新型钻孔爆破船的桩腿式定位移位装置分析

魏 虎 仁

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

为拓深、拓宽国际巴拿马运河，中国宁波远东水下工程有限公司与比利时国际疏浚公司联合应标了其疏浚工程。远东公司为此投资建造了一艘有创新理念的，大型自航并装设能自行定位和移位的桩腿式装置的钻孔爆破船“远东007”号（图1），其性能数据见表1。

图1 新型钻孔爆破船“远东007”号

表1 使用桩腿定位系统的钻孔爆破船性能数据

1 钻孔爆破船的工作特点和要求

对于港区水下基岩地层面的疏浚必须先实行大面积的钻孔和爆破。将地层面的基岩粉碎，才能由液压反铲或抓斗进行疏浚清理。孔眼虽不深，但数量众多，其孔位间距多为3m左右，孔眼间距要求准确，钻孔爆破后地层呈倒锥形，见图2。

图2 钻孔深度与间距

当钻孔孔位间距不准，误差较大时，爆破后地层将高低参差不齐，个别区域顶点未在要求达标水深以下，就需要返工，费时费工。

2 两种定位移位方法

钻孔爆破必先定位，常用的有两种定位方法，即传统的多点锚索定位方法与桩腿定位方法，称之为“静力定位”。其指在浅水深度范围内用构件固定于地球某一点上，实现力的平衡和目标定位；而动力定位则是利用推进动力连续产生与干扰外力相反的运动达到抵抗、平衡和目标定位。本文以该钻孔爆破船为例，讨论静力定位的两种定位方法。

2.1 多点锚索定位

锚索定位（见图3）是在工作船艏艉和左右舷4角的多点（该船为6点），距离舷外100m处抛置锚索于水下，形成一个由6根锚索所组成的平衡力系，依靠GPS系统和岸标找准船的方位。这种方法在理论上是准确的，但实际上钢索是一个准弹性元件，且是单向受力元件，所以锚索定位存在下述问题：

首先无论是哪一根钢索，如受到风、流、浪等外力干扰时，钢索受到拉抻会发生拉伸形变ΔL1；其次锚索由于自重的作用，成为一根类似抛物线的悬链线[1]。当受到拉力作用时，悬链线发生变化，中间悬垂线H变短，绳索长度变长，增加一个悬链形变ΔL2；再者由于风、流、浪干扰外力，其合力不一定会通过船的形心，在水平面上遂产生一个围绕垂轴z的转动力偶Mz。为平衡这个力偶，工作船必须转动一个角度θ，才能达到新的静力平衡，见图4。

通常为提高工作效率，需在钻爆船舷一侧放置多个钻机，甚至10台一字展开。这样在其一个转角θ下，每台钻机都发生不等的位移；离船形心越远，其值ΔL3越大。此外工作船受到干扰力合力时，对船纵轴x横向外力作用，在高度方向上的力偶Mx，还会产生在x轴上的横向摆动角α，因钻杆较深，直到水下地层面横向摇摆时产生摆值ΔL4较大；所以锚索定位系统孔眼误差总值为： ΔL= ΔL1+ΔL2+ΔL3+ΔL4的矢量和，如图4所示。

图3 锚索定位方法

图4 受Mz作用产生的转角θ

以上干扰的外力不论多少与方向，可以归纳为下列数学方程组表达：

作用在船体上x向合力：

作用在船体上y向合力：

作用在船体上z轴上合力矩：

作用在船体上x轴上合力矩：

式中：m——船舶质量；x——x向移动分量；y——y向移动分量；θ——外力矩对船z轴上的转角；α——外力矩对船x轴上的转角。

2.2 桩腿定位系统

如果说锚索定位系统是一种间接的弹性定位系统，而桩腿定位系统则是直接的刚性定位系统。工作船在艏艉左右舷4角各放置一套桩腿升降机构，桩腿在船体导向孔结构中上下移动；在桩腿底部有桩靴支承，可支撑在水下岩石基础上，当桩柱继续下降时，船体减少吃水深度，船体排水量减少，使部分船体抬起，亦就是桩腿上发生负重；其值大小取决于工作船的性质，在何级风浪下工作，以及本身工作机构的反力值[2]。对于30m左右的浅水层工作，不要求船体脱出水面，桩腿的负重值约为1/10～1/3的船体排水量，如图5所示。

该船桩腿不仅上下可以定位且可摆动作移位之用。

图5 桩腿定位系统

与锚索定位系统不一样，桩腿定位系统是一组刚性机构。当桩腿负重受压伸入到土层中去，因有横向阻力R将不会滑动和移位，因此ΔL1=0。在船体受到外力时，导向孔与桩腿之间存在小量滑动间隙S，一般在5cm之内，即ΔL2=5cm。再者，船体受外界干扰力作用时，4根桩腿可按门架，亦可简单认为悬臂梁，计算其弯曲绕度ΔL3。最后水平面上，围绕垂轴z的偏心外力偶Mz的作用下，4根桩腿随同船体发生扭曲形变和转角θ，从而产生ΔL4，如图6所示。

图6 桩腿形变

3 两种定位方法的比较

对两种定位方法所产生的孔眼位置误差，在此，仅以本船有关参数作估算，进行比较。不对干扰的外力进行量值分析和定位系统进行结构上的力学分析。

设定x方向钢索受到100kN外力，钢索直径28mm，长100m，钢索受力后，其伸长形变值ΔL1为：

式中：P——钢索拉力，取100kN（100000N）；

L——钢索长度，取100m（10000cm）；

E——第一弹性模数，取 8 × 106N/cm2；

F——钢索有效面积，取4.5cm2。

一般爆破孔孔距S=3m，最大允许误差S/10=300/10 =30cm，现ΔL1孔眼误差几近允许值，所以锚索定位系统控制孔眼位置的能力是不足的，何况还有ΔL2、ΔL3、ΔL4尚未计入。

而对桩腿定位系统首先要减少船体吃水，即将桩柱压入水下地层中，抬起部分船体出水。其部分排水量变为桩腿的压力，n为桩腿数，每条桩腿将承受1/4的失去排水量的正压力，设比值λ为排水量的1/10，船总体排水量Q= 5600 t ，每桩压力值T为：

在1400kN压力下，桩腿穿过2m左右浮泥层，其尖顶插入土层中，因为涉及土力学计算，这里不及细述，但抵抗横向100kN干扰力是有余的。设桩靴与基岩表面摩擦系数f=0.1，横向阻力R为：

由于560kN＞100kN，所以滑移不存在，即ΔL1=0。而桩腿形变可按前后2组门架计算，如图7所示。其形变值为ΔL3：

式中：fmax——桩腿端部最大形变值；

H——桩腿支承高度，2200cm；

P——载荷，100kN；

基于对全川经济、文化、政治等各项指标数据的分析，考虑地区代表性和客户配合程度等客观因素，选定四川省阿坝州某牧区县和德阳某农业县作为四川低密度负荷试点地区，并在上述试点区域进行10 kV线路负荷分布状况调研。

n——桩腿数，4；

E——弹性模数， 2 × 107N/cm2；

J——轴惯性矩，2073600cm4。

图7 桩腿绕度

由于其值远远小于允许值30cm，因此采用桩腿定位可以达到控制孔眼位置误差的目的。

就结构力学而言，无论是海洋工程船或岸上钢结构，对于受力作用的钢梁构件，如双支点的简梁、悬臂梁或门架结构，其最大挠度值，不得超过梁长度的千分之一。究其原因是较大的挠度值将会引起结构动力学中的振动。而振动会造成梁结构在许用应力之内过早地失效。桩腿的形变值计算为ΔL3=2.14cm，小于22m桩受力长度的千分之一，是安全的。

因锚索是一个弹性力系，而桩腿则是刚体扭转；船体转角θ较小，由此产生的形变值甚小[2]，因此不必计算偏心力矩对船体的转角影响。至于船体受横向外力时所产生的倾覆力矩Mx，使桩腿受力一侧压力减小，另一侧压力增加；其压力减小的一侧桩腿只要不会减少到零值或负值，就不会倾倒，能保持其原有的稳定性。当然在设计时，还应考虑稳定性系数[3]。桩腿压力增减值ΔT为：

图8 桩腿定位移位装置

式中：ΔH——桩腿插入泥层中深度，2m；

B——受力侧2桩腿中心距，10m。

即一侧增加240kN压力值，另一侧减小240kN压力值。每一根桩腿增加或减小120kN，原桩腿每根正压力为 1400kN；压力增加一侧每桩为 1400kN+120kN=1520kN，压力减小一侧为每桩1400kN-120kN=1280kN；其值均为正值，所以说并不影响总体的稳定性能。

4 远东007船桩腿定位移位系统

该系统是一种刚性静力定位系统，适用于25m以内水深范围。系统由4套桩腿升降装置组成，沿艏艉左右舷4角安放。桩腿长约30m，为管式框架结构，在船体导向孔内上下升降。升降机构为钢索绞车，穿过桩腿上下端4个滑轮传动。每台液压绞车的拉力为350kN，通过倍率滑轮组后桩腿压力为1400kN。在绞车架下部用液压缸2台与甲板铰接相连，绞车架与船体甲板上的桩架铰座相连，液压缸推动起到绞车架的摇摆作用；桩腿不仅可以在绞车架的导向孔中上下滑动，还能够由液压油缸的传动，桩腿起摆动作用；这样桩腿可以移步，使桩式定位系统能够实现移位和定位，详见图8[4]。

5 结 语

1)桩腿定位系统相比锚索定位系统，其移位迅速、定位准确、无须其他工具和船只配合和帮助；

2)桩腿定位系统在港区内或狭窄航道上施工，不影响过往船舶航行，且有利于辅助船的工作停靠；

3)桩腿定位系统的应用范围可以扩大到其他工程船如液压反铲疏浚船、打桩船等；

4)在30m左右的浅水深度使用的桩腿定位升降机构可用液压驱动钢索绞车，这种机构制作简单，成本低廉、使用便捷、维护方便；

5)该船的桩腿定位系统不仅可上下升降，还因设置了液压缸可作摆动，因而可以跨步移位。

[1]冯建祥，罗才英. 悬索工程[M]. 厦门：厦门大学出版社，2010.

[2]杨永祥. 船舶与海洋平台结构[M]. 北京：国防工业出版社，2008.

[3]中国船级社. 船舶与海上设施起重设备规范[S]. 2007.

[4]吴良宝，魏虎仁. 船舶液压传动系统[M]. 北京：国防工业出版社1987.