上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 124-130 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.06

曲线顶管发射架的设计及应用

袁玮皓,1, 李炎龙1, 张弛1, 周东荣2, 胡建2, 王钰2

1.上海隧道工程有限公司,上海 200032

2.交通运输部上海打捞局,上海 200090

Design and Application of Curved Pipe Jacking Launchers

YUAN Weihao,1, LI Yanlong1, ZHANG Chi1, ZHOU Dongrong2, HU Jian2, WANG Yu2

1. Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd., Shanghai 200032, China

2. Shanghai Salvage of the Ministry of Transport, Shanghai 200090, China

收稿日期: 2023-07-7   修回日期: 2023-07-25   接受日期: 2023-08-22  

基金资助: 上海市科技创新行动计划社会发展科技攻关项目(21DZ1201104)

Received: 2023-07-7   Revised: 2023-07-25   Accepted: 2023-08-22  

作者简介 About authors

袁玮皓(1992-),工程师,从事隧道掘进机设计研究,电话(Tel.):021-58482957;E-mail:yuanweihao@stecmc.com.

摘要

弧形梁管节顶穿施工作为“长江口二号”古沉船整体打捞施工中的重要环节,多根弧形梁管节需顶推穿越古沉船周边土体并形成底托包裹古沉船.弧形梁管节在结构形式、施工方式以及导向方式不同于传统整体打捞中的直线型底托梁,须研制并使用专用施工装备进行施工.曲线顶管发射架作为弧形梁管节顶穿专用施工装置,经过前期缩比模型论证、设计制造、等比试验及再优化设计制造后,顺利完成“长江口二号”古沉船海上打捞施工,在实际施工中客观地体现了其功能性、可靠性以及稳定性,将曲线顶管这类隧道领域中的施工方法运用到海上施工乃至古文物原址地基基础保护的设想成为现实.

关键词： 打捞; 管幕法; 顶管施工; 曲线顶管

Abstract

As an important part of the integral salvage “Yangtze River Estuary II”, several curved beam sections had to be jacked through the soil around the wreck to form a bottom bracket to wrap the wreck. The curved beam sections are different in structure, construction method, and guidance from the traditional linear bottom brackets in integral salvage. Therefore, special construction equipment had to be developed and used. The curved pipe jacking launcher, as a special device for jacking through curved beam pipe joints, has successfully completed the salvage of “Yangtze River Estuary II” after preliminary scaled-down model demonstration, design and manufacture, isometric test and re-optimisation design and manufacture. The design and the application of the method can be applied to offshore salvage and in-situ protection of the foundation of the ancient relics.

Keywords： salvage; pipe curtain method; pipe jacking; curved pipe jacking

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本文引用格式

袁玮皓, 李炎龙, 张弛, 周东荣, 胡建, 王钰. 曲线顶管发射架的设计及应用[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 124-130 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.06

YUAN Weihao, LI Yanlong, ZHANG Chi, ZHOU Dongrong, HU Jian, WANG Yu. Design and Application of Curved Pipe Jacking Launchers[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(S1): 124-130 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.06

2015年7月26日至9月11日,上海市文物保护研究中心委托对民国时期的铁质军舰“长江口一号”沉船及周边海域进行探摸调查取证,同时发现了另一条疑似沉船物体.考古研究人员随后进行探摸,经潜水员仔细探摸后,确认该物体为木质沉船.该沉船埋入泥中,命名为“长江口二号”.在随后的探摸过程中初步确认该船为木质帆船,年代为清代同治时期的海上贸易商船[1].

2019年,针对“长江口二号”古沉船,研究设计专用古沉船整体打捞迁移海上施工装备.根据相关文献资料以及遗址水域的水文状况,水质能见度极差、潮汐水流较快、天气变化多端等施工环境恶劣的状况[2],都对新的打捞设备自动化、可靠性以及安全性提出更高的要求.发射架作为整个施工设备的关键工装装置,不仅装载弧形梁管节,而且须具备精准的圆弧导向能力.其本身结构具有足量的结构强度和刚度,以满足顶穿过程中的导向约束及提供顶推反力.

1 缩比试验发射架设计及试验

1.1 缩比试验发射架设计

曲线顶管底幕法作为一种全新的整体打捞工法,相比“海南1号”打捞施工工法有较大差异.采用对整个打捞围护结构1∶10比例缩放进行缩比试验,从而验证该工法可行性.缩比试验主要部件如图1所示,包括端板、连接梁、弧形梁管节及发射架[3]. 在等比试验中,发射架的设计注重弧形梁管节顶穿过程中的导向设计,以验证此类导向方式的可行性.

图1

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图1   缩比试验装置示意图

Fig.1   Schematic diagram of scaling test device


弧形梁管节在整个顶穿土体过程中都是沿圆周方向运动.如图2所示,具有导向结构的端板(或已有弧形梁管节)提供弧形梁管节下半圆周的导向.由于弧形梁管节的顶推力施加在末端,上半圆周仍需进行圆周方向的导向约束.

图2

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图2   导向约束示意图

Fig.2   Schematic diagram of guiding constraint


根据上述圆周方向导向约束以及轴线两侧方向导向约束,设计如图3所示的导向结构.发射架呈180°圆弧提供相应角度的圆周导向.发射架内外圆弧分别金加工,其中发射架内弧半径为管节内弧半径-0.3 mm,发射架外弧半径为管节外弧半径+0.3 mm,发射架内宽为管节宽度+1 mm.发射架内部两侧安装有4条纵向约束槽,与弧形梁管节的公母锁扣进行间隙配合,间隙为单侧0.5 mm.

图3

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图3   导向结构示意图

Fig.3   Schematic diagram of guiding structure


1.2 缩比试验应用研究

发射架及其他试验装置设计加工完成后,进行1∶10缩比试验.将发射架组装完毕,并在内外弧面以及纵向约束槽适当涂抹黄油以减少摩擦阻力,将同样缩比后的弧形梁管节装载进发射架内并临时固定.发射架及弧形梁管节吊运安装至连接梁上并安装固定.由于缩比试验空间狭小,采用末端牵拉的方式来模拟顶推力,在管节末端通过钢索连接一组滑轮,再在钢索上安装拉力传感器,传感器与中控机连接实时采集数据,拉力传感器另一端连接与地面固定的减速机和步进电动机.

试验共进行了5根缩比弧形梁管节的顶穿试验,试验结束后对拉力传感器获取的数据进行整理分析.顶穿力的试验实际和理论计算数值变化趋势和力的大小基本接近,呈现为先逐步增大再减小的趋势,最大顶穿力均大于3 kN,峰值约在120°~150° 之间某处.最大顶穿力对发射架结构造成影响较小,在顶穿力达到最大时,发射机内部宽度最大变形量为1.2 mm,位置处于发射架弧顶位置,并在顶穿完成后发射机内部宽度恢复初值,此属于弹性变形.

在第5根弧形梁管节成功完成顶穿试验,并且整个弧形梁底托结构完成合拢后,测量弧形梁管节锁扣间隙,其中最大间隙为0.86 mm(见图4),满足弧形梁管节在纵向位置的约束.

图4

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图4   间隙测量示意图

Fig.4   Schematic diagram of clearance measurement


通过1∶10缩比试验成功验证了发射架导向功能的可行性,并且初始顶穿力大小与理论计算相近,说明经过金加工的发射架可有效减小与弧形梁管节之间的摩擦力.但最大顶穿力超过3 kN,说明实际施工时的顶穿力极大概率会超过3 MN,等比例发射架设计时结构强度和刚度需要着重考虑.

2 等比试验发射架设计制造及试验应用

2.1 等比试验发射架结构设计

根据缩比发射架进行外形尺寸的等比缩放,并进行箱型结构设计(见图5),表1所示为发射机相关外形尺寸.

图5

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图5   等比试验发射架示意图(mm)

Fig.5   Diagram of isometric test launcher(mm)


表1   等比试验发射架关键尺寸

Tab.1  Critical dimension of isometric test launcher mm

外尺寸内尺寸
外径内径截面尺寸外径内径截面尺寸
900070003500×2000867373272720×1346

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图6

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图6   导向轮布置

Fig.6   Arrangement of guide wheel


根据弧形梁管节的外形,发射架内每5°的截面内设置一组导向导轮(见图6),包括:2组外弧导轮,2组内弧导轮以及2组侧向导轮.每组导轮底座皆与发射架精确配合,以保证各理论状态内外弧导轮与弧形梁管节之间存在3 mm间隙,两侧导轮与弧形梁管节之间存在5 mm间隙.

等比发射架整体较大,需要进行分块加工,如图7所示发射架分为4个部分:内弧板、外弧板和2个侧板.其中内外弧以及两侧都需要安装导轮、齿条以及发射架连接装配的法兰面皆需金加工.等比发射架分块形式以及加工面布局都是圆弧布置,最终考虑使用20 m级大型立式车床进行加工.

图7

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图7   等比试验发射架分块示意图

Fig.7   Schematic diagram of isometric test launcher in blocks


2.2 发射架有限元分析

始发机架在推进过程中,需要给予弧形梁管节顶穿反力及支撑.现对发射架模型进行壳单元处理,并使用HyperWork进行有限元分析.约束始发机架底部与顶梁所连接的8个吊点(见图8),分别在弧形梁管节顶穿至0°、45°、90°、135°时,加载 2 MN 理想工况及 4 MN 极限工况顶穿反力的有限元计算(见表2).

图8

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图8   边界条件及顶穿反力示意图

Fig.8   Diagram of boundary conditions and penetration reaction forces


表2   各工况下有限元分析结果

Tab.2  Finite element analysis results for each working condition

位置2 MN顶穿反力4 MN顶穿反力
最大应力/
MPa		最大位移/
mm		最大应力/
MPa		最大位移/
mm
0°2981.53106
45°1985.729910
90°1996.730016.34
135°2903.63158

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其中最大应力都处于发射架固定吊耳处,并且发射架模型是壳单元简化模型,最大应力为 4 MN 顶穿反力加载在135°处(见图9),属于极端工况下的应力集中,但仍未超出Q345材料的屈服强度,满足强度需求.最大位移发生在 4 MN 顶穿反力加载在90°处,最大位移为16.34 mm(见图10),位移量不超过发射机总高的0.18%,位移量极小,满足刚度需求.

图9

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图9   135°处4 MN反力应力云图

Fig.9   Stress cloud diagram of 4 MN reaction force at 135°


图10

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图10   90°处4 MN反力位移云图

Fig.10   Displacement cloud diagram of 4 MN reaction force at 90°


2.3 等比试验中发射架的应用

等比发射架加工完成,并完成自身结构组装及相关配套组件安装后,分别将弧形梁管节、推进装置以及相关管路坦克连安装进发射架(见图11和12).

图11

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图11   推进及管路坦克连安装

Fig.11   Propulsion and piping tank connection installation


图12

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图12   发射架完成弧形梁管节安装

Fig.12   Installation of curved beam pipe section of launcher


2022年1月在“长江口二号”附近海域进行等比试验.由于长江口附近水文情况复杂,且水质非常浑浊,先在“大力号”甲板上进行发射架吊装演练(见图13),并进行了弧形梁管节的“空穿”调试(见图14).

图13

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图13   发射架吊装演练

Fig.13   Lifting exercise of launcher


图14

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图14   “空穿”调试

Fig.14   Adjustment of “empty penetration”


最后,端板顶梁结构体完成下沉后,后续成功进行了3根弧形梁管节的顶穿试验(见图15),并采集了相关顶推力,其中最大顶推力与1∶10试验所出现的位置相近约130°位置,最大顶推力约 1.6 MN.

图15

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图15   发射架施工现场图

Fig.15   On-site view of construction of launcher


发射架在等比试验中,验证了其功能性,顺利地将3根试验弧形梁管节装载并施工到位.但在发射架组装加工过程及组装过程中发现以下问题:①发射架分块加工过程中,由于类似于薄板结构,焊接变形较难控制、较难校平;②立车金加工中也发生振刀及让刀的现象;③发射架最终吊装组装过程中弹性变形较大,组装难度大,并在后续等比试验后检查时,有一侧法兰面连接的螺栓发生松动.这些原因皆为发射架分块设计中对薄板结构的考虑不周.

3 正式施工发射架优化设计及工程应用

3.1 正式施工发射架优化设计

根据等比试验发射架生产制造以及等比试验的过程中归纳总结,等比发射架的分块方式为“薄片”形式,不利于生产制造以及长时间的翻身吊运.固然在制造正式施工发射架时进行了结构上的优化,改变了分块形式(见图16).又将原来4个“薄片”改为4组箱型结构体进行拼装,各个箱型结构之间分别设置了法兰连接结构进一步加强了连接节点的强度.发射架优化了分块形式,提高了各个分块各自的结构强度刚度,可利用龙门铣床进行金加工.

图16

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图16   正式施工发射架分块示意图

Fig.16   Schematic diagram of formal construction of launcher in blocks


3.2 正式施工发射架工程应用

2022年8月,在上海打捞局横沙岛基地码头现场对正式施工发射架进行安装调试,并在端板顶梁演练了弧形梁管节的装载、吊装下放及弧形梁试推进(见图17).

图17

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图17   发射架安装调试现场图

Fig.17   On-site view of installation and adjustment of launcher


2022年9月—11月期间,在“长江口二号”古沉船遗址现场水域进行整体打捞迁移施工,正式施工发射架总计吊装翻身30余次,并成功装载并顶穿弧形梁管节22节次.在22节顶穿过程中,推进装置的顶推力较稳定,大部分最大峰值顶推力出现在顶穿至130°~150°处.其中最大峰值顶推力出现在第9弧形梁管节顶穿至135°处为 1.4 MN,最稳定却最小峰值推进力出现在第4弧形梁管节顶穿过程中,最小峰值推进力在400 kN左右(见图18).

图18

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图18   第4及第9弧形梁管节顶穿力线图

Fig.18   Diagram of penetration force for 4th and 9th curved beam sections


4 结语

针对“长江口二号”水域水文环境,研究设计专用古沉船整体打捞迁移海上施工装备,其中发射架为整个施工设备的关键工装装置.在研究初期,对发射架进行了等比缩小设计,进行缩比模拟试验,成功验证了发射架作为弧形梁管节施工工装的功能性,并得到理论最大顶推力为 3 MN 的重要设计输入参数.而后,根据缩比模拟试验的结果,设计等比试验发射架,从结构强度、刚度、功能性及相关制造工艺进行研究,并成功应用于长江口水域的等比试验演练,得到相似水域工况下最大顶推力 1.6 MN 的重要参数.根据等比试验发射架在制造及试验中的相关问题进行研究优化设计,最终设计制造了正式施工发射架,并于2022年9月—11月期间,在“长江口二号”古沉船遗址现场水域进行整体打捞迁移施工,完成22根弧形梁管节的施工,成功应用证明了曲线顶管发射架作为一种全新的专用整体打捞迁移施工工装的可靠性、高效性以及安全性.通过甲板安装、潜水员引导吊装下放、水下自动化施工的设计理念,克服了长江口水域极其恶劣的水文条件,极大减少了潜水员水下施工的工作量.

参考文献

航辑.

“长江口二号”考古与文物保护正式启动首创弧形梁非接触文物整体打捞技术

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HANG Ji.

The archaeological and cultural relics protection of “Changjiang Estuary No.2” was officially launched, and the whole salvage technology of non-contact cultural relics with curved beams was pioneered

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王淑楠, 顾峰峰, 李俊花, 等.

长江口水文要素时空分布特征

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“长江口二号”古沉船曲线顶管底幕法打捞缩尺模型试验研究

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A reduced-scale model test of “yangtze estuary II” ancient shipwreck salvage using curved piping jacking basing method

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