“长江口二号”古沉船打捞中矩形曲线底幕法机械及构造设计关键技术.pdf

收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:上海市科技创新行动计划社会发展科技攻关项目(D Z )作者简介:庄欠伟(),硕士,教授级高级工程师,主要从事隧道及地下工程方面的工作E m a i l:q i a n w e i z h u a n g s o h u c o m文章编号:()S D O I:/j c n k i j s j t u S “长江口二号”古沉船打捞中矩形曲线底幕法机械及构造设计关键技术庄欠伟,袁玮皓,张弛,袁一翔,李炎龙,周东荣(上海隧道工程有限公司,上海 ;交通运输部上海打捞局,上海 )摘要:“长江口二号”古沉船采用一种新型矩形曲线底幕法进行打捞作业,其机械及构造设计存在多方面的挑战针对免触碰和微扰动的要求,阐述了自主研发的打捞工法配套机械及构造设计方案,包括外部框架系统的组成、行星齿轮三刀盘顶管机的机械构造及具有高止水性能的密合型弧形管节结构设计实际应用效果表明,所研制的行星齿轮三刀盘顶管机对古沉船的扰动小,所设计的密合型弧形管节间密封性好,有效地保证了“长江口二号”古沉船及其船载文物的原生性和完整性关键词:曲线顶管;沉船打捞;机械设计;构造设计中图分类号:U 文献标志码:AK e yT e c h n o l o g y f o rM e c h a n i c a l a n dS t r u c t u r a lD e s i g no fR e c t a n g u l a rC u r v eB o t t o mC u r t a i nM e t h o d f o rS a l v a g eo f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”ZHU ANGQ i a n w e i,Y U AN W e i h a o,ZHANGC h i,Y U ANY i x i a n gL IY a n l o n g,ZHO UD o n g r o n g(S h a n g h a iT u n n e lE n g i n e e r i n gC o,L t d,S h a n g h a i ,C h i n a;S h a n g h a iS a l v a g eo f t h eM i n i s t r yo fT r a n s p o r t,S h a n g h a i ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es a l v a g eo f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”a n c i e n tw r e c ka d o p t e dt h ew o r l dsf i r s tc u r v e dp i p eb a s i n gm e t h o d T h e r ee x i s t e dv a r i o u sc h a l l e n g e s i nt h em e c h a n i c a la n ds t r u c t u r a ld e s i g n T os a t i s f yt h ed e m a n d so fn o n c o n t a c t i n ga n ds u b t l ed i s t u r b a n c e,t h i sp a p e re l u c i d a t e st h ec o n f i g u r a t i o no ft h eo u t e rf r a m e,t h e m e c h a n i c a ld e s i g no ft h ep i p e j a c k i n g m a c h i n e w i t hac u t t e r h e a do ft r i b b l ep l a n e t a r y g e a rc u t t e r s,a n dt h es t r u c t u r ed e s i g no ft h ec l o s e l y a s s e m b l e dc u r v e db e a m w i t hh i g hw a t e r t i g h t n e s s T h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h ed e v e l o p e dp i p e j a c k i n gm a c h i n eh a ss u b t l ed i s t u r b a n c et ot h ea n c i e n tw r e c k,a n d t h ew a t e r t i g h t n e s sb e t w e e nt h e c l o s e l y a s s e m b l e dp l a n e t a r y g e a r c u t t e r s i sg o o d,b o t ho fw h i c he f f e c t i v e l yg u a r a n t e e t h eo r i g i n a l i t ya n d i n t e g r i t yo f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r y I I”a n c i e n tw r e c ka n dt h ec u l t u r a l r e l i c s i t c a r r i e do n K e yw o r d s:c u r v e dp i p e j a c k i n g;w r e c ks a l v a g e;m e c h a n i c a l d e s i g n;s t r u c t u r a l d e s i g n第 卷 增刊 年 月上 海 交 通 大 学 学 报J OUR NA LO FS HAN GHA I J I AOT ON GUN I V E R S I T YV o l S u p O c t 增刊庄欠伟,等:“长江口二号”古沉船打捞中矩形曲线底幕法机械及构造设计关键技术 年 月 日我国水下考古发现的体量最大、保存最为完整、船载文物数量巨大的木质帆船“长江口二号”整体打捞出水,标志着我国在水下考古技术领域实现了新的突破和创新传统的沉船打捞方法包括浮筒打捞法、泡沫塑料打捞法、船舶抬撬打捞法、围堰打捞法、封舱抽水打捞法及充气排水打捞法等这些方法多为介入式的打捞方法,不可避免地会对沉船船体及船上的载物造成损伤我国水下考古标志性工程“南海一号”古沉船虽然采用“钢沉箱底部托梁”的免触碰式打捞方法 ,但其受天气、风浪和海流等外界因素的影响严重,且需要大量的水下作业,打捞效率低,成本高管幕法采用微型顶管机在拟建地下建构筑物四周顶入不同材质的管节,管节间采用锁扣连接并注入防水材料,形成人造止水帷幕,同时也作为临时支护结构提高开挖后地层的稳定性 管幕法由于其良好的水密性和较高的稳定性,近年来已在包括大断面浅埋式下立交通道、地铁车站、地下出入口通道等地下工程建设中得到了广泛应用如图所示,“长江口二号”古沉船打捞借鉴了隧道及地下工程领域管幕法的思想,在沉船底部通过 根依次顶进紧密咬合的矩形小曲率半径弧形管节形成“底部托盘”,将沉船与周围地层隔离并整体起吊,实现了沉船的免触碰和微扰动打捞图“长江口二号”沉船打捞矩形曲线底幕法示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f r e c t a n g u l a r c u r v eb o t t o mc u r t a i nm e t h o df o r“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”现有隧道及地下工程管幕法多为水平顶管施工且管节间间隙较大,而本次打捞为国内外首次进行密合竖曲线小曲率半径矩形顶管施工,尚无相关工程案例可循相比地下工程开挖,由于珍贵的文物价值,古沉船打捞对扰动的控制更加严格,更要避免起吊过程中因包裹船体的水土通过管节间的间隙流失造成对沉船及船载文物的二次伤害因此,除克服竖曲线小曲率顶进顶推力计算 、土体管节相互作用、管节姿态控制和受力分析 等关键理论难题外,曲线顶管底幕法沉船打捞还面临着微扰动顶管的机械构造设计和管节间强水密性设计等关键技术挑战有鉴于此,本文将系统介绍“长江口二号”古沉船打捞量身定做的沉船打捞框架系统、导向架推进装置及其配套的行星三刀盘顶管机和密合型弧形管节的设计方案,为未来类似打捞工程的实施提供参考和借鉴 端板纵梁外框架系统如图所示,打捞系统外框架由端板和纵梁系统组成,主要包括:端板、端板、外纵梁和内纵梁两侧的端板为整体底幕的侧部边界,起到定位和侧限的作用;顶部纵梁将 根管节连接成整体,同时也是导向架和起吊耳的附着和支撑机构端板和端板位于纵梁两侧并通过法兰与纵梁连接内、外纵梁间设有间隙,用于机头和弧形梁管节从中间穿过内外纵梁上设置长销孔,长销穿过内外纵梁和弧形梁管节的销孔,将内外纵梁和弧形梁管节连成一个整体端板内侧设置有母锁扣,用于管节公锁扣在母锁扣内通过和锁定 导向架推进系统为保证弧形管节严格按照既定曲线进入地层,设计了如图所示的导向架推进系统,其由发射架框架壳体、内部齿条、驱动装置和吊耳组成发射架 上海交通大学学报第 卷图端板纵梁系统F i g S i d ep l a t e l o n g i t u d i n a l b e a ms y s t e m框架壳体为 圆弧形,通过端部的外吊耳和内吊耳与端板纵梁连接,内部形成有安装空间的圆弧形壳体;发射架内安装有圆弧形的驱动齿条;壳体内安装齿轮驱动机构,其一端连接于弧形管节上,两侧安装有驱动齿轮,与弧形壳体上的齿条啮合连接实际施工时,弧形管节在管节后部的齿轮驱动装置的驱动下沿着发射机架内部的弧形齿条向前行走直至到达指定位置图导向架F i g P i l o tp r o p u l s i o ns y s t e m行星三刀盘矩形顶管机前期采用栅格式及锥形刀盘的顶进缩尺模型试验发现,机械刀盘的缺失将会极大地提升管节顶进所需的顶推力,并对地层和沉船产生较大的扰动为此,设计了一种带行星三刀盘的新型矩形顶管机 刀盘设计矩形掘进机刀盘切削方式主要包括小刀盘式、仿形刀刀盘式、多偏心轴式和行星式三角形刀盘其中,行星式三角形刀盘利用行星式齿轮的偏心运动,由一组行星式驱动装置驱动刀盘,刀盘主轴做偏心旋转,可实现全断面的高效掘进 行星齿轮工作原理行星齿轮(齿轮)除了能围绕着自己的转动轴(B B)转动之外,它们的转动轴(B B)还随着齿轮(称为行星架)绕轴线(A A)转动绕自己轴线的转动称为“自转”,绕其他齿轮轴线的转动称为“公转”,就像太阳系中的行星那样,因此得名本掘进机机头采用的齿轮传动原理如图所示,齿轮为输入齿轮,为定轴齿轮,采用外齿形式,其与内齿轮啮合内齿轮为定轴齿轮,绕轴A A转动内齿轮上偏心设置转轴B B,轴B B与轴A A不同心,偏心距为R轴B B上安装行星齿轮,齿轮为外齿轮,其与固定的内齿轮啮合行星齿轮不仅绕自己的转轴B B转动,还随齿轮一起绕轴A A转动行星齿轮与固定齿轮的啮合为少差齿啮合形式顶管机刀盘固定在行星齿轮,并随行星齿轮一起进行行星运动刀盘的形式为根均布辐条形式,辐条的长度L若顶管机切削方形断面边长为D,为保证辐条端点T运动轨迹为方形,则偏心距R D,辐条长度LR/此时,辐条端点T的运动坐标为XRs i nLs i n(/)YRc o sLc o s(/)()式中:为辐条绕刀盘中心的旋转角度图行星轮系构成F i g F o r m a t i o no fp l a n e t a r yg e a r t r a i n增刊庄欠伟,等:“长江口二号”古沉船打捞中矩形曲线底幕法机械及构造设计关键技术 刀盘结构设计三角形刀盘为具有三支辐条的辐条式刀盘,每个辐条间相隔 放置,刀盘上设置有双刃、三刃切削刀和十字锥形刀(见图)三刃切削刀(,)卧式放置于刀盘的最外侧,实现周边的切削,保证刀盘切削范围双刃切削刀(,)立式放置于刀盘中部三刃切削刀和双刃切削刀的切削轨迹均为方形十字锥形刀(,)具有个切削刃口,可以实现各个方向的切削,形成花形的切削轨迹通过类刀具的耦合切削作用,实现矩形的全断面开挖(见图)图三支辐条式刀盘结构图模型F i g S t r u c t u r ed i a g r a m m o d e lo ft h r e es p o k ec u t t e rh e a d图不同刀型的切削轨迹F i g C u t t i n gp a t h so fd i f f e r e n t t o o l t y p e s 行星齿轮驱动结构设计行星齿轮驱动结构如图所示,液压马达驱动齿轮绕自转轴C C旋转齿轮与内齿轮啮合,齿轮绕轴A A旋转齿轮上偏心安装转轴B B,齿轮绕B B旋转,并与固定齿轮进行啮合刀盘与齿轮固定,随齿轮一起行星运动,切削出方形断面图行星齿轮驱动结构F i g D r i v i n gs t r u c t u r eo fp l a n e t a r yg e a r图驱动壳体F i g D r i v eh o u s i n g 驱动壳体驱动壳体(见图)内不仅作为安装驱动装置及刀盘的壳体,还承载着与弧形梁管节连接的作用该连接为法兰式,通过螺栓连接,方便拆卸弧形梁管节留在土体内作为将来整体起吊的壳体驱动壳体与弧形梁连接法兰面上设置的浆孔,实现了弧形梁与机头的进将管的连通驱动壳体上还设置排浆泵,管道将机头泥水仓内的泥浆排入弧形梁管节的排浆 上海交通大学学报第 卷管内刀盘与壳体第道胸板间为土仓,壳体第道胸板和第道胸板间为泥水仓,中间设置带有缝道的旋转环,土体通过缝道进入泥水仓,从而通过泥浆将土体排出土仓和泥水仓分别设置压力传感器对压力进行监测密合弧形管节设计 管节本体设计作为“底部托盘”的组成部分,弧形管节除满足承载和变形要求外,管节间还需要满足严格的密闭防水要求参考地勘报告,建立如图所示的单根管节推进数值模型,模型长宽各 m,高 m,铁板砂层厚度 m,其余地层为青灰泥顶管弧形管节为矩形截面,长m,高m,壁厚管节初始竖直放置,两端面与地面贴合土体采用摩尔库伦本构模型,具体参数如表所示土体与管节之间设置硬接触,采用罚函数,管节铁板砂间摩擦因数为 ,管节青灰泥间摩擦因数为 图单根管节推进数值模型F i g N u m e r i c a lm o d e l o f s i n g l ep i p es e c t i o np r o p u l s i o n表地层参数表T a b P a r a m e t e ro f f o r m a t i o n地层名称重度/(k Nm)弹性模量,E/MP a泊松比,黏聚力,c/k P a内摩擦角/()铁板砂 青灰泥 将弧形管节每旋转推进 算作一个计算节点工况,共 个工况每个工况分为两个分析步:()将管节装配至指定角度,并移除已开挖部分土体,令管节与周围土体在该分析步内充分接触,紧密贴合()将管节向前线性顶进一定角度,以模拟真实管节顶进的准静态过程选取管节推进 、和 共个工况,所获得的管节中轴线挠曲变形如图 所示图 弧形管节挠曲变形随顶进角度变化曲线F i g D e f l e c t i o no f c u r v e dp i p e j o i n tw i t hj a c k i n ga n g l e由图 可知,顶进初期由于导向架的约束作用,进入土体的部分呈现向上的挠曲变形,而导向架内部管节因自重作用发生向下的挠曲变形;随着推进角度的增加管节的挠曲变形逐渐转变为全向下挠曲且随着推进角度的增加而增大管节的最大变形小于c m,满足设计的要求 锁扣及水密性设计在两侧端板内侧设置两道母锁扣(见图),A型管节的一侧设置两道公锁扣,另一侧设置两道母锁扣,B型管节的两侧都设置两道公锁扣施工时,端板先下放,与端板相邻的A型管节再下放,下放时保证A型管节的公锁扣与母锁扣锁住,从两侧端板向中间方向依次下放A型管节,最后一个位置放置B型管节,下放时需要保证B管节两侧的公锁扣与相邻A管节的母锁扣紧密咬合 实施效果“长江口二号”整体打捞出水后即由“奋力”轮和艘拖轮驳运至上海船厂旧址号船坞存放现场打捞时在管节上预埋了光纤传感器监测管节整体的变形情况监测得到的管节的整体变形随顶进角度变化如图 所示,管节的竖向和侧向变形均控制在mm级,优于设计计算的结果,这可能是因为设计计算时未考虑刀盘的超挖作用和开挖面泥浆支护对地层的稳定作用这进一步证明了弧形管节本体增刊庄欠伟,等:“长江口二号”古沉船打捞中矩形曲线底幕法机械及构造设计关键技术 图 锁扣示意图F i g D i a g r a mo f l a t c h图 管节整体变形随顶推角度的变化F i g O v e r a l ld e f o r m a t i o no fp i p es e c t i o nv e r s u sp u s h i n ga n g l e设计的有效性通过对清除底幕表面淤泥后管节间间隙的测量,发现管节和管节间的连接性较好除为确保顺利闭合而将单侧锁扣切割的最后一根管节外,其余管节间的最大间隙不超过c m沉船表面也未发现明显的因打捞引起的新的损伤和裂痕由此可见,此次打捞顶管顶进对沉船的扰动较小,管节锁扣间的水密性可靠未引起沉船周围水土体的大量流失,较为完好地保留了古沉船的原始构造并保护了船载文物(见图)图 存放于船坞的“长江口二号”底幕及沉船F i g B o t t o mc u r t a i no f“Y a n g t z eR i v e rE s t u a r yI I”a n dt h ew r e c ki nt h ed o c k结语本文针对“长江口二号”古沉船打捞免触碰、微扰动的要求,设计了一种沉船打捞框架系统、导向架推进装置,并研发了一种新型行星三刀盘顶管机和密合型弧形矩形管节,有力支撑了“长江口二号”古沉船的打捞工程实际打捞工程中管节的变形小,对沉船和船载文物的扰动低,有效地保障了“长江口二号”古沉船及其船载文物的原生性,证明了所设计打捞框架的牢固性、导向推进装置的合理性、新型行星三刀盘顶管机的有效性及密合型弧形管节的可靠性,可为未来类似打捞工程的开展提供参考和借鉴参考文献:聂亮冰南 海号 打捞 工 程 方 案 选 优 与 实 施 控 制D广州:华南理工大学,N I EL i a n g b i n g S c h e m es e l e c t i o na n d i m p l e m e n t a t i o nc o n t r o l o fN a n h a iN o s a l v a g ep r o j e c tD G u a n g z h o u:S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,吴建成,张永强“南海号”古沉船的整体打捞J中国航海,():WU J i a n c h e n g,Z HAN G Y o n g q i a n g T h ei n t e g r a ls a l v a g eo f a n c i e n tS u n k e nv e s s e lN a n h a iJ N a v i g a t i o no fC h i n a,():孔维达,胡敏“南海号”整体起浮方案的设计与施 上海交通大学学报第 卷工工艺J船海工程,():K ONG W e i d a,HU M i n D e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f i n t e g r a l l i f t i n gs c h e m e f o rN a n h a iN o J S h i p&O c e a nE n g i n e e r i n g,():H I S A T AK E M,OHN OS E f f e c t so fp i p er o o fs u p p o r t sa n dt h ee x c a v a t i o nm e t h o do nt h ed i s p l a c e m e n t sa b o v eat u n n e l f a c eJT u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,():毕湘利,张中杰,刘书,等饱和软土地区束合管幕结构受力 性能 足尺 试 验研 究J隧 道建 设(中 英文),():B IX i a n g l i,Z HANGZ h o n g j i e,L I US h u,e t a l F u l l s c a l ee x p e r i m e n t a ls t u d yo n m e c h a n i c a lb e h a v i o r so fb u n d l e d i n t e g r a t es t r u c t u r e i ns a t u r a t e ds o f ts o i l a r e aJ T u n n e lC o n s t r u c t i o n,():张颖,金国龙,李昀管幕箱涵法关键设计及顶进阻力分析J市政技术,():Z HAN G Y i n g,J I N G u o l o n g,L IY u n K e yd e s i g na n d j a c k i n g r e s i s t a n c e a n a l y s i s o f p i p e c u r t a i nb o xc u l v e r tm e t h o dJJ o u r n a lo f M u n i c i p a lT e c h n o l o g y,():周丁恒,原文奎,王力勇,等横向管幕对洞桩法车站施工形变的影响研究J铁道 建筑 技 术,():Z HOUD i n g h e n g,YUAN W e n k u i,WAN GL i y o n g,e t a l S t u d yo nt h ei n f l u e n c eo ft r a n s v e r s ep i p ec u r t a i no nt h ec o n s t r u c t i o nd e f o r m a t i o no ft u n n e l p i l es t a t i o nJR a i l w a yC o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,():李义华,朱康康,李明宇,等粉质黏土地层管幕C R D法施工地表变形规律分析:以郑州地铁号线中州大道站出入口通道工程为例J隧道建设(中英文),():L IY i h u a,Z HU K a n g k a n g,L IM i n g y u,e ta l S u r f a c ed e f o r m a t i o nl a w so fs i l t yc l a ys t r a t ai n d u c e db yp i p er o o f i n ga n dc r o s sd i a p h r a g m:Ac a s es t u d yo fap a s s a g e w a yp r o j e c ta tp o r t a lo fZ h o n g z h o ua v e n u es t a t i o no nZ h e n g z h o um e t r ol i n eJT u n n e lC o n s t r u c t i o n,():KHA Z A E IS,S H I MA D A H,MA T S U IK A n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no ft h r u s ti nu s i n gs l u r r yp i p ej a c k i n gm e t h o dJ T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,(/):S HOU K,Y E NJ,L I U M O nt h e f r i c t i o n a l p r o p e r t yo fl u b r i c a n t sa n di t si m p a c to nj a c k i n gf o r c ea n ds o i l p i p ei n t e r a c t i o no fp i p e j a c k i n gJT u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c eT e c h n o l o g y,():丛茂强,陈锦剑,王建华基于注浆压力控制的混凝土顶管 施工 微 扰动 机理 J上 海 交 通 大 学 学 报,():C ON G M a o q i a n g,CHE NJ i n j i a n,WAN GJ i a n h u a M i c r od i s t u r b a n c em e c h a n i s mo f c o n c r e t ep i p e j a c k i n gw i t hs l u r r yp r e s s u r ec o n t r o lJ J o u r n a lo fS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t y,():马合龙,廖晨聪,王建华,等软土中超大直径钢顶管施工顶进及运营温差下的受力特性测试J上海交通大学学报,():MA H e l o n g,L I A O C h e n c o n g,WAN GJ i a n h u a,e ta l F i e l d t e s t o fm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f l a r g ed i a m e t e r s t e e l j a c k i n gp i p eu n d e r c o n s t r u c t i o na n dt e m p e r a t u r e l o a di ns o f ts o i lJJ o u r n a lo fS h a n g h a iJ i a oT o n gU n i v e r s i t y,():