“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、保存最完整、船载文物数量巨大的古代木质船之一,是弥足珍贵的文化遗产.其在上海水域被发现,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○三五年远景目标纲要》中,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,该项目是提升上海市文化软实力、丰富人民精神文化生活的重要举措.同时,“长江口二号”古船将成为上海建设全球卓越城市的新亮点、上海文化品牌的金名片、上海文化自信的压舱石.在博物馆建设启动之前,必要工作是对古船遗址进行整体迁移.项目的建设对“长江口二号”古船的研究和保护、提升上海市水下考古的科研实力具有重要意义和价值.

“长江口二号”古沉船的发掘、保护和利用对于上海文化建设而言,不仅是一项重大挑战,而且是一种历史机遇.应充分做好发掘、保护、研究和利用,构建考古、保护、研究、展示、利用一体化的文物保护利用新模式,营造国内、国际合作研究的大平台.

2019年,上海市文物局按照上海市政府要求,多次与上海市委宣传部、发改委、财政局、交通委等部门和单位以及相关区沟通对接,就沉船整体打捞方案、打捞预算等工作开展深入研究.交通运输部上海打捞局受上海市文化和旅游局委托,编制《长江口二号古船遗址整体迁移工作方案》,并已于2019年开始编制.2020年,交通运输部上海打捞局结合水下考古探摸与调查成果,制定了详细的《长江口二号古船遗址整体迁移工作方案》,并于10月下旬至国家文物局进行专题汇报,得到国家文物局的原则性肯定和支持.11月中旬,上海文化和旅游局组织国内水下考古、海洋工程等领域专家,召开了《长江口二号古船遗址整体迁移工作方案》专家评审会,会后根据专家意见,交通运输部上海打捞局对方案进行了修订,并于12月报送国家文物局审批.2021年5月6日,国家文物局在《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)中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3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.

经交通运输部上海打捞局项目组前期市场排查,没有找到满足进入1号船坞条件的船舶资源.即使找到了相应的半潜驳,按照传统打捞工艺,需要1条半潜船、2条抬浮驳,还包括多条拖轮等,对船舶资源的数量和类型要求较高,不仅在短时间内很难组织齐全相应的资源,而且也增加了现场协同作业的难度和风险,在时间性和经济性方面均不是最佳选择.对此,需要改进现有技术装备,相应的打捞技术方案还有可优化提升的空间.

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,从而仅用1艘船就能完成传统工艺2条抬浮驳转载至1条半潜船共3条船的工作任务,可高效解决“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问题.

该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余量,所以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,左右船边分别只有7 m的宽度,显得非常单薄,然而却要承受设计 15 000 t 的总提升力,对该位置船体的结构强度和总纵强度等有着很高的设计要求.此外,还包括对应的压载方案,都需要重点关注和计算确定.

经初步设计,确定“奋力”轮主尺度为:总长 130 m、宽34 m、型深9 m、设计吃水6 m.“长江口二号”古船长38.5 m、宽7.6 m,计算打捞总质量约为 15 000 t,为配合整体打捞迁移工程,驳船中部开一个长56 m、宽20 m的超大月池,用于将包含古船的弧形梁框架从月池区域整体打捞提升进月池之中.为此,月池左右的7 m船舷侧需要特别强化结构强度,然后,“奋力”轮怀抱古船由拖轮拖带至船坞内.

在打捞时,通过“奋力”轮上的计算机控制液压钢绞线同步提升设备即可完成沉船的整体提升,相对于传统的在沉船两侧各使用1条抬浮驳的提升方法,“奋力”轮减少了抬浮驳的投入数量.在沉船提升至大月池内后,拖轮将“奋力”轮和古船整体拖带至船坞内,然后通过该计算机控制液压钢绞线同步提升设备直接将沉船整体下放至船坞预设的基座上,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、工序简单、投入成本较小、安全性较高.

专用工程驳船“奋力”轮不仅可在“长江口二号”整体打捞迁移工程中发挥至关重要的沉船打捞、运输、进坞、卸载作用,还可为各种打捞设备模块提供作业平台,承担作业工具的运输和储存以及其他作业船舶的补给等作用.“奋力”轮出厂效果照片如图1所示,航拍照片如图2所示.

根据项目需要,交通运输部上海打捞局监造组与中标的招商船厂方一起探讨确定了项目生产计划表,监造组与船厂共同赶工,最终于2022年7月15日完成交船,比计划工期节点有所提前,满足了工程需要.

2022年7月15日,“奋力”轮在上海打捞局横沙码头交付之后,立即开始准备提升油缸就位工作,将12套液压泵站分别布置在专用提升基座左右,46套额定提升力为 350 t 的提升油缸布置在月池上部的提升基座受力开口,并将底锚悬挂好,理论提升总质量可达 15 000 t,计算弧形梁系统和古船空气中总质量约为 8 800 t,余量充足.同时备用了2个提升油缸及若干液压油管、电缆.弧形梁框架绑定装备准备妥当,配合提升作业的2台发电机组及配电箱、8个锚机系统以及集中监控系统均准备妥当.全部准备工作完成后,“奋力”轮在横沙码头待命,等待现场具备提升条件.其中,提升系统及液压泵站布置如图3所示,提升吊点示意图如图4所示,钢绞线船面安放示意图如图5所示.

“奋力”轮现场打捞准备工作照片如图6所示.具体打捞过程如下:

(1) 2022年11月16日,“奋力”轮从横沙码头启拖航赴古船打捞现场,18日16:00完成抛锚布场.随后进行作业继续交底,同时进行设备物资转运等准备工作.

(2) 18日20:30,“奋力”轮就位沉船上方,“大力号”船艉绞锚带缆绳至“奋力”轮,搭设登船梯;观察水流情况,进行潜水作业准备;集中监控系统调试,同时开始弧形梁框架扁担梁对接.

(3) 20日08:00,46套弧形梁框架扁担梁对接全部完成,开始提升系统及集中监控系统测试.

(4) 20日15:13,开始提升油缸群同步预紧加力.

(5) 20日16:00,开始缓慢加载提升,至20:08,弧形梁框架离底,稳步提升.

(6) 21日00:40,古船的大桅(最高点)出水,古船时隔150余年重现天日.

实际提升弧形梁框架离底时,质量约为 6 123 t;出泥后在水中提升过程中约为 4 850 t,质量未大幅降低,说明经过弧形梁在泥下充气后,基本破除了海底吸附力^[1-2].最终提升15 m到达设计位置时(弧形梁框架出水3 m),质量为 6 600 t.“奋力”轮现场打捞古船提升出水照片如图7所示.

“奋力”轮怀抱古船进坞航拍如图8所示.具体过程如下:

(1) 2022年11月24日08:00,持续提升到设计位置,同时古船大桅安装保护罩,开始绑扎固定.

(2) 24日14:00,加塞垫木组块,绑扎固定完成,起锚撤场完成,开始拖航赴横沙码头.

(3) 24日20:16,“奋力”轮靠横沙码头.

(4) 24日22:00,“奋力”轮完成设备物资转运后启航赴上海船厂1号旧坞.

(5) 25日12:30,“奋力”轮开始进坞.

(6) 25日14:00,“奋力”轮基本到位,将沉船整体下放至船坞预设的基座上^[3].

“长江口二号”古船打捞对提升过程中的弧形梁框架整体质量进行计算.首先计算顶梁端板框架(包含古船)的质量,假设顶梁端部框架内部全部为泥,根据地勘报告,上层1.5 m范围内泥土密度为 1.9 t/m³,下层泥土密度为1.7 t/m³,按此假设计算结果如表1所示.

计算弧形梁框架本体质量后与内部质量合集,得出抬浮提升实物总质量,具体如表2所示.其中,考虑古沉船木头密度较小,因此总质量按98%估算.然后,按照抬浮过程,每提升1 m的状态进行抬浮力计算,并汇总于表3中.

根据计算结果,绘制抬浮质量随提升高度变化的曲线图,如图9所示.从图中可知, 在古船弧形梁框架提升过程中,开始的提升力较大,古船弧形梁框架脱离海底泥面后,海底吸附力破除,此时由于浮力支撑,提升力较小;继续提升直到古船弧形梁框架慢慢出水时,提升力又逐渐增加,最后若脱离水面,在完全没有浮力的影响情况下,古船弧形梁框架的提升力达到最大,约为 8800 t.

由上述计算结果可知,“奋力”轮最初计算弧形梁系统包含古船在内的弧形梁框架整体在空气中的总质量约为 8800 t.为保证打捞成功,考虑适当的吸附力以及其他余量,“奋力”轮设计提升总质量设计为 15000 t.实际提升弧形梁框架从海底离底时,质量约为 6123 t,出泥后在水中提升过程中约为 4850 t,质量未发生大幅降低,说明经过弧形梁在泥下的多处充气后,破除海底吸附力的效果较好,提升离底时质量为 6123 t,比原估算值(约 8000 t)小.最终提升15 m到达设计位置时质量为 6600 t(弧形梁框架出水3 m),在坞内排空水后(无浮力),总提升质量约为 8800 t(空气中净重), 与计算值的差额很小,在正常范围之内.整个提升过程中,“奋力”

轮结构未发现可见变形,这是因为原设计最大提升质量为 15 000 t,而实际施工中最大质量约为 8800 t,“奋力”轮的结构设计有充分的余量,不会出现大幅度的结构变形,这也说明“奋力”轮达成了设计目标.

“奋力”轮的成功设计建造和在“长江口二号”古船整体打捞迁移工程中的成功应用,为未来其他古船打捞提供了参考技术方案.“奋力”轮圆满达成了集沉船打捞、运输、进坞、卸载于一体的专用工程驳船的设计使命,在现场提升古船弧形梁框架时十分顺利,船体强度符合要求.仅用1艘船舶完成了传统工艺2艘抬浮驳船提升后转载至1艘半潜船共3条船的工作任务,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,大幅节省了成本支出,取得了较高的经济效益,为今后其他古船打捞提供了技术经验.