“世越号”沉船SPMT滚装上岸设计与施工

2017-12-15姜大正陈世海王伟平

世界海运 2017年9期

姜大正陈世海蒋岩王伟平

姜大正陈世海蒋岩王伟平

“世越号”打捞工程举世瞩目，整体打捞重量刷新了世界纪录。上海打捞局凭借先进的管理理念、精干的人力资源、精良的装备和精湛的技术成功完成打捞，赢得了国际社会和韩国政府及民众的赞誉。“世越号”滚装上岸是工程的最后一步。上海打捞局将SPMT方法首次成功应用于沉船的滚装上岸，克服了沉船重量和重心不确定、沉船结构稳定性差和轨道间隙余量小等困难，创造了世界SPMT运输的最新纪录：一次使用最多小车（600轴），运输货物重量最大（17 000吨）。这标志着整个“世越号”打捞工程圆满结束，也证明了使用SPMT滚装方式将沉船转移上岸是一种高效可靠的方式，尤其对重量分布不均匀和重心不确定的大型复杂结构物的运输十分有效，其经验可供类似工程参考。

“世越号”打捞；滚卸上岸；SPMT；世界纪录

一、简介

1.工程概况

2014年4月16日，韩国渡轮“世越号”（早期称“岁月号”）在全罗南道珍岛郡近海发生沉船事故，造成304人遇难（包括失踪者），142人受伤，9人下落不明，举世震惊。

“世越号”船长145米，宽22米，型深14米。空船重量6 113吨，载重量约4 000吨，横倾90°沉没，左舷与海底接触。2015年5月，韩国政府就“世越号”沉船打捞项目进行全球公开招标，并提出严格的打捞要求，要保持沉船原始状态，最大可能维护船体结构，防止沉船内可能存在的遇难者遗体流失等。

上海打捞局作为中国海上专业救助打捞力量的主力军，集思广益，精心计算分析，反复论证设计投标方案，最终凭借雄厚的综合实力和人性化的整体打捞方案在19家实力强大的国际打捞公司的角逐中脱颖而出，一举中标。2015年8月4日，韩国海洋水产部与上海打捞局企业联合体最终签署了“世越号”打捞合同。

上海打捞局施工船舶和人员自2015年8月开始赴韩国沉船水域开始打捞工作，至2017年3月31日完成打捞并将沉船运输至指定码头。在600多天的海上施工中，累计投入各类打捞船舶3 000艘天，施工人员2 200余人次，潜水员水下作业时间超过13 000小时，先后完成了船体内残油回收、防遗体流失安全网安装、船首抬吊和托底钢梁的安装、双驳船整体提升沉船出水并转移至半潜船、半潜船起浮绑扎、运输沉船至指定码头等工作。

2017年3月底“世越号”被运输到木浦新港，随后就是工程的最后一步：运用SPMT（自行式模块化运输车）技术进行沉船滚装上岸。上海打捞局将SPMT方法首次应用于沉船的滚装上岸施工，克服了沉船重量和重心不确定、沉船结构稳定性差和轨道间隙小等困难，创造了世界SPMT运输的最新纪录：一次使用最多小车（600轴），运输货物重量最大（17 000吨），最终将“世越号”顺利从半潜船上转移至码头指定位置。

2.上岸方案选择

目前应用比较广泛的装船或上岸方式为吊装和滑移，但这两种方式都有一定的缺点，如吊装受浮吊能力的限制重量一般较小，同时受码头吃水限制较大，费用也较高；滑移上岸只能在滑道上进行，还需要改造码头，且准备工作烦琐、时间长。这两种装船方式相比较，SPMT装船具有载重量大、效率高、操作简单、速度快、环境要求低等优点。

自行式模块化运输车SPMT（self-propelled modular transporter）是由不同的模块拼接组成，配上动力模块，可实行自走式操作，其独立转向系统可使车辆按任意转弯半径转向，最小转弯半径为零，在对角线模式下可实现0°～90°任意方向斜行，操作灵活可靠。同时对于结构尺寸较大，重量分布不均的结构物（例如此次沉船与托底钢梁总重约17 000吨，重量和重心上岸前很难准确测量），平板车多个模块可以进行任意的横向和纵向的组合调试，灵活多变，从而组成一个装载能力足够大、对地面压力小的平板车组，以实现超大型结构物的运输，从而保证装船运输过程中的可靠性。因此采用自行式平板动力车组搬运大型海洋结构物进行装船运输不受结构物本身结构形式的影响，更不受结构物场地位置的影响[1]。图1为SPMT运输“世越号”示意图。

图1 SPMT运输“世越号”示意图

二、方案设计

1.难点分析

此次要转移上岸的是从海底打捞上来的沉船，由于装载货物重量的不确定，翻沉时货物的移位，再加上“世越号”已在海底近3年，船体内淤积了大量的沙石和淤泥，这些因素都导致无法提前准确获知沉船的重量和重心位置。相比于其他方法，SPMT方式可以根据重量重心位置的变化快速地调整小车的布放位置和排列方式。

同时由于“世越号”是90°侧翻，业主要求保持原姿态将沉船打捞出水，因此是沉船的左舷与打捞托底钢梁接触受力，左舷的上层建筑区域由于本身结构强度小，在沉没时已产生了较大的变形，在运输过程中也需要合理设计小车配置，保证受力均衡，防止发生进一步变形导致重心移动，这也是对SPMT配置设计的一大考验。

在半潜船甲板上根据半潜船纵向强结构上布置了3根支撑沉船的轨道，两根轨道之间净宽度10.4米，仅仅能容纳3列小车（宽度8.23米），左右位置调整的余量很小。同时由于沉船重心偏向上层建筑侧，这留给小车配置的空间余量非常小，给设计带来了极大的困难。

2.上岸路线和码头承载力考察

在业主指定了沉船最终上岸码头为韩国木浦新港码头后，方案设计人员需要对沉船上岸的码头进行考察，以确认是否满足SPMT运输要求。主要考察和关心的内容包括：

（1）上岸行走路径上是否有影响行进的障碍物。如果有，则需要进行拆除和整平。

（2）考察整个行走路径地面的平整度，是否在车轮行程补偿范围内。

（3）考察码头边靠垫、缆桩形式是否满足上岸和半潜船带缆要求。

（4）SPMT采用全液压悬挂式车架，独立的液压系统可以控制每个车轮的高低，所有车轮为均匀负载[2]。需要确认码头地面承载力是否满足SPMT行走的要求，计算确定车轮对于地面的平均压力。

3.现场气象水文调查和上岸时间选择

工程人员还需对码头的水位进行实地连续监测，并与码头分时潮汐表进行对比分析，找到潮汐规律和补偿误差。

根据经验，通常上岸时间选择潮差小、水流慢的小潮汛期间，这更有利于减少上岸期间半潜船的调载量并提高安全性，使上岸过程的半潜船船尾与码头高差控制在误差范围内。由于通常半潜船的排载速度大于压载水的速度，因此一般选择落潮时进行SPMT的上岸作业，此时通过排载提高吃水来补偿落潮潮差变化，从而更容易控制甲板和码头的高差。

根据打捞的进展，沉船预计在3月底被运输至木浦新港，上岸的时间为4月份。以4月初的小潮汛为例，3—8日是第一个小潮汛阶段，潮差均低于1米/小时。4月9—10日的最大落潮潮差约为1.2米/小时，最大涨潮潮差0.9米/小时；4月11日最大落潮潮差1.3米/小时，最大涨潮潮差1米/小时。

此次起浮和运输“世越号”的是载重量7万吨的大型半潜船，针对1.7万吨的沉船，压载和排载速度余量较大。考虑应急因素和余量，综合分析认为：4月3—8日是最优上岸时间；4月9—10日为安全上岸时间；4月11日至下一个小潮汛之间不适宜上岸作业。

上岸过程计划在落潮时间内完成，例如正常上岸时间约3小时，考虑可能出现的小车故障，需要额外的6小时应急时间，此时已进入涨潮阶段。因此需要至少9小时的上岸过程，需要半潜船甲板与码头始终保持在要求的高差范围内（±50毫米），相应的调载计算也需要覆盖此时间范围。

同时上岸作业还需满足一定气象条件要求，主要包括：风速＜13.8米/秒（6级风），且24小时预报风速呈下降趋势，能见度＞200米。

4.半潜船上小车布置设计

在半潜船甲板上根据半潜船纵向强结构位置安装了3根110米长的支撑轨道，“世越号”与下方的33根托底钢梁将放置在三根轨道上方。两根轨道之间的有效宽度约10.4米，仅仅能容纳3列小车（宽度8.23米），左右位置调整的余量很小。图2是沉船和轨道在半潜船上的布置图。

图2 半潜船上轨道和“世越号”布置

根据上岸前估算的重量和重心位置，结合小车的受力分析，对小车进行了初步的配置。由于重心偏向沉船的上层建筑侧，因此所有小车均偏向半潜船右舷，但由于轨道位置的限制，可调节的余量不大。

小车上船进行初步定位和调试后，可以进行试举，根据试举结果进一步调整小车位置。如重心偏移过大，可考虑在钢梁的两端（即两侧轨道外侧）再增加小车来进一步平衡受力。

5.上岸连接栈桥的设计

结构物装船前，驳船停靠在码头边，由于码头前沿安装了1米宽橡胶护舷，驳船不能紧靠码头，两者之间有一定的间隙，需要设计栈桥供小车通过。

为了满足小车上岸的要求，栈桥设计需要考虑结构物、小车、码头、驳船、潮位等相关因素，同时要遵循以下原则：①结构简单，便于设计和制造；②重量轻，便于搬运和现场安装；③强度大，保证小车安全通过栈桥；④能够缓冲潮位变化时驳船对栈桥的冲击力；⑤可以重复利用，完成不同类型结构物的装船作业。[3]

本次设计使用6厘米×3厘米×50毫米厚的钢板（A36级板）作为栈桥，同时下方间隔一定距离焊接25毫米厚钢板作为垫板。在计算时考虑每一轴线对栈桥的压力为40吨（小车设计最大载荷），校核栈桥所受最大剪力和弯矩均满足上岸要求，同时校核了垫板和栈桥的焊接强度也满足设计要求。图3为半潜船与码头间栈桥的设计和计算。

6.半潜船调载设计

上岸过程中对小车行走影响较大的因素就是半潜船与码头之间的高差，这直接影响栈桥的坡度从而影响车轮的垂向行程，因此需要分步计算不同轴数的小车上岸后半潜船对应调载和所允许的误差。其中调载方案设计主要包括以下过程：

（1）计算货物从甲板原始位置移动至半潜船船尾（约51米）过程中的分步调载方案和对应的稳性及总纵强度。

图3 半潜船与码头间栈桥的设计和计算

（2）从第一个SPMT车轮驶入栈桥至最后一个车轮驶出栈桥完全上岸的分步计算。本次半潜船上岸过程调载方案按照每间隔3轴上岸进行一次调载计算（每一次上岸重量600~800吨），直至沉船完全被转移上岸，最终计算了共计28个分步的上岸过程调载计划表，同时校核每一步的稳性及总纵强度。

（3）经过综合分析计算上岸路径的地形，给出了不同轴数小车上岸时的限制条件：半潜船船尾需边缘与码头的高差限制为±50毫米；半潜船允许的最大首倾和尾倾限制值。图4是20轴和60轴上岸时的首倾限制示例。横倾值需全程保持为零。

图4 小车20/60轴上岸的半潜驳最大首倾限制（1.9%/2.8%坡度）

同时根据要求，半潜船的调载设计需要有覆盖正常和应急作业情况下的整个涨落潮周期的计算。这个过程要随时保持半潜船船尾与码头高差控制在±50毫米范围内。

7.半潜船锚泊设计

SPMT运输沉船上岸期间，半潜船需要调整首向，使船尾靠紧码头靠垫，并保持甲板与码头的高差在一定范围内。为了使上岸过程半潜船的位置保持稳定，需要为半潜船进行带缆设计并进行锚泊设计和分析。

本次半潜船的尾靠码头共设计了8根缆绳，分别是主甲板上左右舷一定间距各4根。设计人员对带缆进行了计算和校核，分别计算了在允许的最大风、浪和流速情况下，不同方向外力作用下船舶的运动状况和失效分析。图5是半潜船的锚泊布置图。

计算结果显示，这种锚泊设计在风速6级的情况下，一根缆绳失效仍能使半潜船保持位置。除了以上的锚泊设计，为了提高作业安全性，也可考虑为半潜船首部抛两个八字大抓力锚，这样更容易稳住半潜船的首向，提高上岸过程的安全性。同时辅助拖轮也会在作业时守护作为应急使用。

8.码头行走路线设计

由于本次运输“世越号”的SPMT小车总长度约115米，因此从第一轴小车上岸至最后一个车轮上岸所涉及路线较长，在上岸过程中不同轴的车轮可能同时要经过几个斜坡，例如半潜船船尾和码头之间栈桥的坡度，距离码头边缘25米的下水道1%的坡度，以及码头地面1%的坡度。因此应充分考虑行走路径的合理性，在尽可能快速完成上岸工作的同时，减少行走过程中的安全隐患。因此，上岸过程中行走路径应尽量平整，不要超过小车的爬坡能力，轴线越多，小车的爬坡能力越低。如坡度较大或有潜在影响，可以考虑在相应位置的小车上安装一定高度的垫木来补偿高差的影响。

图5 半潜船锚泊设计图

三、准备工作

1.码头调查

技术人员对码头上岸区域进行了考察，并提出了相应的整改要求。主要包括：

（1）考察码头边橡胶靠垫、缆桩形式和间距满足靠船要求，确认了半潜船尾靠位置和对应缆桩的位置。

（2）根据小车移动路线和沉船存放位置，上岸路线上的部分栏杆、配电箱、临时结构等需要拆除并整平。

（3）发现码头存放沉船的位置地面有拱起，高差约100毫米（1%坡度），在车轮行程补偿范围内。

（4）发现码头边下水道结构低于码头100毫米（1%坡度），高差在车轮行程补偿范围内，同时上部行走路线上的区域需要铺设钢板增加强度。

（5）业主请第三方检验机构对码头SPMT行走路线和存放区域进行了承重测试，测试结果码头最大可承重25吨/平方米，完全满足上岸最小12吨/平方米的要求。

2.半潜船甲板准备

在上岸之前，半潜船甲板上小车行走路径上的所有凸起和障碍物都需要清理。沉船起浮之后，有大量的淤泥和污水从沉船中流到甲板上，施工人员首先对半潜船甲板进行了全方位的除污清理，其次对甲板上路径上的凸起障碍物进行了割除。

经过前期考察，半潜船尾部两个尾浮箱间距大于小车上岸路径总宽度，不影响上岸作业，仅需要将两浮箱之间的揽桩、扶手、地面凸起结构割除即可满足上岸要求。

3.半潜船锚泊设备安装、尾靠和预压载

本次半潜船的尾靠码头共设计了8根缆绳，分别是主甲板上左右舷共安装4台50吨和2台35吨锚机，以及半潜船首楼上左右两台25吨锚机。其中甲板前部2台50吨锚机使用60毫米直径钢丝绳，其余锚机使用60毫米直径强力尼龙缆绳。

之后，半潜船从侧靠码头调整到船尾靠码头的设计船位。根据锚泊设计带好所有缆绳。同时首部加抛两个大抓力锚。确认半潜船船位满足上岸要求并已稳定。

之后，根据调整方案，开始进行预压载工作。专人在船尾监测并记录半潜船与码头的高差，并报告驾驶台进行相应调载，保证甲板与码头高差满足要求。

4.栈桥搭建

在半潜船完成甲板清理、整平和预压载工作后，可以进行栈桥的搭建。根据设计要求，叉车在设计位置铺放了相应数量的设计钢板作为栈桥。随时监控半潜船船尾和码头高差，确保栈桥的坡度在设计范围内。

四、实施过程

作业团队完成以上准备工作后，集结和组装完成的SPMT小车即可开上半潜船进行作业。整个实施过程为：

（1）所有SPMT小车开上船，调整位置，部分小车顶部加垫板补偿沉船底部型线的高差。

（2）进行多次试举，进一步确认重量和重心位置，根据试举结果最终确定小车的配置方式（共8列小车，600轴线，16个动力单元-PPU）。最终测得“世越号”沉船与托底钢梁总重17 000吨。

（3）确认气象和海况满足上岸条件；确认锚泊系统稳定并满足设计要求；上岸路线上障碍物已清除，同时垫板和上岸栈桥安装就绪。

（4）根据工期选择4月9日下午的高平潮时间13:00上岸。在这之前小车已经将沉船从设计位置移动约51米至半潜船等待。17:35最后一个SPMT车轮上岸，继续在码头移动。半潜船上栈桥随后移除。

（5）随后码头支撑沉船的轨道安装完毕，小车逐渐将重量转移至轨道上。之后小车上的垫板拆除，所有小车从沉船下开出，至此整个“世越号”的滚装上岸作业全部完成。

图6为“世越号”被滚装上岸的过程图。

五、结论

此次“世越号”滚装上岸的成功实施，表明使用SPMT滚装方式将沉船转移上岸是一种高效可靠的方式。尤其在沉船重量分布不均匀和重心不确定的情况下，多个小车模块可以进行任意的组合配置，灵活性强，不受货物本身结构形式的限制。对于超大超重的结构，可以组成一个装载能力足够大、对地面压力小的平板车组进行运输。同时这种方式对于码头和场地要求较低，运输过程高效可靠。