大潮差接船工藝的研究與應(yīng)用*

陳慶為 黃國慶 吳 釗

1交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究所 北京 100088 2港口物流裝備與控制工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

3廈門港務(wù)控股集團(tuán)有限公司 廈門 361013

0 引言

客滾作業(yè)和郵輪作業(yè)具有提供旅客服務(wù)的共性，港口通常會將二者規(guī)劃在同一碼頭區(qū)域，便于集中作業(yè)、集中管理。然而隨著業(yè)務(wù)需求快速增長，也會將郵輪與客滾作業(yè)功能區(qū)進(jìn)行重新劃分，減少2種作業(yè)之間的相互干擾，為升級改造裝備、提高服務(wù)水平、業(yè)務(wù)做專做精創(chuàng)造條件。本文所述廈門某碼頭泊位改造工程，為滿足22萬t郵輪靠泊與3艘中型郵輪同時靠泊的要求，將原0號客滾泊位改造為15萬噸級專業(yè)郵輪泊位，1～2號泊位改建為10萬噸級專業(yè)郵輪泊位；同時優(yōu)化對臺客滾作業(yè)，將定期航班客滾船遷移至2號泊位作業(yè)。遷移后靠泊條件發(fā)生變化，無法采用艉直跳板作業(yè)，改造項(xiàng)目的難點(diǎn)為既能實(shí)現(xiàn)使用側(cè)跳板進(jìn)行大潮差、全天候高效安全作業(yè)，同時又不影響郵輪靠泊。

兼顧碼頭前沿布置和遷移后的泊位周邊通行要求，本文研究了大水位差條件下采用艏側(cè)跳板進(jìn)行全天候滾裝作業(yè)的可行性，提出了一種新的客滾船接船工藝和接船升降平臺，為該客滾船遷移作業(yè)給出了針對性的解決方案。

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 設(shè)計(jì)水位及波浪條件

依據(jù)附近潮位站近20年極值高低潮位統(tǒng)計(jì)資料，工程設(shè)計(jì)高水位為6.15 m （高潮累計(jì)頻率10%），設(shè)計(jì)低水位為0.72 m （低潮累計(jì)頻率90%），極端高水位為7.46 m （50年一遇的高潮位），極端低水位為-0.19 m （50年一遇的低潮位）。工程所在地附近海域?yàn)槟媳弊呦?、半封閉狹長形海灣，受廈門島、鼓浪嶼等島嶼的屏障作用，外海大浪很難進(jìn)入該海域，船舶靠離泊、系泊和作業(yè)主要受外海潮波、漲落潮流以及過往船只影響。

1.2 目標(biāo)船型

目標(biāo)滾裝裝船從2009年9月份開始執(zhí)行廈門對臺直航，是服務(wù)海峽兩岸三通的定期班輪，其船舶安全、作業(yè)安全、在港時間和作業(yè)效率都要求得到可靠保障。該船有3個車輛進(jìn)出通道，分別為艏側(cè)跳板、艉側(cè)跳板和艉直跳板?？团摽谠谟蚁?，也可通過搭接船艉旅客甲板上下客。該船改造前定期靠泊0號泊位，右舷靠岸采用位置跳板搭接滾裝橋和旅客登船橋作業(yè)。

2 工藝方案

2.1 方案可行性論證

在艏側(cè)跳板、艉側(cè)跳板和艉直跳板的作業(yè)方案中，如繼續(xù)采用艉直跳板作業(yè)，則配套的滾裝連接橋只能布置在碼頭另一端；此時該滾裝船需要采用左舷靠泊，其艏側(cè)跳板、艉側(cè)跳板所在右舷靠海將無法工作，失去乘潮同時作業(yè)提高效率的靈活性，也無法在艉直跳板故障時提供應(yīng)急作業(yè)。當(dāng)采用側(cè)跳板作業(yè)時，由于碼頭前沿寬度較窄，設(shè)置垂岸坡道或垂岸滾裝連接橋均無法滿足滾裝作業(yè)通行坡度要求和預(yù)留消防通道要求，且對碼頭現(xiàn)有水工結(jié)構(gòu)的破壞較嚴(yán)重。

1）艉直跳板

該方案配套條件是改為左舷靠泊，在碼頭端部新建滾裝連接橋；其優(yōu)點(diǎn)是維持原有作業(yè)模式，艙內(nèi)貨物擺放和上下船交通組織不變；缺點(diǎn)是靠泊前需先掉頭，突出泊位的建筑物影響靠泊安全，側(cè)跳板失去作用。

2）艉側(cè)跳板

該方案配套條件是現(xiàn)有碼頭面；其優(yōu)點(diǎn)是無需改變現(xiàn)有碼頭條件，投資小；缺點(diǎn)是只能乘潮作業(yè)，作業(yè)效率低，生產(chǎn)調(diào)度受潮水條件制約。

3）艏側(cè)跳板

該方案配套條件是新建升降平臺和可調(diào)節(jié)坡道；其優(yōu)點(diǎn)是滿足24 h作業(yè)，裝卸效率高，艉側(cè)跳板可作為應(yīng)急備用；缺點(diǎn)是需要對碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，垂岸布置時無法滿足滾裝作業(yè)通行坡度和預(yù)留消防通道的要求。

通過對比以上方案，綜合現(xiàn)有各方案優(yōu)缺點(diǎn)，最終提出1種新型的接船工藝方案，即艏側(cè)跳板接船升降平臺方案（見圖1）。該方案采取艏側(cè)跳板搭接升降平臺，與順岸布置的滾裝橋形成滾裝作業(yè)主通道，采用艉側(cè)跳板直接搭接碼頭面乘潮作業(yè)作為輔助通道，采用移動式垂岸登船橋作為旅客上下船專用通道。艏側(cè)跳板接船升降平臺方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

圖1 艏側(cè)跳板接船作業(yè)工藝方案

1）滿足滾裝船大潮差條件下24 h作業(yè)；

2）保留了右舷客艙口和艉側(cè)跳板作業(yè)功能，增強(qiáng)了作業(yè)靈活性和整體可靠性；

3）采用的機(jī)械式可調(diào)節(jié)升降平臺和移動式垂岸登船橋都具備適應(yīng)潮水變化調(diào)節(jié)接船高度的功能，使旅客和貨物上下船通道都應(yīng)能全程與船舶無縫銜接；

4）工藝設(shè)備采用碼頭內(nèi)置式布置，使岸線長度得到充分利用，不影響郵輪靠泊；

5）碼頭內(nèi)順岸布置滾裝橋，占用前沿寬度小，不影響碼頭交通組織。

2.2 確定接船高度范圍

艏側(cè)跳板艙門高度：空載距離水線3.9 m，滿載距離水線3.2 m，碼頭面高程為7.5 m。該跳板由主板、副板和翼板3節(jié)組成，其中主板工作角度為-4.22°～+6.0°；艙門高于碼頭面時，副板工作角度與主板一致，低于碼頭面時，副板角度可調(diào)節(jié)；翼板與碼頭面直接接觸，固定角度為-6.0°；根據(jù)JTS 165-6—2008《滾裝碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，車輛接岸設(shè)施工作狀態(tài)的縱向坡度不宜大于1:10。在上述約束條件下，確定并優(yōu)化接船高度范圍和升降平臺工作位置如圖2所示。

圖2 升降平臺接船高度范圍和工作位置圖

由表1可知，通過為升降平臺設(shè)置3級工作位置，在滿足工作角度和車輛通過能力要求的條件下，接船高度范圍可以完全覆蓋設(shè)計(jì)潮差范圍。并且，平臺在各工位可覆蓋的水位高度存在重疊范圍，有利于根據(jù)作業(yè)開始時的潮位選擇合適工位，進(jìn)而減少工位調(diào)整次數(shù)。考慮到工況4和工況6情況下，跳板和滾裝橋均向下搭接升降平臺，實(shí)際作業(yè)時應(yīng)盡量在工況4對應(yīng)水位下搭接平臺高工位、工況6對應(yīng)水位下搭接平臺低工位，避免掛車前輪懸空和尾部托底。

表1 船舶狀態(tài)、水位及升降平臺對應(yīng)工作策略

3 關(guān)鍵技術(shù)

艏側(cè)跳板搭接內(nèi)置式接船升降平臺方案是一種融合多種滾裝作業(yè)工藝優(yōu)勢的創(chuàng)新工藝，與常規(guī)的側(cè)跳板搭接固定坡道的工藝相比，可主動調(diào)節(jié)高度，能覆蓋大水位差，提高作業(yè)效率的優(yōu)勢；與傳統(tǒng)直跳板搭接滾裝橋工藝相比，設(shè)置于碼頭內(nèi)，無突出碼頭的水工建筑物，不影響其他船舶靠泊，有利于提高泊位利用率。為實(shí)現(xiàn)該接船工藝并獲得最佳效果，設(shè)計(jì)中從人車分流安全接船、大潮差升降平臺的調(diào)整和鎖定以及碼頭改造量控制等方面進(jìn)行了技術(shù)優(yōu)化。

3.1 人車分流安全接船技術(shù)

通過垂岸式登船橋前端搭接客滾船艙口，后端對接架空固定廊道，可實(shí)現(xiàn)人車分流，保證旅客登離船和貨物裝載互不干擾。當(dāng)船舶發(fā)生縱移、橫傾或橫搖時，登船橋可調(diào)整大車行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、通道伸縮機(jī)構(gòu)以及渡板的俯仰和水平擺動，以便隨動適應(yīng)客滾船艙口位置變動。該工藝可在大潮差條件下實(shí)現(xiàn)登船橋全天候與船舶客艙口對接，同時保證旅客通道始終處于合適的坡度，確保旅客全程無障礙通行，大大提高了作業(yè)安全和效率。

3.2 大潮差接船升降平臺技術(shù)

如圖3所示，在碼頭前沿設(shè)置內(nèi)置式接船升降平臺，平臺距離水面和碼頭面的高度可以調(diào)節(jié)，保證不同水位下客滾船艏側(cè)跳板的搭接始終處于合適的角度。升降平臺后方連接一個順岸布置的滾裝橋板，使升降平臺與碼頭面之間始終保持合理的可調(diào)節(jié)坡道。車輛通過艏側(cè)跳板斜向進(jìn)入升降平臺后，轉(zhuǎn)彎進(jìn)入順岸滾裝橋板至碼頭面。

圖3 接船升降平臺方案及模型

根據(jù)潮差特點(diǎn)和艏側(cè)跳板使用參數(shù)，升降平臺設(shè)置了3個工作位置。通過卷揚(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平臺升降，實(shí)現(xiàn)平臺在不同工作位置之間的切換。設(shè)置編碼器和鋼絲繩張緊裝置控制起升高度，并根據(jù)差值調(diào)整不同的鋼絲繩的長度，確保平臺在升降過程中保持水平。滾裝橋遠(yuǎn)端設(shè)置固定鉸座，近端與升降平臺采用滑動鉸接，隨平臺同時升降。當(dāng)平臺到達(dá)預(yù)定工作位置時，利用鎖緊機(jī)構(gòu)將平臺鎖定在岸壁上預(yù)留的鎖緊孔中。

3.3 碼頭結(jié)構(gòu)改造優(yōu)化技術(shù)

為了滿足內(nèi)置式升降平臺和順岸滾裝橋板的工作條件，需要在碼頭開槽，并結(jié)合升降平臺的工作范圍和滾裝橋板的變幅范圍確定碼頭結(jié)構(gòu)的改造工作量。

升降平臺和滾裝橋板的設(shè)計(jì)需要在跳板作業(yè)條件、車輛轉(zhuǎn)彎半徑、接近角和離去角限制、通道坡度限制以及行駛安全余量等約束條件下根據(jù)車輛運(yùn)行軌跡包絡(luò)線進(jìn)行優(yōu)化。圖4為經(jīng)過模擬仿真計(jì)算得出的極限位置車輛運(yùn)行軌跡，圖5為升降平臺3級接船工作位置示意圖。在實(shí)際操作中，同時考慮潮位和船舶吃水變化特點(diǎn)，結(jié)合切換工作位置所需的調(diào)整時間，確定船岸協(xié)同切換工位的判定指標(biāo)的閾值，即可制定可靠的接船策略。

圖4 滾裝車輛運(yùn)行軌跡

圖5 升降平臺3級接船工作位置示意圖

通過對接船最低高度的合理確定、車輛運(yùn)行軌跡的包絡(luò)線計(jì)算以及對安全余量的確定，結(jié)合現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，最終將開槽深度和范圍控制在滿足需求的最小合理范圍內(nèi)（見圖6），減少了對原有結(jié)構(gòu)的破壞，降低了對碼頭結(jié)構(gòu)安全的影響。

圖6 碼頭結(jié)構(gòu)開槽改造方案

4 實(shí)際應(yīng)用情況

當(dāng)客滾作業(yè)遷移泊位后，在郵輪靠泊期間客滾船旅客不必等待，也無需下到地面依賴大巴擺渡，旅客無障礙通行體驗(yàn)良好?？蜐L作業(yè)與郵輪作業(yè)間互不干擾，從而徹底了實(shí)現(xiàn)人車分流（見圖7），安全性得到了保障。車輛上下船作業(yè)路徑得到進(jìn)一步優(yōu)化，作業(yè)效率得到提升。船舶靠泊方案具有了更多組合選擇，泊位利用率和調(diào)度靈活性大大提高。

圖7 客滾船人車分流作業(yè)

5 結(jié)語

廈門某碼頭泊位的改造對碼頭原有功能進(jìn)行了再次分割和優(yōu)化整理，是從過渡時期的混合作業(yè)向?qū)I(yè)化發(fā)展的必經(jīng)過程。通過利用新的接船工藝，優(yōu)化了作業(yè)流程和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)關(guān)系，釋放了原來約束業(yè)務(wù)集中發(fā)展的條件，使碼頭資源得到最大程度的利用，獲得了良好的效果。采用的艏側(cè)跳板接船升降平臺工藝的主要突出優(yōu)勢在于采用人車分流作業(yè)工藝，解決了客滾船人車混行不安全或先后下車效率低的問題；全程無障礙旅客通道可自動調(diào)節(jié)坡度，為攜帶大件行李和殘障旅客提供了更加人性化的服務(wù)；可調(diào)節(jié)升降平臺和順岸滾裝橋組合布置，滿足了大潮差條件下客滾船用側(cè)跳板全天候高效安全作業(yè)的需求；內(nèi)置式接船設(shè)施布置，不影響其他船舶靠泊，有利于泊位岸線得到充分利用。

新工藝及新型接船升降平臺設(shè)施的投入使用，有效保障了對臺直航客滾運(yùn)輸，同時也解決了泊位利用難題，幫助實(shí)現(xiàn)了改造工程的預(yù)定目標(biāo)。該工藝及其成功實(shí)踐案例，可為類似碼頭改造工程提供參考。