其尾部設電液三通，通過電液三通的開閉控制，實現分別向供料輸送機BC4、BC7或回填輸送機BC5、BC6供料，供料和回填不同時工作。BC4為4級提升輸送機，負責將石料輸送至旋轉給料輸送機BC7。BC7為5級提升輸送機，該輸送機將石料輸送給整平船，完成供料任務。BC5、BC6為帶有移動卸料小車的平面輸送機，實現向溜管臺車供料，負責完成回填、鎖定工作。

石料輸送工藝由振動給料機VF、輸送機BC1、BC2、BC3、BC4號和旋轉給料帶式輸送機BC7組成。工藝流程為：艙內石料→振動給料機VF→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→4號輸送機（BC4）→旋轉給料輸送機（BC7）→整平船輸送系統。

回填流程由 BC1、BC2、BC3、BC4、BC5、BC6皮帶式輸送機、卸料小車、溜管臺車CT1、CT2系統組成。工藝流程分一般回填和鎖定回填兩種。

一般回填作業：艙內石料→振動給料機→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→6號輸送機（BC6）→卸料小車→2號溜管臺車（CT2）。

鎖定回填作業：艙內石料→振動給料機→1號輸送機（BC1）→2號輸送機（BC2）→3號輸送機（BC3）→5號輸送機（BC5）/6號輸送機（BC6）→對應犁式卸料小車/卸料小車→溜管臺車CT1/CT2。

3 主要系統設備設計

3.1 系統主要設計參數

物料特性：2～8 cm石子，含水率2%，容重1.7 t/m3，安息角25°。輸送機參數：帶寬1 200 mm，帶速 1.6 m/s；供料及一般回填工況輸送能力：800 m3/h；鎖定回填輸送能力：400 m3/h；總裝機功率：275.5 kW[2]。振動給料機：單臺300 m3/h，功率7.5 kW。旋轉輸送機：輸送能力800 m3/h，回轉角度-90°～120°，俯仰角度 0°～14°。溜管臺車：行走速度0～10 m/min；1號溜管臺車工作行程15 m，2號溜管工作行程42 m；溜管長度滿足水線下最大長度25 m，兩溜管最大中心距76 m。卸料小車：1號卸料車卸料能力400 m3/h，2號卸料車卸料能力800 m3/h。

上述工藝設備中，旋轉給料輸送機、卸料小車、溜管臺車系統是實現整套系統設計功能的關鍵組成，以下從應用需求、功能設計及設備選型進行闡述。

3.2 旋轉給料輸送機

旋轉給料輸送機負責實現從船右舷或船艏側穩定地向整平船輸送石料功能，其給料口在船舶滿載狀態水線以上最大高度應不小于18.0 m。

旋轉給料輸送機主要由旋轉臂架、BC7帶式輸送機、回轉平臺、門座筒體、回轉機構、俯仰機構、俯仰液壓系統、電氣系統及臂架擱置架等組成。

旋轉帶式輸送機為滿足給料高度的需求，確定俯仰上仰角度為14°，船體吃水線以上可滿足18 m高的給料要求；回轉機構采用大軸承形式，實現回轉功能的同時，相比較回轉臺車方式，最大限度地節約空間。俯仰系統采用液壓缸作為俯仰動力源，代替傳統的回轉立柱、卷揚機的組合方式，使得整套俯仰系統動作控制更精確，實現無級調速；液壓缸對臂架提供支撐力，緊急情況下也可保持臂架不墜落；同時液壓系統采用雙缸配置，即便一缸失效，另一缸也能滿足臂架正常使用要求。

3.3 卸料小車

卸料小車布置在對應輸送機上，負責向溜管臺車系統供料，對應溜管臺車與其同時移動。受限于船長84.6 m船體設計要求和T3轉接平臺的中間分料三通溜管尺寸要求，采用2臺常規的卸料小車配置不能實現功能需求。

本工程在充分研究施工工藝的基礎上，確定選擇采用2種卸料形式，一種是尾車形式卸料小車；一種是帶行走輪的犁式卸料小車。尾車形式卸料小車輸送能力大，結構形式基本固定，有成熟設計，可以長期穩定運行。缺點是本體尺寸大，需要占用較多的工作行程，減少了有效作業行程；犁式卸料小車是在犁式卸料器的基礎上通過增設行走輪使其適應“一航津供1”1號溜管臺車行程15 m的工況需求，它的優點是本體占用空間小，可最大程度地增大工作行程，缺點是通過能力有限，一般對應輸送機設計帶速不大于2.5 m/s[3]，且對犁頭耐磨襯板要求高，物料沖擊易造成耐磨襯板經常更換。

根據犁式卸料器優缺點，結合應用工況，在傳統工藝的基礎上做了如下改進：配置行走驅動裝置使其具有行走功能；為減小石料對卸料小車犁頭的沖擊力，提高耐磨襯板的使用壽命，通過EDEM模擬物料運動軌跡，對犁板采用了特殊曲線設計；為適應給料溜管的升降調整，犁式卸料小車溜槽設計有動態伸縮功能；為實現物料平緩轉載，增加了膠帶展平功能。行走犁式卸料小車，設計帶速為1.0 m/s，主要由犁頭、導流板、展平臺托輥組、行走機構、車架、溜管、翻轉斗、推桿等組成，可將石料由5號輸送機卸載至1號溜管臺車的回填溜管中，實現對沉管鎖定回填作業。

3.4 回填溜管系統

回填溜管系統負責完成海底隧道沉管的回填工作，根據施工工藝，鎖定回填時需要在沉管兩側同時投放石料，一般回填時在沉管正上方投放石料[4]；回填作業時可調整石料投放高度，以避免拋料過高石料被海浪沖擊散開造成浪費。

回填溜管（見圖3）系統主要由溜管臺車、回填溜管、溜管提升裝置、防風裝置、電纜拖鏈系統等組成，安裝在船左舷，溜管直徑φ1 200 mm×16 mm，單根溜管總長度32.3 m，水線以下長度25 m；2根溜管工作行程分別為42 m和15 m。

圖3 回填溜管Fig.3 Backfill chute

溜管臺車設計輪壓7 500 kg，采用電機減速機制動器于一體的三合一驅動形式，單臺電機功率7.5 kW，行走采用柱銷形式，通過變頻驅動實現無極調速；溜管升降通過卷揚升降機構來實現，卷揚機功率15 kW，提升速度4 cm/s；溜管共設5個工位，每個工位間隔5 m。

4 電控系統設計

供料鎖固控制系統采用基于PLC自動控制技術[5]，由HMI人機接口界面、PLC控制系統和現場檢測監控傳感器和執行機構組成。控制模式[6]分為中控室遙控和機旁控制2種，正常工作模式下，由中控室完成對系統所有設備操作，維修調試可通過設置在單臺設備旁的機側操作箱進行。控制系統拓撲圖見圖4。

系統總用電負荷299.5 kW[7]，振動給料機、溜管臺車行走、旋轉帶式輸送機回轉機構采用變頻控制方式，輸送機采用液力耦合器軟啟動方式。同時，根據船上的作業特點，驅動電動機、電纜等采用船用級別[8]。

5 結語

“一航津供1”供料鎖固船供料鎖固系統已于2019年6月18日完成系統空載聯動試驗，目前已拖運至深中通道施工現場。項目從設計、采購、施工、試車調試過程中遇到問題和解決方案，為工程船舶的施工管理系統設計和自動化水平提高積累了經驗，為后續船機系統新建、改造和系統升級提供了借鑒。