86m挤密式砂桩船的研发设计

陆洪度，林玉璋，郑鹏翔，钱明锋，孙钦扬，刘森林，贾颖晖

（上海佳豪船舶工程设计股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

对水下土体系列植砂桩是目前水下地基加固效果最好，见效最快的施工工艺，是海上软基础加固的一项新技术。这项技术在发达国家应用已较普遍，在国内因缺少砂桩船而不能普遍应用。

上海佳豪船舶工程设计股份有限公司曾进行过起重船改建为砂桩船的改建设计（砂桩2号、砂桩3号），对砂桩船有一定研究，为砂桩船的研发设计打下了基础。2009年受托联合开发、研制86m挤密式砂桩船，则是填补国内挤密式砂桩船空白的一项举措。首批3艘船已于2011年在香港投入运营，为正在建造的港珠澳大桥作贡献。

1 砂桩船概况

该船为非自航工程船，沿海航区作业，无限航区调遣，主要用于水下挤密式砂桩施工作业，最大作业深度水面下65m。钢质全电焊结构、单甲板、单底（机舱双层底）、箱形主船体。

作业环境条件：作业水域流速≤3.0m/s，风速≤17.1m/s，H1/3波高≤2.0m；锚泊环境条件：在蒲氏 8-9级，水域流速≤4.5m/s，作业区水域就地抛锚抗风。在蒲氏10级及10级风以上进港避风。

该船为三管挤密式砂桩船，可同时施打 3根挤密式砂桩。按砂桩作业所需，砂桩管横向能在距中4.8～6.9m范围可调。桩架最高点距水平面86.2m，桩架之高为国内砂桩船之最。为满足吴淞口过江电缆68m通航高度要求，桩架上部采用活动结构。

入中国船级社（CCS），入级符号及附加标志：★CSA，Pile Driving Barge, R2 for Operation， In-water survey。

2 主尺度

主尺度的选取涉及到总布置、总强度、干舷、稳性、经济性等诸多因素[1]，鉴于该船主甲板上需配置甲板室、砂桩架及众多设备，主尺度拟取满足总布置、干舷、稳性等要求下的较小的尺度即经济型尺度，最终取值如下：

船长L75.0m

型宽B26.0m

型深D5.20m

设计吃水d3.20m

结构吃水 3.50m

燃油舱（左，右） 2×225m3

淡水舱（左，右） 2×235m3

工作水舱 2800m3

自持力 30d

船员 36人

3 总布置

3.1 主甲板下布置

1)该船主甲板下船宽范围内设5道水密横舱壁、2道纵舱壁 。从艉向艏主要布置有No.4工作淡水舱（左、中、右）、电气设备室/ No.3工作淡水舱（左、右）、机舱/淡水舱（左、右）/平衡水舱（左、右）/燃油舱（左、右）、空气瓶间/空舱（左、右）、泵间/备件间/ No.2工作淡水舱（左、右）、No.1工作淡水舱（左、右）/空舱（中）。工作淡水舱，淡水舱、燃油舱及横倾水舱均左右对称布置。

2)机舱设双层底，除布置主、辅柴油发电机组等设备外，尚布置机舱监控室、机修间。双层底内布置燃油溢油舱、污油舱、舱底水舱、生活污水舱及空舱。淡水舱及生活污水舱纵向靠近主甲板甲板室，以节省管道，布置优化。

3)机舱与电气设备室间设有液压水密移门，便于机舱、电气设备室的工作及管理。

4)机舱及电气设备室均设有通向主甲板的梯道，机舱尚设有通向主甲板的应急逃口；空气瓶间、备件间及泵间除设有通往露天甲板的梯口，还设有吊备件的小舱口（含机舱）。从而方便这些舱室的人员及设备进出。

3.2 甲板室布置

主甲板以上的舱室布置，充分体现“以人为本”的设计理念，为船员提供较好的生活、工作环境。

1)厨房、餐厅/娱乐室、食品库、空调室、CO2室、热水发生器间、蓄电池间、充放电间、卫生间等起居、服务处所布置于进出方便的主甲板甲板室内。

2)船员起居处所均布置于主甲板之上，除主甲板甲板室布置有2间双人间外，其余均布置在二层及三层甲板室，且均为双人间或单人间。船长、轮机长及大付的居住舱室均为带卫生间的套间，其中船长和轮机长的配置级别为最高。

3)控制室位于三层甲板室，宽敞、明亮、视野开阔并可对桩架最高点、主甲板砂料斗进料及砂料皮带输送等作业进行瞭望。控制室两侧设有通向室外走道的风雨密门，室内也有舱室门，进出控制室甚为便捷。

4)每层甲板室均设有厕所和浴室。

5)船首主甲板设艏甲板室，便于砂料提升斗上料观测，砂桩架维修保养等作业，内设工作室（兼甲板部办公室）、氧气室、乙炔室、贮藏室。

6)主甲板上自艉向艏布置有6台锚泊定位绞车、甲板室、3台砂料提升斗绞车、3台吊锤绞车、甲板起重机左右各1台、砂料斗、3组皮带输送机、A字架、桩架、砂桩管等砂桩系统设备，布置紧凑、合理。总布置见图1。

图1 总布置

4 纵倾及稳性

该船在主甲板下左右前后均布置有淡水舱、燃油舱、横倾水舱及数量足够的工作淡水舱，以调整浮态，确保船舶稳性。

4.1 纵倾

该船在任何工况（作业及调遣航行）均无横倾及艏倾，可调至平浮，满足植桩作业平浮的浮态要求。

4.2 稳性

该船桩架顶端距水面达86.2m，为国内砂桩船之最，对稳性影响较大。稳性校核具有二重性，作业稳性按《国内航行海船法定检验技术规则》起重船要求校核[2]，拖航完整稳性按国际航行海船要求校核[3]。共校核7种工况：

1)100%油水调遣航行；

2)10%油水调遣航行；

3)10%油水调遣航行并计及结冰；

4)100%油水遮蔽航行；

5)10%油水遮蔽航行

6)100%油水植桩作业；

7)10%油水植桩作业。

该船空船重量及重心高度在送审设计时经详细地计算，以理论计算的空船重量及重心高度校核的完整稳性完全满足规范要求。2艘实船倾斜试验确定的空船重量及重心高度与理论计算数据偏差甚小，实船空船重量与理论计算结果的相对误差最大为4%，且系负偏差。偏差绝对值越大，对稳性计算越有利，因此可加大工作淡水舱的压载量，从而校核工况船舶重心高度下降；实船重心高度与理论值相对偏差0.1%（一实船重心高度高于理论值18mm，另一实船重心高度低于理论值12mm，），完工稳性仍满足规范要求。

该船为非机动船，按SOLAS公约(国际海上人命安全公约)免于破舱稳性校核[4]。

5 结构设计

按CCS《钢质海船入级规范》（2009）设计，计算吃水取3.50m结构吃水。

1)主船体为单甲板、单底，机舱为双层底。双层底高1100mm，双层底实肋板隔档设置，机舱双层底与前后、左右单底分别有良好的纵、横向过渡。

2)主船体下设水密横舱壁5道，自艉至艏纵舱壁2道，船体中心线处设纵舱壁与纵桁架组合结构一道,纵横舱壁的设置满足规范要求。

3)主甲板以下船体结构为纵骨架式（主甲板、舷侧、纵舱壁、船底、双层底内底），从而主船体形成强船体纵向梁。主船体每隔3～4档肋距设强框架，兼顾了主船体的横强度。甲板室为横骨架式结构。

4)结构为箱形驳，按规范，如其水密横舱壁和纵舱壁的设置满足规范对驳船要求，同时满足L/B＞3，B/D≤ 6 .0的尺度比要求,则可按规范校核其总纵强度。否则，应采用直接计算法确定,并应提交CCS审批。该船水密横舱壁和纵舱壁的设置虽满足规范要求，但L/B= 2 .88，小于3，即不满足规范要求的第二个条件，总纵强度需作整船有限元分析。

5)按规范，对于B/D≥ 3 的箱形驳，应用直接计算法校核其横向强度，该船B/D= 5 ，大于3，横向强度需作有限元计算。

6)桩架的 A字架下端铰链与主甲板下的纵向强构件在同一纵剖面上，并有较好的反面加强，可对主船体的承重力得到较好的传递。

7)对系泊设备、拖带设备、A字桩架、锚泊定位绞车底座、吊锤绞车、砂料提升斗绞车底座、甲板起重机底座均作甲板下结构加强，并作有限元计算。

6 植桩系统

6.1 砂桩架

砂桩架主要由A字架、桩架、顶部平台和砂桩管等组成。

6.1.1 A字架

A字架是整个砂桩架的支撑构件，为钢管焊接结构，具有足够的强度和刚度。A字架顶横杆与前面桩架为鹰钩头连接，桩架鹰钩头可沿A字架顶横杆移动；中间3层分别与桩架连接，连接结构可移动。前后弦杆下端均铰接在船体铰座上。

6.1.2 桩架

桩架共3件，为角钢焊接而成的矩形截面桁架结构。桩架最高点距水面86m，额定吊重120t。为满足吴淞口过江电缆68m通航高度要求，桩架上部采用法兰连接的可折卸结构，上部折卸后桩架高度低于68m。桩架下部铰接在船体铰座上，船体铰座横向可在距中4.8～6.9m 范围内移动。桩架前面设置振动锤轨道，一侧面设置砂料提升斗轨道。

6.1.3 顶部平台

桩架顶部设置平台，布置吊锤，吊砂料斗的导向滑轮。吊锤导向滑轮可向前移动约1.5m，以便桩锤在桩管不拆的情况下可以下放至甲板进行维修。

6.1.4 砂桩管

砂桩管3件，直径800mm，长约64m。砂桩管由桩管定位设备定位于桩架前、振动锤下，因依附于桩架，砂桩管在横向4.8～6.9m范围可调。砂桩管处甲板孔洞的直径略大于砂桩管头部直径，便于桩管头部提升到甲板以上进行维修。甲板孔洞边缘设置4组砂桩管限位滚轮，以确保植桩时砂桩位置的恒定性。

6.1.5 结构优化

砂桩架和A字架必须具有足够的强度和刚度，以满足同时施打3根挤密式砂桩的要求，但也不能对船体结构造成太大的不必要的荷重，因此，对砂桩架的设计进行优化，主要对A字架建立合理的数学力学模型，进行结构的有限元分析和优化；A字架顶横杆与桩架为鹰钩头连接，前后弦杆及桩架下端与主船体连接采用铰链连接。铰链或鹰钩头连接可以减轻振动，释放连接点处的弯矩，减少构件和船体结构的疲劳损伤及便于调节桩架的横向间距。砂桩架概貌见图2。

图2 砂桩架概貌

6.2 植桩设备

振动锤3套，砂桩激振力为0～2940kN，拔砂桩管力1176kN；3台电动变频吊锤绞车，额定拉力（第4层）225kN、额定速度（第4层）31m/min、容绳量φ40mm×550m。

6.3 供料设备

植桩用砂料由停泊在两舷的砂驳提供。2台15t抓斗起重机布置于主甲板左右舷，船体中心线处及近旁依次布置容积220m3砂料斗一只（分成3腔）、物料输送带3台，每台输送能力400m3/h。可从船舶任一舷或两舷同时向砂料输送带提供砂料,继而经桩架旁砂料计量斗、桩架一侧砂料提升斗、下沉桩管顶部进料斗等装置往桩管灌进砂料（上述装置系每根桩管各一套）。桩架侧面砂料提升斗由设在主甲板的电动变频提升斗绞车实施提升，全船计3台，每台额定拉力（第1 层）170kN、额定速度42m/min、容绳量（第1层）φ36mm×100m。

7 锚泊、系泊、拖曳设备

7.1 锚泊设备

根据使用要求，该船采用航行锚泊设备及定位锚泊设备。

航行锚泊设备由计算得到的舾装数按船级社规范配置。该船航行锚设备为：艏锚2只。每只2850kg，锚链直径φ48mm，AM2，总长度495m。

根据作业水域的水深及作业要求的环境条件，定位锚泊设备采用6根锚索辐射状锚泊系统。定位锚泊设备主要配置：艏艉各设250kN锚泊定位绞车3台，容绳量φ46mm×500m，钢丝绳规格为φ46mm，6×37(a)＋IWR1770，破断负荷1330kN，海军锚6只，每只锚重8000kg。

由于定位锚泊设备所配8000kg海军锚高于规范要求的2850kg航行锚，因此规范要求的2只航行锚可用艉部2只海军锚代替，即该船定位锚泊设备可替代航行锚泊设备[5]，为最终锚泊设备。

作为航行锚使用的2只海军锚，在锚与钢索之间用有档锚链AM2 φ58mm（约12.5m）作过渡连接。

7.2 系泊设备

按规范，该船系泊设备为：系船索4根，每根长度170m，破断负荷216kN。由于规范规定的舾装数主要反映了锚泊时的受力状态，而对侧面为主的系泊状态考虑不够，因此，实际配置系船索的数量及破断负荷均高于规范要求。

7.3 拖曳设备

按《钢质海船入级规范》，该船需配拖索190m，破断负荷为559kN，这是远远不够的。拖曳设备需同时满足CCS《海上拖航法定检验技术规则》(1999)及海安会通函MSC/Circ.884《海上安全拖航导则》的要求，因此，拖曳设备最终按上述两规则设计。

该船拖航阻力为525.8kN，拖船的系柱拖力取750 kN。主拖缆和备用拖缆由拖船提供，其最小破断负荷按下式求得：

式中，MBL——主拖缆和备用拖缆的破断负荷，kN；

BP——拖船的系柱拖力，750kN。

主要拖曳设备：拖航眼板4只，设于艏部左右舷（每舷各2只）；拖航用龙须缆一套，包括短缆、龙须缆、回收缆、连接卸扣、套环和连接三角板等。短缆及龙须缆中的钢索均为φ56mm，6×37(b)+IWR1770，破断负荷1770kN＞1704kN，满足拖航强度要求，以上其他附件也均满足拖航强度要求。

为改善拖航时航向稳定性，艉对称布置2道分水踵。

8 轮 机

8.1 概况

机舱设置800kW主柴油发电机组4台、燃用船用轻柴油，压缩空气起动，柴油机设有飞车、滑油压力过低及淡水高温等自动停车保护功能。

机舱另设辅柴油发电机组一台，燃用船用轻柴油，电起动，供停泊时使用。在热水发生器间，设置83.7万J常压燃油热水锅炉一台。

起居处所、服务处所及机器处所除配置必要的通风设备外，机舱监控室配置立柜式空调，甲板室起居处所、控制室等采用分层式中央空调[6,7]，制热时用锅炉热水加热，采用分层布置便于管理、节能。4台移动式电动空压机组布置在船员甲板后，可充分满足所需新鲜空气，还便于设备散热。发电机组、空压机组采用海水冷却，同时管路还旁通到艉部工作淡水舱打循环，减少管路及设备的腐蚀。 机舱工作环境条件为：舷外水温度32℃、环境温度45℃、大气压力0.1MPa、相对湿度60%。

8.2 砂桩挤密系统

由4台电动空压机组提供植桩时挤密砂桩用压缩空气，每台排量50.2m3/min，压力1.4MPa。

空气瓶间内设置总容积为190m3的打桩空气瓶，空气瓶是根据空气瓶间尺寸制作，布置紧凑。设进气阀，排气阀，压力表，压力传感器，放泄阀和释放阀等附件，释放阀带释放管接至外部安全区域。从空气瓶至桩架的主空气管路按照需要设置若干支管,钢管铺设至桩架40m左右的高度，桩架至桩管的空气管为软管式。从空气瓶至桩架的控制空气管路，按照需要也设置成若干不锈钢管支管，铺设至桩架40m左右的高度，桩架至桩管的控制空气管为软管式。

高压注水泵和高压冲水泵，布置在艏部泵间。

9 电 气

9.1 主电源

主电源由4台800kW主柴油发电机组提供，4台并车运行时能满足挤密式砂桩作业工况时震动锤、吊锤绞车、砂料供应系统、空压机、全船动力和生活同时用电的需要。设置 130kW 停泊柴油发电机一台，能满足全船生活用电需要。设置的功率管理系统（PMS），主要有以下功能：

1)4台主发电机组可采用手动/准同步/自动并车方式实现并联运行；

2)平衡调节主柴油机的动态和静态功率分配；

3)非重要负载卸载；

4)发电机与汇流排自动同步；

5)自动负载分配；

6)频率调节；

7)根据负载自动起动/停止发电机；

8)发电机自动同步；

9)发电机主开关自动合闸/分闸；

10)报警和事件处理；

11)图形化显示和人机界面等。

9.2 监测及控制

三层甲板控制室设船用集中控制台1座、锚泊定位绞车控制台1座及砂桩控制台3座，此外，机舱监视室设机舱监视台1座。

9.2.1 船用集中控制台

船用集中控制台装有船用设备的控制板及报警板等。

9.2.2 锚泊定位绞车控制

主甲板上6台锚泊定位绞车采用电动机驱动，交流变频调速控制，变频控制柜设置在变频室，制动电阻箱布置在电气设备室。锚泊定位绞车既能在机旁就地操作也能在控制室的控制台集中操作。系统引入DGPS作精确定位，通过闭路电视监视系统（CCTV）确保锚泊定位绞车的安全可靠运行。

9.2.3 砂桩控制台

每根桩管配一台砂桩控制台监控，共3台。砂桩作业具有程序自动控制功能和自动监测功能，由设备厂家提供控制设备。植桩作业配有闭路电视监视系统（CCTV），该系统所用摄像头为防震式。

9.2.4 机舱监视台

机舱监视室设监视台1座，监视台上设机舱监测报警系统1套，用于各发电机组及重要辅机的监测及报警、机舱各舱柜液位报警等。自动电话、声力电话等也置于监视台上。

10 结 语

86m挤密式砂桩船系国内自行设计、建造的首制船。随着国内大型深水港等海洋工程建设的需要，砂桩船在国内有着广阔的应用前景。应加强对砂桩船船型、应用、施工工艺等相关研究，使砂桩船成为海洋工程建设的一支生力军。

[1]陆洪度. 总舾设计若干问题的研讨[J]. 船舶设计技术交流，2011, (1)∶ 1-2.

[2]中华人民共和国海事局. 船舶与海上设施法定检验规则——国内航行海船法定检验技术规则[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[3]IS Code[S]. 2008.

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

[5]中国船级社. 钢质海船入级规范[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[6]宋靠华. 水面舰艇空调通风系统技术现状及展望[J]. 上海造船，2007, (1)∶ 36.

[7]张建华，阚安康，韩厚德. 船舶中央空调系统能耗分析及节能措施[J]. 上海造船，2011, (1)∶ 60.