劉祥玉 ，韓時(shí)琳

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300457）

2003年以來(lái)，世界造船業(yè)進(jìn)入高峰時(shí)期。我國(guó)造船業(yè)的快速發(fā)展，也促進(jìn)了造船新工藝及下水新工藝的應(yīng)用與推廣。船舶利用氣囊下水是一項(xiàng)值得推廣的新工藝，成為目前頗具靈活性的柔性下水技術(shù)，具有投資少、見(jiàn)效快、施工簡(jiǎn)單、安全可靠、下水操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。初期船舶采用氣囊下水工藝僅能適應(yīng)于小型船舶，如今最大船型已達(dá)5 萬(wàn) t。

中國(guó)神飛集團(tuán)榮成船舶制造基地船廠(chǎng)一期設(shè)計(jì)1.5萬(wàn)、2.5萬(wàn)、3.5萬(wàn)噸級(jí)氣囊下水式船臺(tái)各1座，現(xiàn)均已投產(chǎn)使用。

1 工程概述

榮成市神飛船舶制造基地位于山東榮成市石島灣，是一個(gè)具有現(xiàn)代造船設(shè)施、具備先進(jìn)造船技術(shù)的船舶制造基地?；匕秆b碼頭長(zhǎng)660 m（二期擴(kuò)建950 m），3座氣囊式下水船臺(tái)（1.5萬(wàn)～3.5萬(wàn)噸級(jí)），1座5萬(wàn)噸級(jí)滑板船臺(tái)滑道，1座10萬(wàn)噸級(jí)干船塢及廠(chǎng)房、車(chē)間、總組及舾裝場(chǎng)等陸域設(shè)施。3座氣囊船臺(tái)位于船廠(chǎng)現(xiàn)有陸域的南部，面向石島灣，西側(cè)為舾裝碼頭區(qū)，東側(cè)為5萬(wàn)噸級(jí)滑板船臺(tái)滑道。3座氣囊船臺(tái)自2008年正式投產(chǎn)以來(lái)已陸續(xù)完成10多條船舶生產(chǎn)任務(wù)，目前無(wú)明顯沉降，使用狀況良好。

2 設(shè)計(jì)資料

2.1 設(shè)計(jì)水位

高程系以石島當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面起算（位于1985國(guó)家高程系以下169 cm）。設(shè)計(jì)特征值如下。

極端高水位：381 cm

設(shè)計(jì)高水位：281 cm

設(shè)計(jì)低水位：41 cm

極端低水位：-83 cm

當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫妫?72 cm

船舶下水水位：230 cm

下水水位持續(xù)時(shí)間：2 h

2.2 工程地質(zhì)

工程區(qū)勘察深度范圍鉆至中風(fēng)化，根據(jù)該區(qū)標(biāo)準(zhǔn)地層劃分為5個(gè)主層，8個(gè)亞層（見(jiàn)圖1），其中：

圖1 地質(zhì)剖面圖

第①1層為塊石；第②層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第②1層為黏質(zhì)粉土，第②2層為粉砂，第②3層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，第②4層為砂質(zhì)粉土；第③層為粉質(zhì)黏土，第③2層為中砂，第⑤層為中粗砂，第⑤1層為粗礫砂；第⑦層為強(qiáng)風(fēng)化片麻狀含黑云二長(zhǎng)花崗巖；第⑧層為中風(fēng)化片麻狀含黑云二長(zhǎng)花崗巖。

2.3 設(shè)計(jì)船型

設(shè)計(jì)船型主尺度詳見(jiàn)表1。

表1 三種船型設(shè)計(jì)主尺度

3 船臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 總平面布置

3座氣囊下水船臺(tái)平面布置詳見(jiàn)圖2。

1.5萬(wàn)、2.5萬(wàn)、3.5萬(wàn)噸級(jí)氣囊下水式船臺(tái)縱向水平總長(zhǎng)度分別為196 m、228 m、252 m，其中船臺(tái)區(qū)長(zhǎng)度為160 m、192 m、216 m，縱向坡度為1∶80；3個(gè)船臺(tái)的變坡區(qū)長(zhǎng)度均為36 m，又分為2個(gè)變坡段，中間有1個(gè)圓弧連接段，變坡段水平長(zhǎng)度分別為21 m、2.036 m、12.964 m，縱向坡度分別為1∶35、1∶15。3個(gè)船臺(tái)分別設(shè)100 t（軌距29 m），130 t（軌距33 m），150 t（軌距46 m）3種門(mén)機(jī)。

船臺(tái)末端停泊水域長(zhǎng)480 m、寬290 m，底標(biāo)高為-6.7 m。西側(cè)與舾裝碼頭航道之間的連接水域底標(biāo)高為-5.2 m。

船臺(tái)控制點(diǎn)里程及頂標(biāo)高詳見(jiàn)表2。

表2 船臺(tái)控制點(diǎn)里程

3.2 船臺(tái)工藝荷載

3.2.1 支墩荷載

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，本設(shè)計(jì)對(duì)于15000 DWT、25000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線(xiàn)方向橫向布設(shè)5排，中墩1排，邊墩4排，縱向墩間距3 m；對(duì)于35000 DWT船舶，支墩沿平行于縱軸線(xiàn)方向橫向布設(shè)7排，中墩1排，邊墩6排，縱向墩間距3.5 m。設(shè)計(jì)支墩荷載見(jiàn)表3所示。

3.2.2 流動(dòng)荷載

1）25 t平板掛車(chē)。

2）龍門(mén)式起重機(jī)荷載：100 t、130 t、150 t龍門(mén)式起重機(jī)。具體荷載參數(shù)由設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家提供。

3.2.3 出運(yùn)氣囊荷載

表3 設(shè)計(jì)支墩尺寸與荷載

出運(yùn)氣囊采用超高壓氣囊，氣囊縱向間距同龍骨墩間距為3 m（3.5 m），船臺(tái)每米氣囊體最大設(shè)計(jì)受力荷載如下，

平移階段：200 kN/m；下水階段：510 kN/m。

船體下水由專(zhuān)業(yè)氣囊出運(yùn)公司負(fù)責(zé)，因此針對(duì)不同的船型，氣囊出運(yùn)公司設(shè)計(jì)出相應(yīng)的出運(yùn)下水工藝和每根氣囊的長(zhǎng)度。

3.3 船臺(tái)結(jié)構(gòu)

船臺(tái)橫斷面參見(jiàn)圖3。

船臺(tái)地基采用拋石換填處理。陸上船臺(tái)區(qū)對(duì)已回填開(kāi)山石（土）基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)夯處理。強(qiáng)夯單擊夯擊能參數(shù)取4000～8000 kJ，施工中強(qiáng)夯最后兩擊的平均夯沉量的控制值為：軌道梁底不大于10 cm，其余區(qū)域不大于15 cm，地基承載力不小于300 kPa，強(qiáng)夯后補(bǔ)料滿(mǎn)夯單擊夯擊能為1000 kJ?；A(chǔ)滿(mǎn)夯后拋填碎石、二片石墊層，并采用18 t震動(dòng)壓路機(jī)碾壓密實(shí)。

船臺(tái)陸上段底板為現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板結(jié)構(gòu)；水下段底板采用預(yù)制安裝鋼筋混凝土面板結(jié)構(gòu)，基床要求做到極細(xì)平，高程允許偏差±20 mm；船臺(tái)末端為方塊直立岸壁。

4 氣囊下水工藝設(shè)計(jì)

1）氣囊船臺(tái)利用滾動(dòng)氣囊移動(dòng)船舶。氣囊與混凝土船臺(tái)面摩擦系數(shù)通常為0.01，氣囊船臺(tái)的下水臨界坡度為1∶100，當(dāng)坡度為1∶80時(shí)船體能自動(dòng)下滑，順利入水。

氣囊船臺(tái)支墩高度由于氣囊要求，一般控制最大高度為0.8 m，這是氣囊下水的特點(diǎn)。根據(jù)船型大小，設(shè)計(jì)選用高壓氣囊或超高壓氣囊，氣囊直徑一般為φ1.2～3.0 m。對(duì)于3.5萬(wàn)噸級(jí)船體下水，采用兩種組合規(guī)格：φ1.2 m，工作壓力0.25 MPa，試驗(yàn)壓力0.325 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%；φ1.8 m，工作壓力0.167 MPa，試驗(yàn)壓力0.217 MPa，工作高度最大可壓縮為氣囊直徑的30%。

在船舶下水前采用鋼絲繩倒拉固定，其中1號(hào)船臺(tái)于首部設(shè)2個(gè)500 kN地牛；2號(hào)船臺(tái)于首部設(shè)2個(gè)500 kN地牛；3號(hào)船臺(tái)于首部設(shè)2個(gè)750 kN地牛。下水時(shí)，切斷鋼絲繩，船體將緩慢自由下水。

2）將氣囊按設(shè)計(jì)間距及位置從船艉到船艏依次進(jìn)行布置。船艏段呈尖狀，如布置氣囊則接觸面積太小，其受力分配傳遞面積小。同時(shí)鑒于船艏段初始受力小，并作為初始狀態(tài)控制導(dǎo)向，船艏端約（1/5）LP段不布置氣囊，船體仍擱置在支墩上。

3）將船舶與船臺(tái)頂端的卷?yè)P(yáng)機(jī)通過(guò)滑輪組進(jìn)行有效的連接并予以拉緊。

4）按操作工藝程序分別對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，一次充氣壓力不宜過(guò)高，充氣操作應(yīng)按照從艉至艏的順序進(jìn)行；分別充氣并隨時(shí)檢查氣囊壓力，有針對(duì)性的充氣和調(diào)整氣囊的壓力及工作高度，以至將氣囊上船體完全抬起；待船底高于支墩50 mm左右時(shí)進(jìn)行首次撤墩操作。

5）撤墩前應(yīng)對(duì)氣囊的壓力、工作高度進(jìn)行檢查，待檢查確認(rèn)氣囊布置及工作壓力、高度等各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，且確認(rèn)安全無(wú)誤時(shí)方可進(jìn)行撤墩。撤墩應(yīng)按照先撤中墩，再撤邊墩，由里而外的順序進(jìn)行，首先撤除最末端氣囊至船艉的所有中墩與邊墩。撤墩結(jié)束后應(yīng)對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行清理，清除障礙物及所有雜物，以免影響氣囊滾動(dòng)或扎傷氣囊（參見(jiàn)圖4）。

圖4 撤墩后船體坐落在氣囊上

6）吊走擋水閘門(mén)并用沙袋填平擋水閘門(mén)門(mén)槽。

7）調(diào)整氣囊壓力，要求船艉部分氣囊壓力控制在設(shè)計(jì)壓力，使船艏無(wú)氣囊部分仍坐于船臺(tái)墩上。

8）當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)下水水位時(shí)，切斷鋼絲繩，船體靠重力自由滑入水中（見(jiàn)圖5），然后由拖輪拖至舾裝碼頭靠泊。

圖5 船體靠重力自由滑入水中二

5 氣囊下水船臺(tái)主要特點(diǎn)

5.1 下水方式

氣囊下水船臺(tái)與傳統(tǒng)滑道下水方式不同，前者為隨著船體的縱移，當(dāng)重心位于船臺(tái)線(xiàn)以外時(shí)產(chǎn)生小幅度艉跌落方式入水，即依靠自重下水；后者為逐漸艉浮平緩入水方式。氣囊船臺(tái)末端標(biāo)高比傳統(tǒng)滑道末端標(biāo)高高，因此船臺(tái)縱向長(zhǎng)度短，建設(shè)周期短，投產(chǎn)快，工程造價(jià)低。

5.2 船臺(tái)功能及下水船舶噸級(jí)

氣囊下水船臺(tái)一般是用于造船，不用于修船，目前最大可以滿(mǎn)足5萬(wàn)噸級(jí)船舶下水。

5.3 船臺(tái)長(zhǎng)度及坡度設(shè)計(jì)

需結(jié)合氣囊規(guī)格及壓力，針對(duì)不同船型進(jìn)行過(guò)程分析，計(jì)算氣囊滾動(dòng)距離、壓縮高度、船臺(tái)不同受力段，確定船臺(tái)坡度及不同變坡段長(zhǎng)度。船臺(tái)區(qū)縱向坡度一般為1∶60～1∶80，不能緩于 1∶100。

氣囊下水船臺(tái)為變坡度設(shè)計(jì)，使船艉盡快產(chǎn)生較大浮力。但坡度不宜變化太大，否則造成船艏脫離氣囊段太長(zhǎng)，影響船體剛度，同時(shí)船艉氣囊易爆裂。船臺(tái)變坡度區(qū)長(zhǎng)度也不易過(guò)長(zhǎng)，如果太長(zhǎng)，隨著船體與氣囊的同步縱移，船艏因缺乏氣囊擱淺船臺(tái)；如果太短船艉過(guò)早跌落，易發(fā)生艉跌現(xiàn)象。變坡度區(qū)長(zhǎng)度宜控制在40 m以?xún)?nèi)，一般船型越小長(zhǎng)度越短，最小控制長(zhǎng)度為25 m。

5.4 氣囊下水關(guān)鍵點(diǎn)

氣囊下水的關(guān)鍵是控制標(biāo)高。船艉垂線(xiàn)對(duì)應(yīng)底板頂標(biāo)高宜取為設(shè)計(jì)下水水位（當(dāng)船臺(tái)尾部設(shè)有擋水門(mén)時(shí)）。

5.5 氣囊下水時(shí)間

從切斷船艏鋼絲繩至船體離開(kāi)船臺(tái)平穩(wěn)入水所需時(shí)間與船臺(tái)坡度和船舶在船臺(tái)上的初始位置有關(guān)。如坡度設(shè)計(jì)合理且船舶距水面初始距離較短時(shí)，整個(gè)過(guò)程一般不超過(guò)3 min。

5.6 氣囊的浮托作用

在船體下水過(guò)程中，將有大量氣囊滾落入水，聚集在船臺(tái)前沿水域，對(duì)船艏產(chǎn)生很大的浮托作用，便于船體平穩(wěn)入水。

5.7 不同氣囊船臺(tái)的比較

不同氣囊船臺(tái)的比較見(jiàn)表4。

表4 常規(guī)氣囊船臺(tái)與半塢式氣囊船臺(tái)比較

6 氣囊下水應(yīng)注意的問(wèn)題

通過(guò)船舶采用氣囊下水工藝的若干實(shí)例，總結(jié)以下幾點(diǎn)，供使用者參考。

1）船臺(tái)如無(wú)正規(guī)設(shè)計(jì)，土法施工上馬，船臺(tái)本身存在重大質(zhì)量缺陷，船舶下水也存在著很大風(fēng)險(xiǎn)。

2）氣囊沿船寬擱置長(zhǎng)度不夠，一旦船體縱移偏離軸線(xiàn)，造成船體懸空，嚴(yán)重偏離方向，氣囊爆裂，船體失控。

3）擱置氣囊不垂直于船臺(tái)縱軸線(xiàn)，船體下滑過(guò)程中，造成氣囊扭曲疊合不能滾動(dòng)，船體不能正?？v移。

4）船臺(tái)坡度過(guò)渡不合理，船體縱移過(guò)程中，船艏嚴(yán)重脫離氣囊，造成重心失穩(wěn)或產(chǎn)生船體變形。

5）下水段過(guò)短，艉跌落太快，重心失穩(wěn)，船艉插入泥中。

6）下水段太長(zhǎng)，船體運(yùn)移過(guò)程中，船艏及船舯段無(wú)氣囊支撐，因重心失穩(wěn)，船艏擱置在船臺(tái)上。

7）船臺(tái)面清掃雜物不干凈，存在尖銳器物，或局部高差大于5 cm，容易造成氣囊爆裂。一旦部分氣囊爆裂，其余氣囊因承載力不夠，造成連環(huán)爆裂，船體擱置船臺(tái)。

[1]GB/T 3837-1998，船舶用氣囊上排、下水工藝要求[S].

[2]GB/T 3795-1996，船舶上排、下水用氣囊[S].

[3]CB/T 8502-2005，縱向傾斜船臺(tái)及滑道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].