上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 54-59 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.05

古船整体打捞中端板纵梁的变形

周东荣,1, 朱小东1, 魏良孟1, 蒋哲1, 庄欠伟2, 袁一翔2, 张弛2, 袁玮皓2

1.交通运输部上海打捞局,上海 200090, 2. 上海隧道工程有限公司,上海 200032

2.上海隧道工程有限公司,上海 200032

Deformation of Longitudinal Beam of End Plate for Integral Salvage of Ancient Ships

ZHOU Dongrong,1, ZHU Xiaodong1, WEI Liangmeng1, JIANG Zhe1, ZHUANG Qianwei2, YUAN Yixiang2, ZHANG Chi2, YUAN Weihao2

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

2. Shanghai Tunnel Engineering Co., Ltd., Shanghai 200032, 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(21DZ1201102)

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

作者简介 About authors

周东荣(1978-),教授级高级工程师,主要从事打捞及海洋工程研究;E-mail:zdr@coes.cn.

摘要

针对古沉船整体打捞工程,利用分布式光纤传感技术替代常规的变形监测手段,在“端板-纵梁”框架整体下放过程中对纵梁和端板进行变形监测.监测结果表明:“端板-纵梁”下放全过程中,端板的变形控制在1.5 mm内,变形量可以忽略;受定位桩与“端板-纵梁”间摩擦力的影响,纵梁最大变形量为50 mm;对定位桩打磨切割可有效减小纵梁变形量,纵梁最终变形量约为35 mm.

关键词： 沉船; 光纤监测; 整体打捞; 变形监测

Abstract

For the integral salvage project of ancient sunken ships, the distributed optical fiber sensing technology is used instead of conventional deformation monitoring methods to monitor the deformation of the longitudinal beam and end plate during the overall lowering process of the “end plate longitudinal beam” frame. The monitoring results show that during the entire process of lowering the “end plate longitudinal beam”, the deformation of the end plate is controlled within 1.5 mm, and the deformation amount can be ignored. Due to the friction between the positioning pile and the “end plate longitudinal beam”, the maximum deformation of the longitudinal beam is 50 mm. Grinding and cutting the positioning pile can effectively reduce the deformation of the longitudinal beam, and the final deformation of the longitudinal beam is about 35 mm.

Keywords： wreck; optical fiber monitoring; integral salvage; deformation monitoring

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本文引用格式

周东荣, 朱小东, 魏良孟, 蒋哲, 庄欠伟, 袁一翔, 张弛, 袁玮皓. 古船整体打捞中端板纵梁的变形[J]. 上海交通大学学报, 2023, 57(S1): 54-59 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.05

ZHOU Dongrong, ZHU Xiaodong, WEI Liangmeng, JIANG Zhe, ZHUANG Qianwei, YUAN Yixiang, ZHANG Chi, YUAN Weihao. Deformation of Longitudinal Beam of End Plate for Integral Salvage of Ancient Ships[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2023, 57(S1): 54-59 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.S1.05

在水下打捞领域,沉船打捞相较于沉船爆破和沉船分割而言,具有无可比拟的优越性[1⇓-3],但国内外关于此项技术研究尚未完备,沉船整体打捞仍是一项复杂、高水平的技术工艺[4].

水下沉船打捞由于是在海上作业,不仅人工、机械作业难度上涨,并且常规的测量手段也受到极大的影响.传统的变形监测手段在面对海上作业的环境存在效率不高、抗干扰能力弱、系统化程度较低等问题[5],而分布式光纤传感技术具有灵敏度高、可连续监测、测量便捷、适应性强等优势[6⇓-8], 可以克服传统监测方式的弊端.

本文依托于“长江口二号”沉船打捞工程,利用分布式光纤传感技术在“端板-纵梁”框架整体下放过程中对纵梁和端板进行变形监测,以便实时获取纵梁和端板的变形情况,保证端板-纵梁组合体的安全到位,为后续管节施工提供精度保障.

1 工程背景

1.1 古船概况

2015 年 9 月,上海市文物保护研究中心在长江口横沙岛附近发现“长江口二号”古沉船,经过多年的探摸和调查,确定“长江口二号”沉船是目前国内发现体量最大、保存最为完整的古代木船(见图1).

图1

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图1   “长江口二号”探测图

Fig.10   Exploration of “Yangtze River Estuary II”


“长江口二号”古沉船的整体打捞工作于2023年正式开展, 采用国际首创的曲线顶管底幕法进行整体打捞.

1.2 工法概况

曲线顶管底幕工法融合了曲线顶管、管幕法等技术核心,如图2所示.主要步骤包含:①在沉船四角打入定位桩;②下沉纵梁和端板;③完成首根弧形梁的顶进;④依次顶进22根弧形梁管节.

图2

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图2   曲线顶管底幕法主要步骤

Fig.2   Curved pipe jacking method


2 监测装置

监测采用光纤对端板和纵梁进行监测,OSI-S光纤监测设备(见图3)是一种基于光频域反射技术(OFDR)分布式光纤传感技术的监测设备,可对物体因温度、受力等原因产生应变进行高精度的监测,空间分辨率达1 mm,极易进行大规模传感器阵列的布设.设备同时还配备有光纤熔接机、尾端反射消除器等配套设备,如图4所示.

图3

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图3   OSI-S光纤监测设备

Fig.3   OSI-S optical fiber monitoring equipment


图4

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图4   配套设备

Fig.4   Supporting equipment


光纤的主要测量原理是基于瑞利散射频移,由于光纤制造工艺中因折射率分布不均而存在特定瑞利散射频谱分布,当光纤某位置受温度或应变影响导致出现瑞利散射频移,而频移量与温度和应变呈线性关系,所以光纤可以精准地测量并计算产生的应变,同时还可以通过专用算法测量位移、形变,主要参数如表1所示.

表1   光纤设备主要参数

Tab.1  Main parameters of optical fiber device

参数取值
测量范围/m100
最高分辨率/mm1
应变测量范围×106±12 000
应变测量精度×106±1
温度测量范围/℃-200~1200
温度测量精度/℃±1

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3 光纤布置

端板和纵梁在下放过程中会穿越青灰泥层和铁板砂层,其中铁板砂层质地较硬.单根纵梁长度为22 m,端板高度为8 m,因此为保证下放过程中对于“端板-纵梁”框架整体变形的监测,在端板和纵梁上布置光纤进行监测.

3.1 端板光纤布置

试验中0.9 mm紧包光缆采用U型布设方式.在有“长江口二号古船整体迁移”字样的端板上共布设3个U型(有字侧),端板外侧2个,内侧1个,如图5(a)所示.在无字样的端板上同样布设3个U型(无字侧),如图5(b)所示.

图5

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图5   端板光纤布置方式

Fig.5   Layout of optical fiber of end plate


3.2 纵梁光纤布置

纵梁作为连接端板的构件,共有4 根,由于其跨度较长,在下放过程中极易产生变形,故作为本次监测的重点.每根纵梁布置4根光纤,布置位置见图6.

图6

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图6   纵梁光纤布置方式

Fig.6   Layout of optical fiber of longitudinal beam


4 光纤监测结果分析

“端板-纵梁”整体框架下放时间共计3天,由于时间跨度较长,测量数据较多,所以只选取关键节点数据进行分析.

4.1 端板监测结果分析

端板整体的变形较为稳定,在下放全过程中,变形基本上控制在1.5 mm内,变形量可以忽略(见表2).

表2   端板变形监测数据

Tab.2  Deformation monitoring data of end plate

工况无字侧变形量/mm有字侧变形量/mm
入泥1 m0.911.09
入泥2 m0.940.64
入泥3 m1.00-0.11
入泥4 m0.850.14
入泥5 m0.850.24
入泥6 m0.810.88
入泥7 m0.701.14
下放到位0.810.39

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4.2 纵梁监测结果分析

“端板-纵梁”下放时,以测量位置来看,其下放状态与图6(a)的状态位置一致,因此在分析过程中,将近船端的梁定义为左侧梁,远船端的梁定义为右侧梁.

4.2.1 入泥2 m

顶梁出现明显的变形(变形量为14 mm),各纵梁变形数据如图7所示.其中,左侧纵梁的变形趋势相同,为向下弯曲,但是数值差异较大,其中左侧外梁变形峰值约14 mm,左侧内梁峰值约3 mm.右侧纵梁变形趋势与左侧纵梁变形趋势不同,但是右侧内梁和右侧外梁变形趋势与数值均较为接近,为非对称向上弯曲,峰值约4 mm.造成此现象的原因可能是下放过程中,因吊机难以保证框架水平而产生了倾斜,导致两侧纵梁受力不均,也有可能是水下地形不均匀所致.

图7

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图7   入泥2 m光纤数据

Fig.7   Data of 2 m optical fiber in mud


4.2.2 入泥4 m

各纵梁变形均明显增大,趋势较之前没有明显变化.左侧外梁峰值约为13 mm.左侧内梁和右侧外梁峰值约为5 mm.右侧内梁峰值约为9 mm (见图8).

图8

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图8   入泥4 m光纤数据

Fig.8   Data of 4 m optical fiber in mud


4.2.3 入泥6 m

受潮水和机械外力的影响,右侧外梁的光纤遭到损坏,无法继续进行监测.纵梁变形峰值已经达到50 mm(见图9),通过潜水探摸初步可确定这是因为定位桩与“端板-纵梁”间的摩擦力过大导致的.后续通过对定位桩打磨切割,成功使得变形回弹至20 mm(见图10).

图9

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图9   入泥6 m未打磨前光纤数据

Fig.9   Data of 6 m optical fiber before polishing


图10

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图10   入泥6 m打磨后光纤数据

Fig.10   Data of optical fiber after grinding 6 m into mud


4.2.4 下放到位

光纤持续受到潮水和机械外力的影响,右侧光纤完全损坏,最终依据左侧光纤数值分析,当“端板-纵梁”下放到位时,纵梁的变形控制在35 mm以内(见图11).

图11

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图11   下放到位后光纤数据

Fig.11   Data of optical fiber after placement


5 结论

(1) “端板-纵梁”下放全过程中,端板的变形控制在1.5 mm内,变形量可以忽略.

(2) 受定位桩与“端板-纵梁”间摩擦力的影响,纵梁最大变形量为50 mm.

(3) 对定位桩打磨切割可有效减小纵梁变形量,纵梁最终变形量约为35 mm.

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