大型絞吸挖泥船開挖黏土夾鈣質結核物施工對策

戴劍波，張日國，馬興華

（1.中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，上海 200136；2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120）

1 工程概況

連云港港30萬噸級航道先導試挖工程疏浚工程H1.1標段的施工范圍和內容為：連云港港30萬噸級航道里程樁號A0+000—W12+300段疏浚吹填工程，施工土質為淤泥、黏土、砂、鈣質結核，分布不均。本標段航道A0+000—W5+577段采用絞吸船施工，處于開敞海域。為不規則半日潮，潮流方向W1+577以內基本為東西向，W1+577以外與航道成70°左右夾角。受風浪涌浪影響大，同時航道通航對絞吸船施工干擾較大，施工工況為六級工況。為確保工程質量和進度，選用大型絞吸挖泥船新海豚輪進行疏浚與吹填施工。該船裝備有1臺電機驅動、功率為2 200 kW的絞刀，完全能夠滿足挖掘工程土質的功率要求。

2 施工情況及施工參數

新海豚輪自2010年6月21日開始施工至2012年4月19日撤出H1.1標工地，共參與H1.1標基建疏浚施工430 d。

施工分條結合不同深度的航道坡比設計要求，采用兩種方案：-12.5 m以下、坡比為1∶5時，順航道方向分兩條，北條寬為100 m，南條寬為55 m，不重疊。-12.5 m以下，坡比為1∶7時，順航道方向分兩條，北條寬100 m，南條寬105 m，重疊50 m。

施工分層基本按2 m為1層控制。開挖上層淤泥時，分層厚度加大，即第1層以-8.0 m開挖。

排泥管線長度920～7 447 m，其中水下排泥管線最長時為6 000 m，采用兩泵串聯施工時管線最長為5 116 m，排泥管內徑均采用φ850 mm。

施工流速從最初≥4.0 m/s調整至4.8 m/s；泥漿濃度從最初≤45%調整至35%，遇鈣化結核層泥漿濃度降低至20%左右；水下泵電機功率不低于1 100 kW；甲板泵柴油機負荷不低于70%。有關施工數據分析見表1所示。

表1 新海豚輪主要施工數據分析表Table 1 Analysis of the main construction data of Xinhaitun dredger

3 主要施工難點和應對措施

3.1 管道輸送

新海豚輪絞刀設計功率為2 200 kW，在H1.1標段施工中，絞刀負荷高的時候在1 100 kW左右，多數情況在400～800 kW之間，瞬時峰值達到1 700 kW，挖掘工藝實施難度不大。但對管道輸送過程，由于本工程地質分布、構成復雜，現場實際開挖土質與工前地勘土質存在較大差異，水力輸送特性與傳統泥漿輸送也有較大不同，造成工程前期輸送堵管情況嚴重，大大影響了施工工效的發揮和工程成本的控制。

針對施工過程中出現的各類堵管現象，工程技術人員對可能引起堵管的各個因素進行了逐一的分析和排查，最后將問題主要集中在高濃度引起堵管、管線泄漏引起堵管、管道中大顆粒物料沉積引起堵管和施工操作不當引起堵管四個方面，并針對性制定了應對措施，有效解決了堵管問題。

1） 高濃度引起堵管

在施工初期，由于現場土質與原預期存在差異，按照以往各工程施工經驗，把土質當做一般淤泥和黏土來對待，選擇了施工流速不低于4.0 m/s，泥漿濃度不高于45%的水力輸送控制參數。

同時，由于新海豚輪的絞刀功率大，在挖掘施工中還有較大的富裕功率，施工過程中容易產生高濃度，加上該標段土質黏性大、天然容重大且夾雜一定量的鈣質結核物，管道輸送所需的揚程高，當高濃度泥漿排泥管中輸送至一定的距離后，泥泵所產生的有效揚程無法滿足高濃度泥漿管道輸送所需的揚程，就產生了堵管現象。

針對這種情況的堵管，工程技術和管理人員要求各班組在施工時根據多個參數綜合判斷（流速、吸入真空、排壓、水下泵艙內泵負荷等），將流速、泥漿濃度控制在規定范圍以內，避免因高濃度再次發生堵管。

2）管道中大顆粒物料沉積引起堵管

在工程開工后對疏浚區進行的補充鉆探中發現，在工程區-10.5～-14 m之間的土層中分布有含量不等的結核物，其粒徑多為5～80 mm，個別達110 mm。此種結核物的天然密度大于礫石（達2.9 t/m3左右），輸送阻力很大。另一方面，由于該標段土質主要是以硬塑性黏土為主，土質黏性大，輸送過程易在管道內黏結成球狀，進一步加大了管道泥漿流態的非均勻質流特點。一定量鈣質結核物與硬塑黏土球混雜在一起，在輸送過程中不斷沉積于管道底部，特別當局部管線位置處于較低處、管線爬坡處或過度折拗處極易堆積，稍有不慎即出現堵管現象。

這種堵管問題最為常見同時也較難處理。因為這種堵管發生前基本沒有什么征兆，從監控數據回放看，施工參數也都正常。開始階段曾嘗試調整流速和濃度等施工參數的方式，將流速提高至4.5 m/s，濃度降至35%以下，但效果不明顯，還是發生多次堵管。在工程區發現有鈣質結核物分布后，將正常土質輸送流速進一步提高至4.8 m/s，但遇到挖掘鈣化結核層時，將濃度控制在不超過20%，調整后解決了堵管問題。

3）管線泄漏引起堵管

由于輸送泥漿中較大顆粒物料的存在，大大加大了輸送料對管線的沖擊和磨損，管線出現破損、泄露的概率增加。當管線局部發生泄漏時，漏點以后的管道中的施工流速變慢，漏點以后管道中的大顆粒泥團產生沉積，當沉積至一定量后就會產生堵管現象。

為此，主要是通過對施工參數的變化來判斷管線是否發生泄漏，發現問題及時組織查找管線漏點，修復管線再施工。

4）施工操作不當引起堵管

當平均施工流速較大時，施工操作人員一般會提高泥漿濃度來消耗多余的壓頭。泥漿濃度的增加，使得土顆粒間相互作用的程度加大，也使得水流支持土顆粒懸浮的能量加大，一旦管路的所需總揚程小于泥泵機組產生的有效揚程時，施工流速就會下降。管道中泥漿的紊流狀態也會因流速的下降而減弱，一旦低于輸送該種土質條件下的臨界流速，管路內高濃度的泥漿就會逐漸沉積，造成管道輸送阻力的上升而引起堵管現象。

對此在進一步認清工程區疏浚土特性基礎上，合理改進施工操作方法，控制泥漿與清水轉換時的施工步驟，有效避免了堵管現象的發生。

3.2 管線鋪設

H1.1標段水下排泥管線鋪設難度大。在土質輸送困難且長排距工況條件下，為減小管線阻力，要求管線盡量順直。為確保管線鋪設質量，施工中對水下排泥管線的鋪設投入很大的時間和精力。由表1統計可以看出，管線布設施工時間占總時間的比例達到13.3%，即平均每天有3.2 h都消耗在管線施工上。管線施工特別是水下排泥管線鋪設的施工難度主要有以下幾方面：

1）海況及氣象條件影響。施工區域為開敞區域，受風、浪、流影響大，沉管鋪設過程中易產生管線漂移，形成多個折彎；

2）管線延伸頻繁。由于施工區域狹長，不長的相隔時間內就要延伸水下排泥管線，而延伸的水下排泥管線往往由于管內空氣不能完全排盡，合泵后先前已沉好的水下排泥管線又重新浮起，產生二次漂移現象；

3） 水下排泥管線在鋪設過程中要避開拋泥坑、圍堤、抓斗施工區等障礙，從而產生多個轉向點。在有風、浪、流影響的條件下，多轉向點的鋪設和定位控制技術難度也較大。

由于上述原因，使得水下排泥管線產生多個折拗點。同時，因水下排泥管線的二次浮起，在水陸管架頭附近的水下排泥管線也易產生堆積現象，需安排錨艇將其拉順或裁短重接。

在施工過程中，折拗點的橡膠軟管的磨損要遠大于順直管線中橡膠管的磨損，致使水下排泥管線經常發生泄漏，管線一旦發生泄漏，必須及時修復。由于水下排泥管線長，為了節約管線施工時間，一般不將水下排泥管線全部起浮，而是從中間接近漏點處將水下排泥管線吊起，更換破損的橡膠管，修復后的水下排泥管線再次下沉后會形成新的折拗點。

H1.1標的水下排泥管線長，主要原因是從1號泥塘向東的圍堤上不允許鋪設岸管，使水下排泥管線長了約2 000 m左右，在此種工況條件下，水下排泥管線應盡可能短，這對提高船舶施工時間利用率是有積極意義的。

4 結語

連云港港30萬噸級航道先導試挖工程疏浚工程的施工實踐表明，夾含鈣質結核物的黏性土質具有特有的管道水力輸送特性，為避免易發的堵管現象，可采用的有效工程技術措施有：

1）采用高濃度泥漿管道輸送時，應充分重視疏浚土質的差異，根據不同土質的輸送特性合理確定和控制有關施工參數；

2）鈣質結核物與硬塑黏土在管道輸送過程中易產生堵管，將輸送流速提高至4.8 m/s、濃度控制在20%以下可解決堵管問題；

3）鈣質結核物與硬塑黏土產生堵管后，采用反向倒打清水的疏通方式較好；

4）對于管線鋪設難度大，施工時間長但又易磨損泄露的問題，需在總結成功現場經驗的基礎上，進一步探索采用新型管線材料和水下排泥管線鋪設工藝。

[1] 連云港港30萬噸級航道一期工程（H1.1標段）巖土工程勘察報告[R].南京：江蘇省水文地質工程地質勘察院，2010.Geotechnical investigation report of Lianyungang Port 300 000-ton channel phase I project（H1.1 section）[R].Nanjing：Jiangsu Province Institute of Hydrogeological and Engineering Geological Investigation，2010.

[2]新海豚輪連云港港30萬噸級航道先導試挖工程疏浚工程H1.1標段生產效率調研測試報告[R].上海：中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，2011.Test report of production efficiency on H1.1 section of dredgingengineering of Xinhaitun dredger in Lianyungang Port 300 000-ton channel leader trail dredge project[R].Shanghai：SDC Orient Dredging Engineering Branch，2011.

[3] 疏浚技術培訓教材[M].上海：中交上海航道局有限公司，2005 Dredgingtechnical training textbook[M].Shanghai:CCCCShanghai Dredging Co.，Ltd.，2005.