重型絞吸船挖巖施工中裝駁工藝

張志軍，董喧

（1.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

在改、擴(kuò)建港口時由于深度的增加，往往遇到過去不曾觸及的下臥很深的巖石層，而有些新建港口由于空間位置原因，必須建設(shè)在巖層海岸帶或珊瑚礁地區(qū)。海底硬質(zhì)巖石和珊瑚礁屬于一種特殊的疏浚物質(zhì)，傳統(tǒng)的水下巖石爆破技術(shù)不但生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，而且對海底環(huán)境污染極大，而基于疏浚泥土理論所設(shè)計(jì)的挖泥船并不適用于疏浚強(qiáng)度很大的巖石[1]。因此，近幾年來，一些為挖巖進(jìn)行了特殊優(yōu)化的疏浚設(shè)備陸續(xù)建造，“天鯨號”就是其中之一。

“天鯨號”是中交天津航道局有限公司新近建造的大型自航絞吸式挖泥船，是中國當(dāng)前功率最大的絞吸挖泥船。“天鯨號”長127.5m，寬23.0m，吃水5.5m，最大挖深30m，最大排泥距離6000m，配備多種當(dāng)前國際最先進(jìn)的疏浚設(shè)備，絞刀功率達(dá)到4200 kW，生產(chǎn)能力4500m3/h，具有無限航區(qū)的航行能力和裝駁功能，靈活機(jī)動，適用于各種海況的疏浚工程[2]。

“天鯨號”不僅可以疏浚黏土、密實(shí)砂和碎石，還可以開挖抗壓強(qiáng)度為40 MPa的巖石[2]。“天鯨號”的建造改變了人們清除海底巖石的方式，可大大減少海底爆破工程的數(shù)量，增大工程安全系數(shù)，也可減少對海洋的污染。

1 項(xiàng)目概況

防城港位于廣西壯族自治區(qū)防城港市，是全國25個沿海主要港口之一。

依據(jù)設(shè)計(jì)文件，防城港航道拓寬工程為在原有15萬噸級航道基礎(chǔ)上向東側(cè)拓寬35m，設(shè)計(jì)挖深-17.9m。工程采用疏浚外拋施工，拋泥距離約13 km。因?yàn)槭窃谠降郎线M(jìn)行拓寬，疏浚施工過程中會有一定程度的干擾。根據(jù)工程區(qū)域的地質(zhì)資料，疏浚物主要為巖石，單軸抗壓強(qiáng)度平均為42MPa，最高為49.3MPa。

2 “天鯨號”裝駁系統(tǒng)與系泊系統(tǒng)

“天鯨號”在船體兩舷各配置了2套裝駁裝置，裝駁裝置由鋼質(zhì)裝駁架、裝駁管、起升絞車、旋轉(zhuǎn)接頭等組成。

“天鯨號”裝駁管路由設(shè)置在絞刀橋架上的水下泵吸泥管、水下泵排出管、設(shè)置在泵艙內(nèi)的排泥總管以及設(shè)置在甲板上的裝駁管路和裝駁架上的管路組成。

“天鯨號”在船體兩側(cè)各配有一個獨(dú)立的駁船系泊系統(tǒng)。

3 直接裝駁工藝

礁石類土質(zhì)具有硬度大、密度大、棱角突出的特點(diǎn)，若利用管線輸送，對管線磨損嚴(yán)重，所需要的輸送壓力大，輸送距離短，所以利用絞吸船疏挖礁石類土質(zhì)時，一般采用裝駁作業(yè)。

“天鯨號”配有裝駁裝置，可以直接對駁船進(jìn)行裝駁作業(yè)。課題組和項(xiàng)目部通過分析現(xiàn)場工況和“天鯨號”設(shè)備配置情況，決定采用直接裝駁方式拋泥。

3.1 直接裝駁工藝流程

“天鯨號”直接裝駁工藝流程見圖1。

圖1 直接裝駁工藝流程圖Fig.1 Direct barge loading process flow diagram

1）駁船靠泊

由于駁船在停靠過程中“天鯨號”存在施工擺動情況，因此對靠泊過程應(yīng)予以高度重視。

2）裝駁前的準(zhǔn)備工作

駁船靠泊完成后，“天鯨號”應(yīng)派專人登上駁船，確認(rèn)前后裝駁管與駁船的相對位置滿足裝駁穩(wěn)定要求。

3）裝駁排泥管下放

駁船停靠及完成相應(yīng)的裝駁準(zhǔn)備后，即可進(jìn)行裝駁排泥管的下放工作。

4）疏浚裝駁

在挖巖裝駁過程中，應(yīng)明確各崗位職責(zé)，“天鯨號”及駁船均應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)控裝駁的進(jìn)度情況，并與控制臺保持聯(lián)系，當(dāng)駁船達(dá)到預(yù)期的裝駁量時應(yīng)及時通知駕駛臺停止裝駁。

在裝駁的過程中應(yīng)將另一側(cè)駁船靠泊完成，等待換駁連續(xù)施工，靠駁前須確認(rèn)裝駁管位于不影響靠泊作業(yè)的位置。當(dāng)靠泊完成后，在駁船裝載完成前將裝駁管下放至合適位置，以保持裝駁操作的連續(xù)性。

5）駁滿吹水、倒駁

當(dāng)一側(cè)駁船裝載完成后，應(yīng)進(jìn)行倒駁作業(yè)，在絞刀停轉(zhuǎn)、吹清水的狀況下，打開空駁一側(cè)裝駁管的疏浚閘閥，關(guān)閉滿駁一側(cè)疏浚閘閥，待管路調(diào)整完成后，即可繼續(xù)進(jìn)行挖巖作業(yè)。

6）裝駁完成后排泥管的提升

每次裝駁完成后，應(yīng)先將裝駁管提升，再進(jìn)行駁船的離駁作業(yè)，以保證離駁過程中的安全操作，避免裝駁管對駁船的離駁造成安全隱患。

7）駁船的離泊

駁船在裝載完成后，待裝駁管提升完成，即可進(jìn)行離泊作業(yè)。

8）駁船拋泥后返航

駁船駛至拋泥區(qū)進(jìn)行拋泥，然后返航。

3.2 直接裝駁施工工藝

1）用重型挖巖絞刀進(jìn)行巖層開挖，船舶開啟水下泥泵施工，通過裝駁管路裝駁，配置最為適合的自航駁船拋泥，駁船數(shù)量應(yīng)根據(jù)船舶生產(chǎn)率、駁船實(shí)際裝艙量、拋泥距離和駁船航速估算，最低不能少于兩艘。

2）兩條自航駁船分別靠泊于“天鯨號”左右兩舷，可采用先裝一側(cè)駁船而后裝另1艘駁船的方式（即圖1的流程圖方式），也可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采用對兩條駁船同時進(jìn)行裝駁的方式。

3.3 駁船匹配

3.3.1 挖泥船的生產(chǎn)能力

“天鯨號”的生產(chǎn)能力可以通過以下兩種方式測算。

1）“天鯨號”船舶駕駛艙內(nèi)有挖泥控制系統(tǒng)，可以從中讀取施工過程中的泥漿流量和泥漿濃度，然后根據(jù)公式“生產(chǎn)能力=泥漿流量×泥漿濃度”計(jì)算得到“天鯨號”的生產(chǎn)能力[3]。

2）在試挖前后對試挖區(qū)域分別進(jìn)行浚前及浚后測量，使用兩次的測圖計(jì)算試挖工程量，再除以“天鯨號”的挖泥時間得到生產(chǎn)能力。

3.3.2 確定運(yùn)距

對于疏挖區(qū)和拋泥區(qū)都只有1個區(qū)的情況，運(yùn)距指疏挖區(qū)和拋泥區(qū)之間的直線距離。

當(dāng)疏挖區(qū)或拋泥區(qū)數(shù)量不止1個時，應(yīng)首先確定各疏挖區(qū)所對應(yīng)的拋泥區(qū)，并計(jì)算疏挖區(qū)和其所對應(yīng)的拋泥區(qū)之間的距離，然后結(jié)合施工方案確定駁船匹配時的運(yùn)距取值。對于分階段進(jìn)行施工的項(xiàng)目，需要分階段進(jìn)行配駁，各階段運(yùn)距確定方法同上。

3.3.3 計(jì)算配駁數(shù)量

計(jì)算配駁數(shù)量的主要步驟：

1）依據(jù)項(xiàng)目情況，確定運(yùn)距S；

2）通過測算，確定船舶疏挖巖石的生產(chǎn)能力Q；

3）根據(jù)駁船信息，確定駁船的實(shí)際裝載量q；

4）依據(jù)航區(qū)相關(guān)規(guī)定和駁船情況，確定運(yùn)輸過程中駁船的實(shí)際航速v；

3.4 直接裝駁存在的問題

“天鯨號”在防城港施工初期，采用直接裝駁施工工藝，在施工過程中，發(fā)現(xiàn)存在以下問題。

1）施工質(zhì)量難以保證

泥艙裝滿后，主要依靠艙頂漫流，流出的泥漿在駁船周圍擴(kuò)散，大部分沉淀于航道內(nèi)或已浚深至設(shè)計(jì)深度的邊坡上，對后期質(zhì)量驗(yàn)收帶來較大的影響，而且增加了重復(fù)清淤的成本。

2）對航道及周邊的水體污染大

采用直接裝駁，裝滿1艘2000m3駁船需要時間約3 h，而裝艙在8min后，即開始艙頂漫流，泥漿的擴(kuò)散時間長，擴(kuò)散的范圍大，并順著漲落潮流到其他施工區(qū)域，對海域水質(zhì)影響大。

3）安全風(fēng)險大

防城港航道拓寬工程位于無掩護(hù)的外海，海況條件較差，由于駁船抗風(fēng)浪能力較弱，增加了安全風(fēng)險，而且容易因駁船無法施工而導(dǎo)致挖泥船被迫停工。由于駁船靠船體一側(cè)，增加了“天鯨號”的寬度，對航道內(nèi)避讓也帶來一定的安全隱患。

為避免上述問題，決定采用艉吹裝駁工藝施工。

4 艉吹裝駁工藝

“天鯨號”配備了艉吹裝置，可以通過排泥管線將疏浚物輸送到指定位置。考慮到礁石類疏浚物輸送距離短，經(jīng)過分析研究，決定在工程區(qū)域附近海況較好的地點(diǎn)設(shè)置抓斗裝駁平臺，將疏浚物通過排泥管線輸送到抓斗裝駁平臺，并在裝駁平臺上設(shè)置裝駁架，駁船停靠裝駁平臺進(jìn)行裝駁作業(yè)。

4.1 艉吹裝駁布置

防城港航道東側(cè)艉吹施工平面布置見圖2。

圖2 航道東側(cè)艉吹施工平面布置圖Fig.2 layout of the stern discharge in the east side of channel

4.2 艉吹裝駁工藝流程

經(jīng)不斷改進(jìn)，形成“天鯨號”艉吹裝駁工藝，其工藝流程見圖3。

圖3 艉吹裝駁工藝流程圖Fig.3 Barge loading process flow diagram of stern discharge

4.3 艉吹裝駁施工工藝

1）駁船靠泊前，先通過抓斗的吊機(jī)將排泥鋼管上端起吊一定的高度，待駁船靠穩(wěn)后，吊機(jī)松纜，將排泥鋼管下放至裝駁架。

2）裝駁開始后，可根據(jù)駁船吃水變化情況，通過抓斗吊機(jī)來調(diào)整管口距離駁船中已裝入泥漿液面的高度。

3）定位抓斗船和駁船采用前后端纜繩、系纜柱相對固定，為保證疏浚物在駁船泥艙內(nèi)分布較均勻，駁船通過松纜或緊纜改變與定位抓斗船的相對位置。

4）抓斗船通過絞錨改變與“天鯨號”的相對位置，調(diào)整位置時應(yīng)考慮前方水域水深、管線長度、管線錨位置、管線方向與“天鯨號”施工中線的夾角等。

5）在完成1次裝駁作業(yè)循環(huán)后，按照1）～4）步驟進(jìn)入下一個裝駁循環(huán)。

4.4 艉吹裝駁工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

4.4.1 優(yōu)點(diǎn)分析

1）施工質(zhì)量有保障

管口位置距離航道底邊線較遠(yuǎn)，減少了疏浚物對航道內(nèi)二次淤淺的可能，施工質(zhì)量有保證。

2）提高了“天鯨號”的時利率

裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域，降低了因駁船無法施工造成的停工風(fēng)險，提高了“天鯨號”的時利率。

3）降低安全風(fēng)險

駁船靠離駁及裝駁作業(yè)移到了海況條件較好的區(qū)域，降低了駁船作業(yè)的安全風(fēng)險；“天鯨號”兩側(cè)無靠泊駁船，在航道內(nèi)施工避讓風(fēng)險減小。

4.4.2 缺點(diǎn)分析

1）管線占用水域較大

由于水上管線在航道內(nèi)處于漂浮狀態(tài)，占用水域范圍較大，并隨漲、落潮流擺動，對于過往船舶存在礙航風(fēng)險，施工時要做好警戒標(biāo)識，特別是夜間施工要設(shè)警示燈等。

2）對航道外側(cè)水深較淺區(qū)域適應(yīng)性差

部分區(qū)域因水深過淺，不滿足抓斗船及配套駁船吃水要求，采用艉吹裝駁方式適用性較差。

5 結(jié)語

通過對“天鯨號”在防城港航道拓寬工程進(jìn)行挖巖施工的調(diào)研分析，得出以下結(jié)論。

1）重型絞吸船在進(jìn)行挖巖施工時依據(jù)不同工況可選擇直接裝駁工藝或艉吹裝駁工藝。

2）直接裝駁工藝適用于風(fēng)浪條件好、環(huán)保要求低、疏挖區(qū)底高程要求不高的工況條件。

3）當(dāng)風(fēng)浪大駁船難以停靠時，采用直接裝駁將影響施工的正常進(jìn)行，適合選擇艉吹裝駁工藝。而溢流大會造成疏挖區(qū)回淤時，采用艉吹裝駁工藝為宜。

4）當(dāng)工程區(qū)為正在使用的航道時，采用直接裝駁工藝會增大施工避讓風(fēng)險，建議采用艉吹裝駁工藝。

[1] 姚建偉，楊啟.基于巖石切削理論的超大型絞吸挖泥船絞刀動載荷分析[J].中國港灣建設(shè)，2011（1）：5-10.YAO Jian-wei，YANG Qi.Dynamic load analysis of the super cutter suction dredger cutter based on rock cutting theory[J].China Harbour Engineering，2011（1）：5-10.

[2] 何炎平，馮長華，顧敏童，等.“天鯨”號大型自航絞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009（5）：1-5.HE Yan-ping，F(xiàn)ENG Chang-hua，GU Min-tong，et al.Largesezed self-propelled cutter suction dredger named Tianjing[J].Shipping Engineering，2009（5）：1-5.

[3] 高偉.絞吸船挖巖工藝研究[D].天津：天津大學(xué)，2006.GAO Wei.Study on dig rock technology of cutter suction dredger[D].Tianjin：Tianjin University，2006.