“长江口二号”古船项目“奋力”轮出坞方案

蒋哲 周东荣 戴青 胡建 朱小东 魏良孟 马松 王磊

摘 要：介绍“长江口二号”古船整体打捞迁移工程中，专用超大月池打捞工程驳船“奋力”轮怀抱古船进坞并下放稳妥后的出坞方案，为什么最终选择了艉部用金刚石绳锯切割后，利用液压同步提升装置提升7 m 后焊接固定，然后出坞的方案，以及该方案的实际实施情况。该方案顺利实施，技术、经济效果都良好，有较大的经济价值，可为日后类似的工程情形提供技术参考和实施经验。

关键词：“奋力”轮；出坞方案；船体切割；金刚石绳锯；同步提升；同步下放；切割船体复原

中图分类号：U615.9

文献标志码：A

0 工程背景

“长江口二号”清代沉船（以下简称“长江口二号”古船）是目前国内乃至世界上发现体量最大、保存最为完整、船载文物数量巨大的古代木质古船之一，是弥足珍贵的文化遗产。作为在上海水域发现的“长江口二号”古船，它受到了国家文物局和上海市委、市政府的高度重视。国家文物局2018年底通过《文物要情》将有关情况专报中办、国办和中宣部等部门，并将“长江口二号”古船项目纳入“考古中国”重大工程。2021 年 1 月 30 日发布的《上海市国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》，将“长江口二号”古船博物馆列入“十四五” 上海市重大公共文化体育设施建设项目。

交通运输部上海打捞局受上海市文化和旅游局委托编制的《长江口二号古船遗址整体迁移工作方案》报送国家文物局审批后，2021 年 5 月 6 号，国家文物局对《国家文物局关于 长江口二号沉船整体发掘考古项目意见的函》（文物保函[2021]444 号）正式批复，对古船进行整体发掘。

2021 年 6 月 23 日，上海文旅局邀请国内打捞、海洋工程专家，对《长江口二号古船遗址整体迁移工作方案》中交通运输部上海打捞局提出的沉井、分段沉井和弧形梁方案三种整体迁移方案进行了评审，专家认为弧形梁方案海上施工时间最短、工艺成熟、自动化和安全性高，一致同意弧形梁整体迁移方案。2021 年 7 月 28 日，上海文化和旅游局正式批复同意采取弧形梁方案进行古船整体打捞，并迁移至上海船厂旧址 1 号船坞进行保护。其现有建筑主要参数如下：船坞底部为混凝土底板，两侧为钢板桩，1号船坞长 185 m，宽 36 m，深 10.4 m。

为优化沉船整体打捞方式，上海打捞局项目组创造性地提出自带超大月池的专用工程甲板驳方案。该方案为一种全新的集沉船打捞、运输、进坞、卸载于一体的专用工程驳船概念，在该船中部设计一个长 56 m、宽 20 m的超大月池，以计算机控制液压钢绞线同步提升技术为设计打捞提升方案，这样一来，仅用1艘船就能完成传统工艺2条抬浮驳转载至1艘半潜船共3艘船的工作任务，从而可高效地解决“长江口二号”古船整体打捞迁移工程中的船舶资源和沉船进坞的问题。

該专用工程驳船命名为“奋力”轮，为钢质船，由于古船迁移的目标船坞宽度为36 m，船舶进出坞还需要一定的余量，因此该船的设计宽度不能超过34 m，而古船打捞的弧形梁框架整体宽度为19 m，提升也需要适度的余量，因此，超大月池的尺寸也被限制为长 56 m、宽 20 m。这样一来，月池之外的船体，左右分别只有7 m，显得非常单薄，然而这左右的两条7m宽的船边，却要承受设计15 000 t的总提升力，为此，月池左右的7 m船舷侧需要特别强化结构强度。

“奋力”轮经过详细设计并建造完成后，在“长江口二号”古船海上整体打捞时，工程中应用顺利，顺利用弧形梁方案怀抱古船，并用计算机控制液压钢绞线同步提升系统将技术将整个弧形梁框架收入“奋力”轮的超大月池之中，并进坞下放成功。整个过程无转载作业，辅助设备投入较少，降低了转载带来的安全风险，整体作业时间短，作业工序干净利落，安全性较高，大幅节省成本支出。

“奋力”轮的设计原理图以及“奋力”轮打捞“长江口二号”古船现场情况分别如图1、图2所示。

图2 “奋力”轮打捞“长江口二号”古船现场照片

“奋力”打捞“长江口二号”古船并托载古船弧形梁框架进坞下放安置妥当后，由于古船大桅高度较高，达到11 m，最高潮位时坞内水深约为8.7 m，加上奋力轮本身空载有2.6 m左右的吃水，水下无阻碍净高最多只能有6.1 m，远低于11 m，因此正常情况下“奋力”轮没办法直接出坞。本论文即针对这一“奋力”轮出坞进行不同方案的分析，并说明方案的选取以及实际操作中出坞的情况。

1 “奋力”出坞方案的比选

在“奋力”轮设计之初即考虑了整个“长江口二号”古船打捞迁移的需求。包括打捞提升、进上海船厂1号旧坞、然后出坞的全过程。为了让“奋力”轮能够出坞，初步考虑了可能需要将船艉约35 m长、20 m宽的分段进行切割，这样“奋力”轮才可以出坞。

“奋力”轮艉部切割航拍见图3、图4。

针对这一条技术思路，考虑了以下几种方案：

方案一，船艉分段切割后解体陆运。这个方案船艉分段必须切割到较小块才能陆运装车，这对后期“奋力”轮复原后的船舶状况十分不利，首先排除。

图3 “奋力”轮艉部切割航拍示意图1

图4 “奋力”轮艉部切割航拍示意图2

方案二，船艉分段切割后解体浮运。将船艉分段做成可以浮于水面的浮体，浮运出坞。从水中出坞因为坞宽约36 m，而古船框架宽度接近20 m，左右空隙分别只有8 m左右，因此奋力船艉部的20 m分段，至少得切割成3块长35 m、宽约7 m的长方块分段，再经下部焊接密封处理才能自浮于水面出坞。由此可见，水面出坞工序复杂、成本较高，而且也不利于后期“奋力”轮复原后的船舶状况，不优先选择。

方案三，船艉分段切割后由大型浮吊船将其整体起吊装船运走。这一方案显然对浮吊船要求高，需要浮吊船的主吊机舷外跨距80 m时能起重约800 t，这样的浮吊船租赁价格昂贵，且浮吊船在坞口就位有一定风险，对航道也会造成较大影响，需要与海事部门进行相应的沟通协调，然后选择合适的作业窗口，比较受限制。此外，做大件吊装还存在吊索及吊耳的布置等吊装设计，费用高昂，很不经济。

方案四，专门建设一台轨道门吊在船坞现场使用（上海船厂旧船坞的轨道门吊已经拆除），用于船艉分段切割后的起吊装船运输，此方案与上述方案三类似，需要吊索及吊耳的布置等吊装设计，且门吊位置最远只能到坞口，运输船就位有一定困难，布置短时间使用的门吊然后又得拆除，相对比较浪费，成本依然偏高。

方案五，“奋力”轮船艏压载（坞口），船艉提高，达到要求的高度乘高潮出坞，这种方式不用切割艉部，但“奋力”轮在极限前倾状态下，船艏已经没入水中，船艉底部完全挂在水面之上，纵向弯矩很大，安全性不好，且容易出现不稳定情况。

方案六，“奋力”轮船艉分段用不需要搭设脚手架且切割效果良好的金刚绳锯切割技术切割后，竖直同步提升7 m，将其双层底上甲板与船体主甲板对齐后烧焊固定处理，让船艉分段从古船弧形梁框架上部越过，随“奋力“轮的船舶主体一起出坞。此方案技术可靠，成本较低，有技术可行性，但没有先例，存在诸多不确定影响因素。

经过多种方案的比选，最终选择方案六，大胆进行创新尝试，如图5所示，提升依然采用计算机控制液压油缸同步提升技术，以节省需要使用大吊机的成本，并于“奋力”轮建造时就考虑了提升吊点的锚固位置设计。

图5 “奋力”轮艉部切割提升设计剖面图

“奋力”轮出坞时，艏艉的吃水也很关键，经过多方案比选，在船舶吃水可以满足出坞要求的前提下，压载方案最终选择安全性方面最稳妥的正浮方案。

2“奋力”轮艉部提升有限元计算

“奋力”轮建造时已考虑船体艉部分段的提升方案，所以在船舶设计时即对“奋力”轮进行强度校核，设计了4个提升点，分别在FR20肋位和FR45肋位，可满足艉部分段的提升要求。在实际提升前再次方案评审前，考虑到艉部分段的重心距离FR45肋位不够大，为了确保提升过程中的万无一失，在船体FR70肋位新增了2个提升点，共设置6个提升点，根据有限元计算结果分析，6点提升位置强度能更稳妥地满足提升时结构强度受力的要求，还可规避提升过程中可能的艉部分段失稳的情况。6吊点布局如图7所示。

图7 提升点布置图

2.1 船艉分段提升点强度计算

“奋力”轮艉部分段提升设计了4个提升点，有限元计算依据《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）、《钢质海船入级规范》（CCS2021）的要求进行计算。采用有限元直接计算法。应用 PATRAN 和 NASTRAN 软件进行建模及计算，单元类型包括板单元和梁单元。原点位于基线与 Fr0 相交处，X 轴沿船体纵向指向船艏，Y 轴沿船宽方向指向左舷，Z 轴沿船体垂直向上。

根据《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）以及中间抬升段模型资料，模型所受载荷约 6480KN（抬升段自重预留一定的安全系数）。

计算结果如下：

计算所得结构最大应力及变形汇总见表 1，计算结果满足规范要求。

表 1 提升支撑结构最大应力汇总（MPa）

结论：本次计算是根据《钢质海船入级规范》（CCS 2021）、《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）第三章的要求，对“奋力”轮中间抬升段及片体模型的结构强度进行了有限元计算。计算结果表明，“奋力”轮中间抬升段及片体模型的结构强度满足规范要求。板与梁系的各应力云图如图8、图9、图10、图11、图12、图13所示。

图8 板最大 von mises 应力云图

图9 梁系最大组合应力云图

图10 梁系最小组合应力云图

图11 板最大 von mises 应力云图

图12 梁系最大组合应力云图

图13 梁系最小组合应力云图

2.2 新增月池后部提升点强度计算

在“奋力”轮的艉部前方（即月池后部）新增2只提升点，采用类牛脚形式在月池内部焊接。有限元计算依据《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）、《钢质海船入级规范》（CCS2021）的要求进行计算。采用有限元直接计算法。应用 PATRAN 和 NASTRAN 软件进行建模及计算，单元类型包括板单元和梁单元。坐标系和前述一致。

类牛脚提升点及提升效果见图14。

图14 类牛脚提升点及提升效果图

根据《船舶与海上设施起重设备规范》（2007）以及中间抬升段模型资料，提升基座上液压提升油缸载荷，模型中按 150T 校核。

强度衡准

表2 板单元许用应力表（MPa）

计算结果如下：

计算所得结构最大应力及变形汇总见表 2、表3，计算结果满足规范要求。

表 3 提升支撑结构最大应力汇总（MPa）

结论：对新增提升结构进行校核，结果表明在载荷作用下结构强度均满足规范要求。

剪切应力及各梁的应力云图如模型1、模型2、模型3、模型4、模型5、模型6所示。

模型 1 剪切應力云图

模型 2 剪切应力云图

模型 3 最大梁单元应力云图

模型 4 最大梁单元应力云图

模型 5 最小梁单元应力云图

模型 6 最小梁单元应力云图

3“奋力”轮出坞具体实施情况

“奋力”轮进坞后，于2022年11月26日关闭坞门后，弧形梁框架及“奋力”轮依次顺利落座于预先设置好的马鞍座及坞墩上，然后船坞内开始采用抽水泵排水。27日，开始拆除液压提升油缸的底锚与弧形梁框架纵梁相连接的扁担梁。30日，做“奋力”轮艉部分段切割的准备工作、12月1日，金刚绳锯切割设备及物资进场，开始布置切割需要的开孔及导向滑轮等。4日，用氧碳风割刀割除阻碍切割的甲板部件，开始用金刚绳锯切割船体。切割时，将船体艉部分段沿着设计切割线分成了上下2层，前后3段，左舷和右舷总计分成了12个切割段。这样的切割方式有利于钢材的切割。（因篇幅有限，有关金刚石绳锯切割船体的具体方案在此不再展开描述）

“奋力”轮船艉金钢绳锯切割图见图15。

图15 “奋力”轮船艉金钢绳锯切割现场照片

12月14日，完成船艉分段的主船体切割，开始切割基座突出部分，20日完成全部切割，将切割下的“奋力”轮艉部分段用6套同步提升油缸提升7 m，艉部切割段双层底的上部甲板与“奋力”轮主甲板基本持平，方便烧焊固定。焊接固定也进行了相应的设计和计算确认。“奋力”轮艉部分段提升后的效果见图16。

图16 “奋力”轮艉部分段切割提升后现场照片

按照设计方案将“奋力”轮艉部分段烧焊固定稳妥后，“奋力”轮进行调载等出坞准备工作，将“奋力”轮调平，准备正浮出坞。

2023年1月6日，先将船坞内放入黄浦江水，在坞门内部和外部水位基本持平后，安排拖船辅助打开船坞的坞门。

7日，“奋力”轮按照工程规划，由3艘拖船辅助顺利出坞，8日关闭坞门。“奋力”轮出坞效果航拍照片见图17。

图17 “奋力”轮出坞效果航拍照片

后续，“奋力”轮于2023年2月6日进中远船厂船坞准备开始进行艉部分段的下放及复原焊接工作。7日，“奋力”轮先将同步提升油缸系统载力，确认提升系统正常受力后，切除船艉分段的焊接固定，然后控制油缸同步缓缓下放“奋力”轮艉部切割分段，顺利将其下放至原设计位置。经焊接工作测算，按照规范规定大约70%的切割缝可切坡口直接焊接，剩余的其它30%焊缝需要额外加垫钢板等方式进行处理后才能焊接。这样的结果达到了“奋力”轮设计出坞方案的预期，“奋力”轮于13日完成艉部切割段的重新焊接，恢复原样，出坞靠泊码头，复原效果颇佳。

“奋力”轮艉部分段复原对接的效果见图18、图19、图20。

图18 “奋力”轮艉部分段复原对接效果现场照片

图19 “奋力”轮艉部复原前现场照片

图20 “奋力”轮艉部复原后现场照片

4 结 论

“长江口二号”古船项目采用将“奋力”轮船艉分段切割后整体提升7 m，并烧焊固定后随“奋力”轮一起出坞的方案，不仅顺利地将“奋力”轮艉部切割分段带出了上海船厂1号旧船坞，且船体复原顺利，效果颇佳，对“奋力”轮船体的损伤降到了很低，此出坞方案不需要大浮吊或特制门吊及额外的运输船，成本得到大幅节省，取得了不错的经济效益。

此外，“奋力”轮艉部分段的切割采用了先进的金刚石绳锯切割钢材技术，保证了切割质量，也节省了人力物力。同时还采用液压同步提升和下放技术，避免了使用大吨位吊机等，实施过程中“奋力”轮艉部分段提升和下放都很稳定，进一步提高了施工的安全性、便利性、经济性。這些技术值得日后类似工程作为技术参考，也积累了实施经验。

参考文献

[1] 颜维琦.整体出水 “长江口二号”古船“重出江湖”[J]. 科学大观园， 2023， No.657（01）： 70-71.

[2] 卞永明. 大型构件液压同步提升技术[M]. 上海科学技术出版社， 2015.

作者简介：

蒋哲，高级工程师，从事水工工程、海洋工程、项目管理，（E-mail）jz@coes.cn，15317222569