譚 涌,徐明華,翁方勇

(1.浙江省嘉興市港航管理局，浙江 嘉興 314033；2.嘉興市金航船舶設計有限公司，浙江 嘉興 314033)

內河限制性航道多功能工程船開發(fā)設計

譚 涌1,徐明華2,翁方勇2

(1.浙江省嘉興市港航管理局，浙江 嘉興 314033；2.嘉興市金航船舶設計有限公司，浙江 嘉興 314033)

內河限制性航道建設與日常養(yǎng)護涉及多個施工環(huán)節(jié)，開發(fā)設計一種集多功能于一體的工程船，滿足開挖與疏浚，混凝土攪拌及輸送以及拋石砌岸，打樁等多種需求，并運用自動控制系統(tǒng)，提高自動控制能力、作業(yè)精度和作業(yè)效率。通過現(xiàn)場調研，在現(xiàn)有實船基礎上，在船型、工程機械、混凝土攪拌和輸送系統(tǒng)、起重設備、船舶推進以及自動化等方面進行選型、綜合對比，確定了目標方案，并進行了實用性對比研究。

內河；限制性航道；工程船；多功能

為促進浙江省內河航運事業(yè)的發(fā)展，浙江省將在2020年前新建湖嘉申線、京杭運河、杭平申線等一批限制性航道并改造升級一批，航道建設任務艱巨，日常航道養(yǎng)護的工程量日益增加。航道建設與養(yǎng)護工程是一項系統(tǒng)工程，包含河床挖掘、疏浚與岸壁的建設和維護兩大方面，涉及到圍堰、排水、挖掘、打樁、混凝土攪拌、岸壁砌石等多個施工環(huán)節(jié)。承擔航道施工的主要工程設備是航道工程船，為適應多個施工環(huán)節(jié)的施工需求，需要相應地配置挖泥船、打樁船、混凝土攪拌船以及起重船等多類專業(yè)工程船舶進行配套作業(yè)。文中以嘉興市港航管理局與嘉興市金航船舶設計有限公司共同開發(fā)的內河限制性航道多功能工程船為對象，介紹該工程船的開發(fā)與設計。

1 功能介紹

內河多功能航道工程船能將開挖、打樁、混凝土攪拌及輸送等多種功能于一體，并滿足以下需求。

1)內河航道護岸的建設、定期維護及搶修；

2)航道挖掘與疏浚；

3)對航道中的遇險船舶實施搶險與救助。

1.1 攪拌

多功能工程船上配備有抓斗起重機、生產物料輸送系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)，并設有各種物料的儲藏艙。混凝土攪拌機械的工作流程為抓斗起重機將沙、石料從輔助船上吊入本船中部的料斗艙，配料機根據(jù)所需的混凝土型號按比例地將沙、石調好后經過小的料斗倒入攪拌機的提升斗，經大傾角提升斗將配好的沙石倒入攪拌機；與此同時，通過水泥輸送泵按比例地將水泥從水泥艙送入攪拌機；然后通過水泵加入相應比例的水，使水泥、水、沙石按比例(質量比)混合在一起進行攪伴，生產混凝土，最后通過混凝土輸送泵將砼送至澆注施工現(xiàn)場。

1.2 打樁

使用抓斗起重機從輔助船上吊運木樁或水泥樁至指定位置，將挖機原配鏟斗或換成專用壓頭放置于木樁或水泥樁上方，利用液壓機構推壓斗柄，將大部分功率集中在鏟斗上進行施壓，從事壓樁作業(yè)?？梢赃m用于壓一般的木樁、混凝土方樁、鋼板樁。

1.3 開挖

將船舶駛入開挖點附近，使用位于船首的挖掘機對護岸進行挖掘工作。完成一個點的護岸挖掘后，沿護岸移動船舶至，至挖泥點，重復進行下一輪的挖泥作業(yè)。

挖掘機械還可實現(xiàn)水陸兩用。當在船上從事施工作業(yè)時，可將其鎖定于船舶甲板首部的固定區(qū)域進行相應的施工作業(yè)；由于下設履帶，也可通過設置在船首的活動跳板自駛至岸邊的陸地，在陸上進行砌岸和護岸所需的各種作業(yè)。

1.4 起重

船上配備抓斗起重機，起重能力為3.2 t?？捎糜诔袚a混凝土作業(yè)中的沙石料吊裝作業(yè)；也可作為獨立模塊，用于從輔助船上吊卸木樁或方樁至護岸作業(yè)的施工現(xiàn)場；或用于吊運裝載于擱淺或沉沒貨船上的貨物，對遇難船舶實施減載的搶險救助作業(yè)。

2 船舶主要技術參數(shù)

28 m多功能航道船舶主要技術參數(shù)如下。

總 長Loa28.12 m

水 線 長Lwl28.0 m

兩柱間長Lpp27.1 m

型 寬B8.6 m

型 深D2.5 m

設計吃水d1.2 m

排 水 量 △ 253. 14 t

方形系數(shù)Cb0.876

主機功率 162 kW

航 速 11 km/h

攪拌生產能力為25 m3/h，成品混凝土總量為5 t。

3 主要特點

3.1 船型和布置特點

28 m多功能航道工程船作業(yè)工況總布置圖見圖1。

受航道條件和船舶造價的制約，航道工程船本身的吃水和平面尺度均受限制；而為迎合多種功能的作業(yè)需求，船上又必須設置眾多而復雜的工程設備以及用于混凝土攪拌所需的散裝水泥和水的儲存艙室，對甲板面積、艙室布置等均有苛刻的要求；由于該船需在河道中進行挖泥、打樁等施工作業(yè)，對船舶穩(wěn)性和實現(xiàn)定位及微移作業(yè)等均有特殊要求；又因該船需承擔對遇險船只的應急救援任務，對其快速性和適應彎窄河段操縱能力的要求也較高。就船舶性能而言，這些要求本身往往是矛盾的，本著經濟實用、結構緊湊的原則，合理地確定船舶總體布置，優(yōu)化選取合理的尺度系數(shù)，滿足航道治理和維護等多種施工作業(yè)的綜合需求。

圖1 28 m 多功能航道工程船作業(yè)工況總布置

本項研究設計的內河多功能航道工程船是依靠其設置的挖掘機、混凝土攪拌和輸送設備以及起重機等多種工作機構來完成航道建設和維護施工的各種工作使命的，本著方便操作的原則，合理布局這些工作機械是多功能航道工程船總體布置研究設計的核心。

該船的船舶甲板的首部設置挖掘機械，中部區(qū)域設置混凝土攪拌及其輸送裝置；同時還設置有主要為攪拌機輸送沙石等原材料、吊運樁料且兼顧為擱淺遇險船舶實施減載脫淺的起重設備。在進行總體布置的研究設計中，充分考慮了這些工作機構的安裝位置、操作部位、動作幅度等多種因素。

操縱室是全船的控制中心，該船的駕駛室設置于船中區(qū)域，可以指揮與操縱多種工程作業(yè)。為保證多功能船有效地挖掘、打樁，安全地吊運和及時地進行救助作業(yè)，船上設置了定位設備，使本船在作業(yè)過程中，有足夠的穩(wěn)性及定位功能。因混凝土攪拌系統(tǒng)所需配備的水泥罐的容積和吊桿長度稍有不同，所占有的船舶甲板空間也有所區(qū)別，適用于使用簡易的混凝土攪拌系統(tǒng)。因受航道橋梁高度的限制，多功能航道工程船在航行時，需將攪拌設備拆除并放置到輔助船內；起重機吊臂也應處于放倒狀態(tài)，并禁止夜航。對于航道挖掘和疏浚作業(yè)，船上僅需設置挖機，即只需設置一個機械模塊，是一種最為簡單的作業(yè)工況；對于護岸施工作業(yè)，則需將3個機械模塊同時設置于船上，是最為復雜的作業(yè)工況，對總體布置的要求最為苛刻。

3.2 工程機械選型

對工程機械的選型原則是方便拆卸與組裝成相應的模塊。采用模塊式組裝方式，可實現(xiàn)一種模塊，多船應用，提高工程機械的使用效率，此外，當船舶處于調遣航行時，因橋梁高度對船上固定物的高度限制，需將裝置在船上的機械拆除并放置到配套的輔助船舶上。

3.2.1 挖掘和打樁設施的選型

本著一機多用的設計原則，在選型研究中，將挖掘和打樁設施合二為一，采用一套設施兼顧挖掘和打樁功能，承擔河床疏浚和岸壁施工和維護中的挖掘、打樁、拋石等多種作業(yè)需求，即組成第一個機械模塊。

該船選用可移動的SH360HD-5型履帶式挖掘機作為挖掘機械。這是一種陸用挖掘機械，挖掘機為鏟斗式，鏟斗容量為1.8 m3；最大卸載高度為7.23 m；最大挖掘深度為7.34 m；最大挖掘半徑為11.17 m；鏟斗挖掘力為229 kN。

使用這臺挖掘機，當用于應急及工程量不大的航道疏浚作業(yè)和岸壁施工的基坑開挖時，可使用挖機原配的鏟斗。當進行打樁作業(yè)時，可適用木樁、水泥樁、鋼板樁等。其中木樁的直徑一般為12～14 cm；混凝土方樁的為規(guī)格25 cm×25 cm，長度不超7 m；鋼板壓(槽鋼)不超10 m。據(jù)統(tǒng)計，采用挖機每壓一根樁所需時間約10 min，加上約10 min的準備時間，壓入1根樁花費的總時間約為20 min。

3.2.2 混凝土攪拌及輸送系統(tǒng)

這是用于內河航道多功能工程船的第二個機械模塊。在船上設置混凝土攪拌和輸送設施，就地生產混凝土并向岸邊輸送，進行岸壁建設和維修的施工作業(yè)[1-3]。

在船中甲板裝有1套攪拌機械、1臺混凝土輸送泵、2座共可裝約6 t水泥的水泥艙。為吊裝沙石料，需與后述第3種模塊的起重設備配套作業(yè)；水泥艙和水艙用于儲存散裝水泥和水；攪拌機械用于混凝土的攪拌生產；混凝土輸送泵用于將船上制作好了的混凝土輸向岸邊，用于岸壁建設和維護的各種相關作業(yè)[4]。

混凝土攪拌裝置為用計算機控制的全自動成套設備，操作方便、簡單。攪拌系統(tǒng)是包含有下列設備和功能的簡易攪拌機械系統(tǒng)。

攪拌站型號 JS500

配料機型號 HDP1200

攪拌站生產率 25 m3/h

水泥艙容積 2.5 m3×2

混凝土輸送泵型號 HBTS20-8-30

理論混凝土輸出量 20 m3/h

最大理論泵送壓力 8 MPa

最大理論輸送距離水平/垂直 500 m/130 m

料斗容積/上料高度 0.3 m3/1 100 mm

砼坍落度范圍 120～230 mm

起重機吊臂長度 9 m

攪拌機械系統(tǒng)隨船一次性攜帶水泥及骨料較少，但便于拆卸和組裝，在僅折除攪拌系統(tǒng)中的攪拌機的情況下，水面以上固定高度約為4 m，可適應于通行內河5級航道的橋高限制，更易適應模塊式組裝的功能需求, 快速實現(xiàn)功能的模塊式組合使用，進一步節(jié)約船舶空間和使用成本。

3.2.3 起重設備的選型

這是設置于多功能船上的第3個機械模塊。經過分析研究，決定選用SZD1型起重機1臺，其主要技術規(guī)格如下。

起重機最大起重量 3.2 t

起重臂長 9.00 m

起升速度 16 m/min

最大起升高度 9 m

回轉速度 1.2 r/min

工作幅度 2.80～8.29 m

此種起重機主要與第2個模塊配套使用，用于承擔生產混凝土作業(yè)中的沙石料吊裝作業(yè)；也可作為獨立模塊，用于從輔助船上吊卸木樁或方樁至護岸作業(yè)的施工現(xiàn)場；或用于吊運裝載于擱淺或沉沒貨船上的貨物，對遇難船舶實施減載的搶險救助作業(yè)。

3.3 船舶推進裝置

3.3.1 船舶推進主機及減速齒輪箱的選用

多功能航道工程船的主要職責是航道施工作業(yè)，航行狀態(tài)較少，對其航速沒有過高的要求。擬選用1臺NT6135ZcZA型柴油機作為推進主機，其額定功率為162 kW，額定轉速為1 500 r/min；考慮到船舶吃水較淺，車葉直徑受限，故選用1臺HC138型減速齒輪箱與之配套使用，減速比為3.57∶1。

3.3.2 船舶推進性能的計算及航速預估

在進行設計計算時，按單槳船公式計算其推進因子，設計確定螺旋槳要素，并進行航速預報。計算結果匯總見表1。

表1 28 m船型推進性能設計計算及航速預估

由表1可見，在選定的推進主機及減速箱的情況下，按2種近似方法獲取的有效功率進行設計計算，所得出的螺旋槳要素比較接近，預報得出的船舶航速相差不多，基本上維持在11km/h左右，可以滿足船舶航行至新的施工區(qū)域調遣航行的速度需求。

3.4 船舶穩(wěn)性

該船為航道工程船，在進行施工作業(yè)時，對船舶穩(wěn)性有著很高的要求，作業(yè)工況有下列4種。

1)僅使用挖機(模塊1)的作業(yè)狀態(tài)，承擔航道挖掘與疏浚作業(yè)。

2)僅使用混凝土攪拌系統(tǒng)(模塊2)的作業(yè)狀態(tài)，用于混凝土的生產和向岸邊輸送作業(yè)。

3)僅使用吊機(模塊3)的作業(yè)狀態(tài)，承擔為擱淺船舶的減載脫淺救助作業(yè)。

4)同時使用3種機械模塊的作業(yè)狀態(tài)是承擔岸壁建設和維修的施工作業(yè)。

此外，還需考慮船舶的航行狀態(tài)。

對以上4種作業(yè)和航行工況進行穩(wěn)性校核計算。計算結果表明，4種作業(yè)工況及航行工況下的穩(wěn)性均可滿足《內河船舶法定檢驗技術規(guī)則》[5](2011)對內河工程船所提出的有關規(guī)定。

3.5 船舶自動化水平

3.5.1 施工作業(yè)的定位

為保證船舶作業(yè)時的穩(wěn)定性，該船在中前部位的兩側各設有1根長度為9.5 m的定位樁，并在相應的左右兩舷各設有專用于控制定位樁升降的電動卷揚機1臺。

3.5.2 遙控操作和機械設備模塊的集中控制

通過遙控裝置可在操作室內實現(xiàn)推進和操縱裝置的遙控操作和集中控制，大大提升了船舶的自動化水平。

3個機械設備模塊(挖機，起重機，攪拌設備)都要在各自的機械上或機旁操作，各自實現(xiàn)集中控制及自動化。

3.5.3 混凝土加工與輸送的自動控制

通過電腦編制程序對混凝土攪拌與輸送作業(yè)進行自動控制，實現(xiàn)從配料到攪拌和輸送的各個環(huán)節(jié)的一條龍式作業(yè)，大大地提高了混凝土生產與輸送的工作效率。

4 航道建設中的實用性研究

4.1 中小工程量的航道挖掘和疏浚

利用本項研究的多功能航道工程船并使用第一個機械模塊進行施工，比較適用于中小工程量的航道挖掘和疏浚作業(yè)。在施工中，若用挖機原配的鏟斗進行挖泥作業(yè)，每小時可挖泥10 m3;若將鏟斗改裝為抓斗，每小時挖泥量約為12 m3。

對于大工程量的航道建設，特別是水源要求較高的水域，可能還是使用專用的航道工程船(如絞吸式挖泥船)進行施工比較適宜。

4.2 對護岸建設與維修作業(yè)的實用性

護岸施工作業(yè)包括建筑圍堰(打樁和填土)、抽水、岸基開挖、岸基打樁、岸基鋪設碎石墊層、混凝土基礎澆注、岸壁的漿砌塊石、壓頂混凝土澆注、岸后回填土以及拆除圍堰等10多個施工環(huán)節(jié)，需要同時使用3個機械模塊進行組合作業(yè)，才能完成施工任務。應用本項研究的多功能航道工程船從事護岸施工作業(yè)，可充分體現(xiàn)其優(yōu)越性，這是本項研究的亮點。

現(xiàn)以對20 m長的堤岸按A型護岸結構進行施工為例，分析采用多功能航道工程船進行施工的作業(yè)流程和實用性。

1)建筑圍堰。對20 m長的堤岸，一般需要建筑25 m長、2 m寬、0.5～1.0 m高的圍堰。

為建筑圍堰，需要打入兩排間距為0.5 m的木樁，總計約有50根。木樁的直徑約為12～14 cm，長4～6 m，壓入深度約為2 m。利用挖機可進行從輔助船上吊運木樁和壓樁作業(yè)，耗時約10 h。

打樁完成后，利用挖機進行挖土和填土筑堰作業(yè),總計約挖填土方60 m3，耗時約6 h。

此后，尚需利用船上的水泵進行圍堰內的抽水作業(yè)，耗時約2 h。

2)岸基建設。

① 利用挖機進行開挖岸基作業(yè)，岸基寬度約為1.9 m。每延米需開挖9.16 m3，總計約開挖183.2 m3，耗時約18 h。

② 利用挖機進行吊運木樁和岸基的壓樁作業(yè)?；鶚稙殚g距0.5 m且呈梅花形布置的兩排木樁，總計約60根，用挖機從事吊運和壓樁作業(yè)，總耗時約20 h。

③ 鋪設碎石墊層。20 m堤岸的總鋪墊量為3.8 m3，利用挖機從事鋪墊、壓實作業(yè)，耗時約2 h。

④ C20混凝土基礎澆注，20 m堤岸的總澆注量為19.2 m3，利用混凝土輸送泵輸送C20混凝土，并利用挖機的鏟斗壓實并用人工抹平，約耗時10 h。

3)岸壁漿砌塊石，20 m堤岸的總砌石量為43 m3。利用挖機鏟斗拋石，并用人工進行岸壁排石并用混凝土砌平，約耗時10 h。

4)C25混凝土壓頂澆注，20 m堤岸的總澆注量為2.4 m3，利用混凝土輸送泵輸送C25混凝土，利用挖機鏟斗壓實并用人工抹平，約耗時4 h。

5)拆堰和墻后土回填。

① 拆堰挖土并回填墻后，60 m3，約耗時6 h；

② 拆堰拔樁，50根，約耗時5 h；

③ 墻后土回填，50 m3，約耗時5 h。

6)其他工程。在施工過程中，還需進行倒濾層、沉降縫和泄水管等施工作業(yè)，約耗時10 h。

施工的總計時間約需108 h，若按10 h /工作日計算，則用多功能船進行20 m護岸施工花費的總時間約為10.8 d。根據(jù)過去的施工經驗，若采用普通方式進行護岸施工，約需20 d才能完成20 m護岸的施工作業(yè)，且需耗費較多的人工。特別是在施工時，岸邊的植被和景觀也遭到破壞，完工后，尚需花費岸邊植被的修復費用(約為200元/m2)。

由此可見，本項研究的多功能航道工程船是適用于航道護岸施工的較佳方式。既可節(jié)約時間，又可節(jié)省人力、物力，并有利于植被與岸邊景觀的環(huán)境保護。利用多功能船進行航道的護岸施工作業(yè)，會充份體現(xiàn)其優(yōu)越性，產生顯著的經濟效益和社會效益。

5 結論

1)該船可以適用中小工程量的內河航道的挖掘和疏浚作業(yè)，尤其適用于內河航道的岸壁建設和維修任務，利用該船進行護岸施工效率高，相比目前人工方法，可節(jié)省一半的施工時間。

2)該船的機械設備是模塊組裝式，布置緊湊，經濟實用。模塊拆卸和組裝方便，可根據(jù)不同的使用環(huán)境和相應功能需求，選擇相應的專用工程設備組裝成相應的模塊從事施工作業(yè)。實現(xiàn)一種模塊，多船使用，有效地節(jié)約船舶空間和使用成本，提高了工程機械的使用率；同時，轉換成航行狀態(tài)的迅速，適應內河航行操縱性和橋梁高度的要求，提高船舶的使用效率。

3)該船選用了1臺可移動的SH360HD-5履帶式挖掘機作為挖掘機械，既具挖掘功能，可承擔航道疏浚的挖泥和岸壁施工的挖坑作業(yè)；又可承擔岸壁施工的壓樁、拋石砌岸和墻后土回填等多種作業(yè)；尚可承擔為航道中的擱淺遇險船舶實施卸貨減載的救助作業(yè)，充分體現(xiàn)了一機多用的研究設計原則。使用這種機械，既可在船上進行施工作業(yè)；又可通過履帶行駛至岸邊的陸地，進行岸壁施工的相關作業(yè)，水陸兩用，機動靈活。

4)選用的簡易混凝土攪拌和輸送系統(tǒng)及用于混凝土生產的沙石、水泥等原材料的儲備艙室、水艙和吊運機具，并通過電腦控制，實現(xiàn)從混凝土生產的配料、吊運、攪拌和輸送的一條龍作業(yè)。與通過混凝土攪拌車從陸路進行混凝土供應的方式相比，不僅具有生產量大、靈活方便等優(yōu)勢，更重要的是不需要在岸邊修建臨時通道，破壞綠化，有利于環(huán)境保護，是貫徹環(huán)保型航道建設理念的較佳選擇。

5)該船的穩(wěn)性良好，在4種作業(yè)狀態(tài)和航行狀態(tài)下的穩(wěn)性指標均符合內河法規(guī)和規(guī)范對內河航道工程船的有關規(guī)定；所配置的定位樁等定位設備，保證了船舶在進行各種施工作業(yè)時的穩(wěn)定性，為航道工程船的安全施工提供了技術保障。

6)該船具有自航能力，所配備的推進主機和相關的推進操縱設備，使航行速度可達11 km/h，適應靈活機動地調遣至新的地段進行航道施工的使用需求。

本船在設計中也存在一些局限性。由于航道護岸施工需要消耗砂、石、水泥和樁料，而多功能船本身的尺度、空間有限，無法大量地裝載這些材料，需要相應地配備一艘或多艘輔助船舶為其提供建材，對施工企業(yè)前期資金投入要求較高；還有，當船舶處于調遣航行狀態(tài)時，受到航道中的橋梁高度限制，需要將一些凈空超高的機械模塊拆除并裝載到輔助船上，一方面增加了操作人員工作量，另一方面需要配套輔助船舶。如何在限制性航道環(huán)境中，降低船舶凈空高度，提高操作方便性，減少輔助船配置有待進一步研究。

[1] 徐國強.新建50 m3/h混凝土攪拌船的技術經濟分析[J].港工技術與管理，2000(6)：27-29.

[2] 黃文海.蘇通長江大橋STP150型混凝土攪拌船的設計和應用[J].建筑機械,2005(2):88-89.

[3] 吳曉平，李輝綢，朱春華.高效環(huán)保節(jié)能型混凝土攪拌船[J].船舶工程，2006，28(4)：27-28.

[4] 方 勇,方 毅.CHZ200-2S2000L型船載混凝土攪拌站[J].建設機械技術與管理，2006(11)：79-81.

[5] 中華人民共和國海事局.內河船舶法定檢驗技術規(guī)則[S].北京：人民交通出版社，2011.

Development and Design of Multifunctional Engineering Ship inInland Restricted Waterway

TAN Yong1, XU Ming-hua2, WENG Fang-yong2

(1 Zhejiang Jiaxing Harbor and Waterway Management Bureau, Jiaxing Zhejiang 314001, China;2 Jiaxing Jinhang Ship Design Co. Ltd., Jiaxing Zhejiang 314033, China)

Inland restricted waterway construction and daily maintenance needs involving multiple construction sectors. A multifunctional engineering ship is developed and designed to meet various needs of dredging and excavation, concrete mixing and delivery, throwing stone shore, piling, and so on. The automatic control system is used to improve the ability of automatic control, the operation precision and efficiency. Through field investigation of the existing real ship, the design proposal is determined on the basis of ship form selection, comprehensive comparison of construction machinery, concrete mixing and delivery systems, lifting equipment, marine propulsion and automation, etc., as well as the practicality comparative study.

inland river; restricted waterway; engineering ship; multifunctional

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.012

2014-08-14

浙江省交通運輸廳2012年科技項目 (2012W11)

譚 涌(1979-)，男，碩士，高級工程師

U662.3

A

1671-7953(2015)01-0046-06

修回日期：2014-08-18

研究方向:船舶及海洋工程、海事管理

E-mail:yongtan@21cn.com