深水拋投船沉箱同步下沉機(jī)構(gòu)研究

◎ 趙敏華 上海市水利工程集團(tuán)有限公司

拋石護(hù)岸是我國(guó)長(zhǎng)江、河湖和海堤采用塊石、卵石或其他抗沖塊體等材料拋填形成的使堤岸不受水流、風(fēng)浪或潮汐侵襲和沖刷的工程措施。在深水且地形條件復(fù)雜，水流流速、流向復(fù)雜多變的區(qū)域進(jìn)行精確拋投施工，目前較為成熟的是采用箱式深水定位拋投船。施工工藝為按設(shè)計(jì)要求，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行數(shù)字化處理，劃分電子拋投區(qū)格、計(jì)算每個(gè)區(qū)格拋投量后，將塊石裝入沉箱船上的沉箱中，通過(guò)沉箱船自帶的GPS-RTK定位系統(tǒng)作精準(zhǔn)定位，利用液壓傳動(dòng)絞車、沉箱、限位裝置等結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)操控后，將裝有塊石的箱體下放到接近河床面，打開底門，將塊石拋投至河床的電子拋投區(qū)格，再將底門關(guān)閉、將箱體提至船體內(nèi)，隨即進(jìn)行下一階段塊石灌裝、下沉、箱體提升；如此循環(huán)拋投后使河床底形成連續(xù)的拋石防沖體，保護(hù)河床穩(wěn)定減少?zèng)_刷。其拋石定位精度高，施工效率及拋石均勻度等均高于其他拋投機(jī)械的施工，該船集定位、裝箱、投放為一體，施工質(zhì)量保證率高。

該工藝關(guān)鍵是沉箱的沉放升降系統(tǒng)，拋投船上沉箱二邊各采用一臺(tái)電動(dòng)或液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)同步下放四根邊位鋼絲繩進(jìn)行升降，沉箱到達(dá)沉放水深高度時(shí)停止下沉，通過(guò)另一個(gè)升降系統(tǒng)的中位鋼絲繩將沉箱底部?jī)蓧K底門板打開，從而實(shí)現(xiàn)精確拋石。整個(gè)沉放工作需要二個(gè)升降系統(tǒng)和二臺(tái)絞車人工協(xié)同操作，在箱體沉放拋石的過(guò)程中，沉箱的上下兩端分別采用不同的卷?yè)P(yáng)機(jī)操縱，設(shè)備復(fù)雜，且僅能依靠人為判斷上、下兩端卷?yè)P(yáng)機(jī)的同步性，難以同步協(xié)調(diào)，影響沉箱的平穩(wěn)性，存在沉箱傾覆的危險(xiǎn)，安全系數(shù)較低。本文結(jié)合拋投船沉箱沉放工藝研究提出采用液壓傳動(dòng)同步裝置和方法，克服以上技術(shù)缺陷，通過(guò)雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置同步操控上部機(jī)構(gòu)和下部機(jī)構(gòu)，保證沉箱平穩(wěn)下沉，提高了沉放效率，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，在長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段三期整治工程揚(yáng)州市境內(nèi)的世業(yè)洲左汊潛壩工程開展應(yīng)用，發(fā)揮了較大作用，取得了良好的效果。

1.原有雙卷?yè)P(yáng)沉放系統(tǒng)

箱式深水定位拋投船包括船體、吊機(jī)、電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)（絞車）、定位系統(tǒng)、測(cè)深儀、定位錨機(jī)、沉箱、沉箱沉放升降鋼絲繩、限位器、操作系統(tǒng)等。見圖1、圖2。

圖1 箱式深水定位拋石船平面圖

圖2 箱式深水定位拋投船作業(yè)示意圖

原有沉箱沉放系統(tǒng)設(shè)備(如圖3）包括二邊各一臺(tái)對(duì)稱布置的電動(dòng)或液壓卷?yè)P(yáng)機(jī)，每臺(tái)卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)安裝在其上面的卷筒，帶動(dòng)二根中位鋼絲繩和二根邊位鋼絲繩進(jìn)行沉箱的升降，完成沉箱的沉放工作，實(shí)現(xiàn)沉箱里的塊石或拋投構(gòu)件水下拋落。

圖3 原有沉放系統(tǒng)設(shè)備布置圖

由于二套系統(tǒng)各由一人操作，通過(guò)相互之間的協(xié)調(diào)或采用對(duì)講機(jī)等方式進(jìn)行協(xié)調(diào)，使得沉放同步進(jìn)行。二套系統(tǒng)之間不關(guān)聯(lián)、同步操作完全依靠人的判斷，不精確性大，從而安全性和施工效率較低。

2.雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置

雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置由傳動(dòng)齒輪箱、支承座、主軸、齒輪聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)角齒輪箱、傳動(dòng)軸、支架、中間支架、四角四個(gè)和中間四個(gè)十一齒鏈輪等組成（見圖4），沉箱二邊（圖中為上下）對(duì)稱布置。傳動(dòng)齒輪箱由帶液壓剎車的四臺(tái)低速大扭矩液壓馬達(dá)組成，工作壓力17MPa，系統(tǒng)流量500L/min，額定拉力1000KN，快轉(zhuǎn)速11.5m/min，慢轉(zhuǎn)速5.8m/min；十一齒鏈輪配鏈條為?36船用有擋AM3。其中四角四個(gè)鏈輪和鏈條組成上部機(jī)構(gòu)，中間四個(gè)鏈輪和鏈條組成下部機(jī)構(gòu)。

圖4 雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置布置圖

圖5 沉箱沉放設(shè)備圖

裝置由船上柴油發(fā)電機(jī)帶動(dòng)高壓油泵使液壓馬達(dá)工作，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪箱通過(guò)主軸和齒輪聯(lián)軸器到二端轉(zhuǎn)角齒輪箱，轉(zhuǎn)角齒輪箱通過(guò)傳動(dòng)軸將力傳遞給四角四根十一齒鏈輪和中間四根十一齒鏈輪，從而驅(qū)動(dòng)沉箱上下升降，在沉箱下沉到設(shè)定位置時(shí)，剎車定位裝置動(dòng)作，沉箱四角上的四根鉸鏈停止下降，中間四根鉸鏈?zhǔn)沁B接在沉箱底門的，它們繼續(xù)下降后，打開底門，箱體內(nèi)石塊全部滑落河底。拋石完成后，關(guān)閉箱體底門，提升沉箱，提升至船體空倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行下一次的裝石、沉放、提升過(guò)程的循環(huán)作業(yè)。整個(gè)沉放在控制室集中操作，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)扭矩大，減少了在沉箱邊的操作人員，沉放穩(wěn)定安全、可靠。

3.工程應(yīng)用

江蘇省長(zhǎng)江鎮(zhèn)揚(yáng)河段三期整治工程世業(yè)洲左汊潛壩工程位于鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲北汊中下段、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋北汊斜拉橋上游2020m附近，左岸為新冒洲邊灘，右岸為世業(yè)洲左緣。工程主要任務(wù)和作用是通過(guò)世業(yè)洲左汊口門護(hù)底和潛壩工程抑制世業(yè)洲左汊的發(fā)展，新建和加固護(hù)岸工程，使鎮(zhèn)揚(yáng)河段河勢(shì)進(jìn)一步趨于穩(wěn)定和改善。工程包括主壩體、壩體拋石及上下游床面防護(hù)、左岸連接護(hù)岸三大部分。其中水下拋石工程量有368897m。工程2019年2月開工，2019年底完工；工程水下拋石采用安裝有雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置的箱式深水定位拋投船進(jìn)行施工，拋投最深處近20m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量計(jì)算在平均水深14m情況下，每100m拋石耗時(shí)1.01小時(shí)，經(jīng)第三方水下檢測(cè)中心采用多波束測(cè)深系統(tǒng)全覆蓋掃測(cè)，斷面平均高程合格率和斷面頂寬合格率均為100%，單元工程測(cè)點(diǎn)合格率97.22%。經(jīng)測(cè)算分析，采用雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置的拋投施工比原有雙卷?yè)P(yáng)沉放系統(tǒng)施工效率提高近40%，人工減少50%。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)箱式深水定位拋投船沉箱沉放系統(tǒng)設(shè)備的研究，雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置和鏈條沉放液壓鎖定裝置已獲得國(guó)家專利局實(shí)用新型專利授權(quán)。

采用雙向液壓驅(qū)動(dòng)裝置的箱式深水定位拋投船沉箱進(jìn)行水下拋石施工，特別是在深水區(qū)域和水流流速、流向復(fù)雜多變的區(qū)域施工，具有拋投精確、施工質(zhì)量保證，施工效率高，施工作業(yè)較為安全，在長(zhǎng)江等江河湖海拋石護(hù)岸工程施工中得到推廣和進(jìn)一步的應(yīng)用。