万吨级船舶气囊上、下水船台改造总体设计方案
（初步设计）
概述：
中交一航局第五工程有限公司为满足本公司用船及适应造船市场需要，扩大自身修造船能力，拟在中交一航局第五工程有限公司所属的第一预制场地的预制件下水滑道区域投建一座气囊船台进行自重2500吨以下驳船、半潜驳等工程船上排修理及万吨级散货船的建造下水。就该场地修理、建造的万吨级船舶气囊上排、下水船台进行方案论证、设计、技术咨询和船舶下水服务。经前期双方对现场考察、论证，方案可行。现就气囊船台的可行性和设计方案进行初步的论证。论证结果及船台参数经方案评审后可作为下一步船台基础结构施工方案设计的依据。
一、 船台设计资料
中交一航局第五工程有限公司提供的船台区域规划图、场地平面图及港池水深测量数据、2009年度秦皇岛港潮汐表和4000吨举力半潜驳船、5000HP拖轮等型船的主要船型资料。
1.场地尺度及地貌：
拟建船台位于中交一航局第五工程有限公司所属的第一预制场地，原有预制件下水滑道，坡度为1/40,滑道东侧为预制件施工平台和简易平房。船台区海域为500×200米的港湾，港湾东侧为一海军码头。
2.地质及水文情况：
拟建的船台区的船台中心线基本为东北—西南朝向（约呈45度角），船台区域原为混凝土预制件下水的坡道，其原坡道的坡度为1/40，地质结构基础相对比较适合于船台建设施工，海底地势比较平坦，陆域场地（规划大件制作区域）的标高基本在3.35米左右，船台区港池内海底标深基本在-4.5米-5.0米之间，能够满足万吨级船舶气囊下水作业要求。
海域底面也相对比较平缓，比较有利于气囊船台的设计与施工。从提供的水文资料看，秦皇岛港湾潮流基本属于正规半日潮流，浅水分潮流不明显，港湾内流速较小，全年风浪以南向风为主，波浪高度的统计均值为0.5米左右，且无明显季节性变化。对该区域的施工及船舶下水作业几乎没有太大影响。
2009年度秦皇岛港潮汐水位统计资料
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月
份
潮
位
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1
月
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2
月
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3
月
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4
月
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5
月
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6
月
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7
月
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8
月
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9
月
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10月
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11月
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12月
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平均高潮位（cm）
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108
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106
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111
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131
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146
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155
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163
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163
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152
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135
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125
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118
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平均低潮位（cm）
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18
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24
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32
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36
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42
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52
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60
|
63
|
61
|
52
|
35
|
20
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最高潮位
（cm）
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140
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134
|
136
|
165
|
180
|
170
|
193
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191
|
182
|
170
|
158
|
146
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最低潮位
（cm）
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-18
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－10
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6
|
13
|
14
|
17
|
23
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32
|
42
|
31
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15
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－2
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备注
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对以上水位统计数据进行分析得出以下结论：全年最高潮位为+1.93m, 全年最低潮位为-0.18米，潮差基本在1.3米—1.7米之间
拟建造的船台中心线基本呈东北—西南方向，为减少水下开挖的工程量，设计船台区多为回填区，水下坡道前沿到自然海底为陡坡的护堤，船台坡道末端以外港池的自然海底的水深均在-4.5米以下，能够满足万吨级船舶下水及设计任务书（技术协议）规定的船型的建造和修理的上、下水作业。港湾内水质较清，水流较为轻缓，基本无淤泥现象，有利于下水作业和水下基础的施工。
3.相关船型资料
根据中交一航局第五工程有限公司对万吨级船台的设计要求，对１．５万吨及以下级的货运船舶、工程船舶等船型资料进行了收集分析，目的是根据造船市场需求，确定拟建船台的工艺参数。其中共收集了２０余种船型资料，现对具有代表性的船型重点进行了统计、分析和比较，具体详见下表：
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船 型 名 称
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主 要 尺 度
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估计下水状态
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9000吨
多用途船
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LOA=100.5M；LPP=95.0M；B=20.4M；
D=11.10M；TPC=6.25M
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W≈3400T TF=1.0M
TA=3.3M
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12000吨
多用途船
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LOA=136.8M；LPP=128.0M；B=22.4M；
D=11.0M；TPC=7.8M
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W≈4000T TF=1.0M
TA=3.7M
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12000吨
油 轮
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LOA=134.85M；LPP=126.0M；B=22.0M；
D=10.60M；TPC=7.5M
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W≈4000T TF=0.8M
TA=3.7M
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12400吨
散货船
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LOA=135.0M；LPP=128.0M；B=22.6M；
D=8.60M；TPC=5.5M
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W≈3680T TF=0.8M
TA=3.8M
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16000吨
散货船
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LOA=134.85M；LPP=126.0M；B=23.1M；
D=13.50M；TPC=5M
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W≈5100T TF=0.8M
TA=4.3M
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2800M3开体自航泥驳
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Loa=95.60m B=18.0m
D=5.90m
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W≈1800T TF=0.64M
TA=2.68M
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3800 M3绞吸式挖泥船
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LOA=101.8M；B=18.2M；D=5.2M
T=3.5M
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W≈3500T TF=2.735M TA=2.344M
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5000HP拖轮
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LOA=57.5M；B=13.8M；D=5.5M
T=4.7M
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W≈1360T TF=3.47M
TA=2.77M
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4000吨举力半潜驳船
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LOA=58M；B=34M；D=4.6M
T=3.5M
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W≈2581T TF=1.13M
TA=1.755M
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8000DWT
散货船
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LOA=128.45M；B=16.5M；D=10.0M
T=3.5M
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W≈3327T TF=0.6M
TA=2.65M
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各类船舶船型资料统计表
二、 拟建的气囊船台的主要参数
根据中交一航局第五工程有限公司目前所提供的资料进行计算、分析，初步设计确定拟建气囊船台的主要参数和性能。
1. 主要尺度：
船台总长度：L≈204米（较机械化滑道式船台缩短约100米）
船台宽度：B=41米 （门式吊轨距45米）船台净宽度约为43米。
船台区域（直坡段）长度：LZ=150米（能够满足万吨级船舶的建造）；坡度：K=1/55 ；顶部标高：+3.35M（基本为原规划设计的地面标高）；末端标高：+ 0.623 M。
入水坡段长度LB≈54.35米，坡度KB=1/15，末端标高：-3.0米（基于满足5000HP拖轮的建造下水的水深要求）。
船台水下坡道末段设置堆砌石块的护坡，外延为自然海底，其标深应不大于-4.5米，以保证船台区域的港池水深能够满足万吨级船舶的下水作业。
具体参见方案的船台示意图。
2. 船台区域布置：
（1）中心线标记预埋件、拉桩、起重、动力设施的配套设计按常规船台设计方案进行。
（2）地牛基础及卷扬机负荷：
按气囊下水工艺要求，为保证起墩及气囊调整时的安全，做到对船舶落座气囊后的有效控制，设计分别于船台顶端的船台主中心线处设置一组许用拉力负荷为150TF的带双拉环的地牛基础，在主中心线两侧的相距中心线10米处各设置一个负荷为80吨的单拉环地牛基础（拉环等附件，地牛的具体的结构形式、施工要求等，应由专业人员负责进行详细设计）。
牵引控制设备宜选用专业拉船绞车，一般应选用牵引负荷和速度稳定可靠的摩擦式牵引绞车，根据船台设计能力，选用型号为JMC-200型绞车一台，基本参数如下：
额定拉力：F=200KN（20吨） 贮绳量:L=1000M 绳速：V=11-12M/min
设计上排最大吨位的举力为4000吨的半潜驳上排作业时，由单台绞车通过滑轮组6倍率牵引即可满足上排牵引力要求。其它各类小型船舶的上排和万吨级船舶的下水控制也可通过单台绞车由滑轮组变倍率牵引完成，这样可提高牵引设备的利用率，降低设备投资。
3. 船台基础设计的强度要求：
A. 水上段船台（150米）：合拢区船台按一般船台设计负荷要求进行设计，应对目前现有场地的地质基础的承载能力进行核实，以便计算确定墩木的数量（主要根据船型资料中的空船重量分布情况及船厂条件、工艺水平、布墩数量、墩木形式等综合考虑），一般设计负荷为0.35-0.40MPa左右。
B. 气囊工作段（150米以下段）：设计承压：P≮0.18MPa；考虑到水下段施工复杂，气囊的水下工作段允许有不大于30mm不均匀的基础沉降，但预制板的上边缘应到钝角处理，坡道上表面不应有尖锐的突出物及杂物，以免伤及气囊。
4. 船台性能（上下排能力）：
船台建造完工后，可进行万吨级以下的多用途货船、化学品船、集装箱运输船、3500M3挖泥船、5000HP拖轮、半潜驳、甲板运输驳等船舶建造下水。还可以完成举力为40000吨的半潜驳、中小型挖泥船、打桩船的上排修理。
三、船台方案设计说明
1. 为节省工程投资费用，减少水下施工的难度和工作量，可调整施工进度和时间要求，先进行水上船台的简单改造施工建设，随后即可进行船台合拢。入水段建设可乘潮位较低时节进行水上或浅水区域的施工。这样可相对缩短周期。
2. 坡道的水下末端标高设计为-3米，可在施工过程中乘低潮水位进行水上或浅水条件下的施工，水下部分采取开挖、抛石整平，然后安放预制混凝土荷板的方法进行施工，以避免围堰施工周期长、工程量大的问题。
3. 为满足上排船舶水下定位需要，设计于船台两侧的岸边码头两侧，各设置负荷不少于5吨的电动绞盘一只，负荷不少于3吨的卷扬机一台，并于水下船台中心线两侧各40米，距码头100余米处抛设负荷不少于3吨的定位锚碇两只。
4.由于拖轮的“V”字形船底、重量集中、重心偏高、首吃水较大的船型特点，本船台设计无法兼顾4000HP以上的大马力拖轮的上排作业，经综合计算、分析，一是由于船底线形变化较大，重心较高，稳性较差，其上排的安全性受到很大影响，二是首部吃水过大，上排时气囊的布置操作难度较大，再者此类船上排作业需要水下坡道过长，大大提高了水下工程量，成本增加很大。综上原因，对技术性、经济性、安全性等因素综合考虑，建议此船台设计功能不考虑大马力拖轮的上排作业。
5.于标高为+0.623米处（船台末端）设置一简易挡水坞门，两侧设集水井。考虑到降低投资成本，也可以根据所造船舶的尺度在适当位置临时设置由沙包堆积而成的挡水墙，以保证高潮位时船台区域的正常作业施工。
6. 船台的设计作业乘潮水位（工作潮位）为+1.10米，上下排作业时间为全年的12个月份，下水几率控制在80%以上。
四、简明气囊下水方案及工艺程序
1.上排作业程序
a 对上排船舶进行安全性确认，卸去货物、液体压载及油水，调整船舶浮态无横倾（横倾角不大于一度）及无较大纵倾，将活动设备加以固定，确认浮态（重量、重心、首尾吃水等）、稳性等各安全因素均符合气囊上排要求时方可进行上排操作；
b 将气囊、墩架、牵引设备设施进行检查并确认完好后于相应位置备用；
c 将上排船只拖带至船台水下船台中心线的定位区域，由水下和岸边的四根定位缆通过定位牵引绞盘将船舶首尾呈“八”字形进行船舶定位；
d 将主拉绞车的牵引钢缆与船舶首部缆桩或牵引耳板进行有效的连接，并视情带紧；
e 在首部1/3船长范围内进行一定数量气囊的水下预布（具体应视船型不同进行具体确定预布气囊的位置及数量），预布气囊应作抽真空处理，以便于气囊沉入水下穿入船底；
f 待上排船舶准确定位后，开动绞车将船舶向岸边缓慢牵引至浅水区域，当首部船底临近搁浅时（应随时测定船首位置的水深及首部吃水，以防止船体搁浅而擦伤气囊），停止牵引，对气囊进行充气，待气囊充气至一定的工作高度（一般在300mm-500mm之间）时，再逐一对后面预布的气囊进行充气，过程中应注意观察气囊的充气状态，必要时要对船体进行牵引移位或调整、控制气囊的漂浮位移。
g 随着预布气囊的充气及船舶的上排牵引位移，适时从首部船底喂入（填入）气囊并充气，若尾部出现较大倾斜，也可在预布气囊的后部水下穿入气囊充气做以辅助支撑，以便有效的控制船体上排过程中的状态，在气囊和浮力的作用下，船体正常“漂浮”时，不断进行牵引、填入气囊并充气的重复过程；
h 待气囊将船体全部托起并露出水面时，检查并调整气囊的位置、工作高度、工作压力，气囊的工作高度一般控制在500mm-700mm之间，船台折角点处的气囊最少工作高度应不少于200mm，以防止船体搁浅和气囊压扁后囊壁贴合摩擦损坏；
i 待上述检查合格后，继续牵引船舶至预定船台位置，牵引过程中应不断观察气囊的布置情况，及时对气囊填入或调整。
j 船上排至预定位置后停止牵引，对气囊进行位置及压力的调整，通过调整各部位气囊的压力，使船体符合上排的设计状态（船底距船台地面高度H=800mm-850mm，船底龙骨线与地面平行）。待充气调整结束，船体停置稳定后，将墩架按照坐墩要求逐一填入，并用木楔放在墩架上平面与船底之间，用大锤将木楔打紧，各木楔的打紧程度应基本一致，以保证各墩架受力的均匀。
k 待墩架设置并检查确认有效支撑后，将气囊放气，放气过程应注意观察船体的坐墩情况，不应一次性放气。
l 待气囊完全放气后，将气囊移出船底并收回存放，放松卷扬机钢缆并拆除牵引，上排工作结束。
2 下水作业程序
待船舶坞内工程完工且确认检验合格后方可进行下水。准备工作：将气囊、牵引索具、充气设备设施运至现场待用。
a 气囊布置：按设计方案要求的间距及位置进行气囊的布置；
b 将船舶与船台顶端的地牛上的卷扬机钢缆通过拖钩进行有效的连接并予以带紧；
c 按操作工艺程序分别对气囊进行充气，一次充气压力不宜过高，可充至0.05-0.07 Mpa左右，充气操作应按照从尾至首的顺序进行；
d 继续分别充气并随时检查气囊压力，待气囊压力充至邻近起墩工作压力时，应根据具体方案要求，有针对性的充气和调整气囊的压力及工作高度，以至将船体完全抬起，待船底高于船墩50mm左右时进行撤墩操作。
e撤墩前应对气囊的压力、工作高度进行检查，气囊工作压力应符合方案设计要求，工作高度应基本一致。
f 待检查确认气囊布置及工作压力、高度等各项指标均符合要求且确认安全无误时方可进行撤墩。
g 撤墩应按照先撤龙骨墩，再撤边墩，由里而外的顺序进行。
h 撤墩结束后应对场地进行清理，清除障碍物及尖硬杂物，以免影响气囊滚动或扎伤气囊。
i 待检查工作到位且确认合格后进行下水，下水时船台的气囊工作场地上不应有人，以免伤及人员安全。
j由卷扬机控制和调整气囊的工作高度使船体缓慢向入水方向移动，移船过程中应注意调整气囊工作压力和工作高度的变化，使船体尾部安全移位至水面时，下水移船工作停止，进行全面的检查并调整气囊的工作压力和高度。检查完毕且认为正常时，下水操作将拖钩打开，船舶落座于气囊上靠自重下滑力使气囊滚动，将船舶移位入水。
k将下水船舶进行有效牵制、控制，收起气囊，下排工作结束。
五、相关设计的安全性计算分析
1. 气囊布置及承载力计算：
因目前万吨级散货船的资料提供不够详细，为说明问题，现以船型相近的1.2万吨多用途散货船为例，进行下水计算。
1.1气囊型号及承载力计算：
选直径1.5米，长度18米的气囊30只，布置间距S=3.5m左右。具体应由下水人员视现场的布墩情况进行具体的调整布置，尾部气囊间距可适当减少，间距在2.8-3米为宜。
1.1.1起墩状态的气囊承载力：
起墩高度：H=0.9m；
Q=π(D-H)/2 LP N k =3.14(1.5-0.9)/2×18×0.13×9.8×10×30×0.85=5508(吨)
起墩状态的气囊安全系数：K=5508/4164=1.32＞1.26（满足标准要求）
1.1.2下水状态的承载力：
气囊工作高度：H=0.5m
Q=π(D-H)/2 L·P·N=3.14(1.5-0.5)/2×18×0.13×9.8×10×30×0.85=9180吨)
下水状态的气囊安全系数：K=9180/4164=2.20＞1.26（满足标准要求）
1.2 牵引力估算
船台区移船的最大牵引力（按瞬间停滞状态时不计摩擦力计算）：
Fmax=W·sinarctgk =4164×sinarctg1/55 =75.69t
20吨卷扬机通过滑轮组4倍率（钢缆走四）牵引控制即可满足要求，移船速度为：v=12/4=3m/min，符合规范及安全操作规程的要求。
2 地牛基础负荷的确定
按上排最大船舶举力为4000吨的半潜驳上排为计算实例，进行牵引力的计算：Fmax=W·（sinarctgk+cosarctgkμ）≈140t
故选取中心地牛基础的负荷为150吨，两侧地牛基础负荷为80吨。
六、工程费用概算：
本方案设计由于缺乏目前水下段的资料，因此工程费用的预算仅能根据现场考察的直观情况和部分参数进行估算，估算结果仅供决策时参考，不能作为工程项目的实际结算依据。经初步估算，船台部分的基建工程费用概算为：270-300万元左右。
总之，采用气囊上下排船台方案前期投资可节省近40%-70%左右，因此，气囊上下排工艺方案是一项投资省、见效快、周期短的先进技术方案。预计船台建造工期2-3个月，较机械化船台滑道缩短周期2/3以上。
